淺談國內汽車空氣動力學相關的應用

郝旭飛，楊勇，李靖，劉松高

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

汽車在行駛過程中主要受滾動阻力和空氣阻力。當汽車的車速為80 km/h時，克服風阻消耗的優(yōu)化約占60%；當車速提升至200 km/h以上時，風阻占車輛行駛阻力的85%。相關試驗研究發(fā)現(xiàn)，風阻降低10%,可節(jié)油約7%。減阻降耗可緩解能源緊張局勢，提升續(xù)航以減少消費者的用車費用，因此空氣動力學在整車燃油經(jīng)濟性中的作用越來越被各大車企重視。

汽車空氣動力學特性影響汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性和操縱穩(wěn)定性。減風阻的措施分為主動減阻與被動減阻。被動減阻是通過調整外造型或加裝氣動附件實現(xiàn)，如優(yōu)化流場可改善前輪氣壩、導流板等；主動減阻是對流場進行實時控制，如動態(tài)控制可調節(jié)尾翼、射流技術、主動進氣格柵等。文中介紹了近幾年國內汽車空氣動力學相關的工程研究與技術方案，并重點從被動減阻(數(shù)值分析與綜合分析)和主動減阻兩個方面進行了闡述，為行業(yè)相關研究人員提供參考。

1 被動減阻工程技術研究

1.1 數(shù)值分析

雖然國內汽車空氣動力學發(fā)展較晚，但目前已逐漸

與國際接軌，且空氣動力學已成為所有國內車企研發(fā)中一個重要的部分。目前空氣動力學的研究方法主要包括風洞試驗、數(shù)值模擬和道路試驗。數(shù)值模擬以流體力學為理論，借助計算機技術求解數(shù)學模型，縮短了汽車空氣動力學性能的研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本，在汽車降風阻和減油耗方面發(fā)揮著重要的作用。

汽車車身先進設計制造國家重點試驗室的文琪等[1]采用數(shù)值分析方法研究了某微型客車的尾渦，發(fā)現(xiàn)尾氣排放對整車風阻的影響：尾氣定常排放時，不合理的尾氣管布置會增大整車風阻，而合理的尾氣管布置可降風阻3.64%；尾氣脈動排放的降阻效果明顯優(yōu)于定常排放，排放周期為0.08 s時可降阻4.76%。

中汽研的王慶洋等[2]對某款重型貨車通過STAR-CCM+求解得到牽引車和拖車區(qū)域的風阻分別約占整車風阻的51%和35%，從而確定了牽引車區(qū)域、拖車與牽引車間和拖車尾部為氣動優(yōu)化對象。通過在牽引車頭部加裝合適的頂部整流罩、在牽引車與拖車之間加裝合適的導流板、在拖車尾部加裝合適的尾板分別實現(xiàn)減阻25%、15%、4.7%，組合配備氣動套件的方案實現(xiàn)降阻27.4%，效果顯著。

中國一汽的李春鵬等[3]對某款電動車的懸浮式尾翼擾流板進行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)下壓懸浮式尾翼末端、增大尾翼開口、上翹后風窗頂部結構強制分離氣流等綜合方案可減風阻7.2%，降油耗2.6%。

中國一汽的付宇[4]對某款轎車的車輪擾流板(某些車企叫氣壩)進行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)添加前輪擾流板風阻降低0.027，添加后輪擾流板風阻降低0.005，在配置前輪擾流板的同時增加后輪擾流板的配置風阻無明顯變化。

上汽通用五菱的趙會芳等[5]對五菱某款MPV進行了CFD分析與優(yōu)化，通過優(yōu)化格柵A面及減少格柵開口實現(xiàn)了前端正壓的減小，風阻減小6.17%；通過增加前輪阻風板這一部件，風阻減小1.54%；通過優(yōu)化導流板及前端底護板的結構，風阻減小0.5%。前端造型與部件的優(yōu)化，使得整車風阻降低了8.23%。

華晨汽車的齊凱[6]用數(shù)值分析方法對某款轎車的空氣動力學性能進行了分析，通過優(yōu)化造型(前端向下/減小前風擋與發(fā)蓋的角度/尾部向后凸)實現(xiàn)降阻0.02，通過增加前輪導流板實現(xiàn)降阻0.009。

陜西重汽的張克鵬[7]通過數(shù)值分析研究了某重型載貨汽車的前擾流板的流場，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前擾流板各翹片的角度及長度，可降低2.4%的整車風阻，且同時顯著改善車門及把手的除塵效果。

江蘇敏安汽車的曹升平等[8]對在研轎車的A柱的流場進行了數(shù)值分析與優(yōu)化，通過加裝A柱裝飾條的方案實現(xiàn)減阻0.002 5，降噪2～3 dBA。

浙江吉智汽車的陳濤等人[9]對某款微型轎車的后保氣動性進行的數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)增大后保離地間隙且在后保前端增加導流板曲面可以有效降低風阻。

北京航空航天大學的康寧等人[10]對汽車前輪阻風板的安裝位置、寬、高及曲率半徑這4個因素與風阻相關性進行了單因素研究，發(fā)現(xiàn)阻風板的安裝部位及其寬對整車風阻的影響很小。通過尋優(yōu)分析，得到組風板的曲率半徑R為15 mm，高為10 mm時可降低14.7%的風阻[10]。

湖南工業(yè)大學的張勇等人[11]采用MIBA模型仿生鯊魚鰭，在車尾底部加裝一排仿鰭四棱錐結構，通過多島遺傳算法等方法對四棱錐結構參數(shù)進行了優(yōu)化，最終將風阻從0.307 9降到0.303 7，減阻約1.4%。

1.2 綜合分析

汽車車身先進設計制造國家重點試驗室的袁志群等[12]對某款轎車簡化模型進行了數(shù)值分析和風洞試驗研究，發(fā)現(xiàn)相對于平滑底部的汽車，有復雜結構底部的汽車(實車情況)風阻增加了0.052 3；同時研究尾氣改善車尾流場，發(fā)現(xiàn)車速30 m/s時存在最佳尾排速度可降低整車風阻0.013 6。

上海地面交通工具風洞中心的朱暉等[13]以MIRA兩廂車為研究對象，采用風洞試驗結合數(shù)值分析研究，發(fā)現(xiàn)增大車尾收縮角，可制車尾測氣流向上、下翻卷的趨勢，減少能量耗散，從而減小整車氣動阻力。

中汽中心的劉學龍等[14]對某款SUV采用STAR-CCM+進行數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)在前后車輪前部增加阻風板，可減風阻0.016。但在前保下方增加阻風板(高度40 mm)卻降風阻不到0.5%，因此前保阻風板的形狀、高度、位置等需要根據(jù)整車總體參數(shù)及底部結構充分優(yōu)化和分析才可以確定方案，甚至確定是否需要配備。

泛亞技術中心的王夫亮等[15]基于上汽通用某款車型采用數(shù)值分析結合風洞試驗的方法研究了前輪導流板的減阻效果及機制，發(fā)現(xiàn)加裝導流板可降阻約6.5%，導流板的高度變化卻對風阻的影響和改變，通過分析得到顯著降低前輪腔內的風阻為前輪導流板提升整車空氣動力學性能的主要作用機制。

廣汽研究院的彭麗娟等[16]基于傳祺某款中大型SUV改款項目，采用CFD軟件結合變形網(wǎng)格技術分析了外造型面對整車風阻的影響，通過優(yōu)化外造型面和氣動附件將模型的風阻從0.407降至0.347，減阻14.7%。經(jīng)整車風洞試驗驗證，仿真誤差僅為2%，精度很高。

長城汽車的徐鵬等人[17]綜合數(shù)值分析、風洞試驗、道路試驗等方隊汽車前端的氣動附件進行了研究，發(fā)現(xiàn)加裝80 mm的前保氣壩(最優(yōu)高度)和發(fā)動機底護板可以減阻0.023，降油耗0.3 L/100 km，效果顯著。

長安汽車的李林等人[18]采用軟件STAR-CCM+對長安某款轎車進行了數(shù)值分析與風洞試驗研究，發(fā)現(xiàn)增加40 mm高的前唇、封住部分格柵開口、增加前艙導流板及密封、加寬加長前輪導流板，可降阻0.036，提升10%的空氣動力學性能。

比亞迪汽車的羅秋麗等[19]基于比亞迪漢車型，采用CFD分析完成了對整車空氣動力學的開發(fā)與優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)降低車頭40 mm減阻5 count，在不增加側導風管不增加成本的情況下通過優(yōu)化前保兩側的拐角風阻僅增加5 count，仿真分析優(yōu)化的氣動輪輞僅比全密封輪輞風阻大4 count；風洞試驗結果證明主動進氣格柵全閉可降阻12 count，采用DES的方法可使數(shù)值分析誤差控制在3%以內。

江淮汽車的朱忠華等[20]通過風洞試驗與數(shù)值分析方法對某款SUV的后擾流板進行了氣動性研究，通過調整擾流板的角度及斷面將風阻分別下降0.007和0.006，為整車降阻4%。

2 主動減阻工程技術研究

被動減阻主要是對造型或部件進行空氣動力學相關分析和優(yōu)化，且結果是唯一的。而主動減阻則是控制技術與硬件技術的結合，是需要通過算法對行車中的變量進行實時計算和優(yōu)化，實時調整硬件相關的氣動性參數(shù)以實時地實現(xiàn)整車風阻最大降低。

汽車仿真與控制國家重點試驗室的王靖宇等[21]通過風洞試驗研究了表面介質阻擋放電等離子體激勵器對方背模型Ahmed的氣動性，試驗發(fā)現(xiàn)等離子體激勵器可很好地控制尾部流場，增大模型尾部氣壓從而降阻，且10 m/s的風速和17 kV峰值電壓時可以實現(xiàn)最大降阻9%。

福建客車及特種車協(xié)同中心的袁志群等[22]以某款轎車為對象研究了汽車底部主動控制減阻技術：通過前車底主動抽吸作用，前端流程的速度方向被改變，前端車底分離泡被限制，從而減小了前端的正壓區(qū)，增大了車頭底部負壓區(qū)，車身壓差阻力減?。煌ㄟ^車尾的噴射作用，車尾負壓減小。為實現(xiàn)最優(yōu)降阻效果，汽車行駛過程中，需根據(jù)橫擺角、車速等參數(shù)實時調節(jié)噴射速度、噴射角度等。

上汽通用五菱的張涵等人[23]采用數(shù)值分析對某MPV車型的主動進氣格柵的性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)主動進氣格柵葉片全閉時比全開狀態(tài)風阻小3.37%，葉片角度處于0°～45°區(qū)間時發(fā)動機艙內流阻力逐步增大，葉片角度處于45°～90°區(qū)間時機艙內流阻力基本不變。

無錫職業(yè)技術學院的丁鵬等人[24]設計了一種可根據(jù)車速等相關的氣動阻力和升力等改變攻角的電控可調尾翼系統(tǒng)，搭載在上海某車企的微型三廂車上進行道路試驗，發(fā)現(xiàn)車速大于80 km/h時隨著車速加快，可降百公里油耗逐漸增加(車速100 km/h時可降油耗0.3 L/100 km，車速120 km/h時可降油耗0.5 L/100 km)。

3 結論

被動減阻的技術方案工程應用可行性高，技術含量與門檻相對較低，實施成本相對較低；而主動減阻需要借助復雜且完善的算法與控制技術，控制及軟件部分技術門檻高，且需要大量的成本投入與技術積累，工程應用較難。因此，被動減阻是目前國內整車企業(yè)應用最廣最為成熟的減阻降耗的方案，而主動減阻相關的工程應用和方案較少。另外，受制于昂貴的風洞試驗費用，汽車空氣動力學相關研究主要是通過數(shù)值分析或數(shù)值分析+風洞試驗驗證部分方案的途徑。

目前國內整車空氣動力學相關的工程技術研究主要是對汽車前端與尾部展開。而車底的氣動阻力約占整車阻力的30%，但由于底部模型制作的困難及風洞的局限性，目前的數(shù)值分析及風洞試驗模型以光滑底部為主，對汽車底部相關的空氣動力學性能相關研究較少。