汽車空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)方法及減阻研究

孫景新 孫逸昊

（一汽豐田汽車有限公司 技術(shù)研發(fā)分公司,天津 300457）

主題詞：汽車空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)阻系數(shù)實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)外飾件

1 前言

汽車空氣動(dòng)力特性直接影響汽車的動(dòng)力性能、操作穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟(jì)性和氣動(dòng)噪聲性能，甚至影響汽車的行駛安全。因此，各大汽車廠商越來(lái)越重視汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性，其中研究方向主要包含以下4個(gè)方面。

（1）車輛行駛阻力、側(cè)向力和升力3個(gè)氣動(dòng)分力；側(cè)傾力矩、縱傾力矩和橫擺力矩3個(gè)氣動(dòng)分力矩。它們共同作用，對(duì)車輛的動(dòng)力性、操穩(wěn)性能產(chǎn)生重要影響。

（2）汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙及制動(dòng)器的通風(fēng)量和冷卻研究。

（3）汽車表面壓力分布和車身表面污染，比如傳統(tǒng)兩廂車比三廂車后風(fēng)窗更易沾染灰塵，需要設(shè)置后雨刷器進(jìn)行清理。

（4）汽車氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生傳播機(jī)理。如汽車后視鏡、雨刷器和天窗的風(fēng)噪研究。

隨著汽車保有量的大幅度增加，節(jié)能環(huán)保的理念也越來(lái)越深入人心。在車輛行駛過(guò)中，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)能需要克服傳動(dòng)過(guò)程的摩擦機(jī)械損失，輪胎的滾動(dòng)阻力以及氣動(dòng)阻力。當(dāng)一輛轎車高速行駛時(shí)（80 km/h以上），氣動(dòng)阻力約占總阻力的一半以上，而且隨著車速的增加，氣動(dòng)阻力也急劇增加。根據(jù)美國(guó)國(guó)家環(huán)保局定義的城市工況和高速工況駕駛方式，轎車因克服空氣阻力所消耗的燃油占總油耗的13%。對(duì)于SUV來(lái)講這種影響更為明顯，占總油耗的22%。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，降低整車風(fēng)阻系數(shù)也成為提高續(xù)駛里程的重要手段之一。

汽車實(shí)際道路行駛狀態(tài)下的氣動(dòng)力總體可分為外部阻力和內(nèi)部阻力，如圖1。

圖1 氣動(dòng)阻力分類

作用在汽車上的空氣，有35%～40%從車身上面流過(guò)；10%～15%從底盤流過(guò)；25%從車身側(cè)面流過(guò)。從底盤流過(guò)的空氣包含進(jìn)入散熱器格柵，最終流出發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空氣。

通過(guò)實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)，可以盡量還原車輛在實(shí)際道路上的行駛狀態(tài)，不僅可以測(cè)試整車風(fēng)阻系數(shù)，也可以優(yōu)化外部裝飾件達(dá)到降低風(fēng)阻系數(shù)的目的。

2 汽車空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)方法

2.1 風(fēng)洞試驗(yàn)室參數(shù)

本次試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速空氣動(dòng)力研究所（以下簡(jiǎn)稱低速所）8 m×6 m風(fēng)洞第二試驗(yàn)段進(jìn)行。該風(fēng)洞是國(guó)內(nèi)首座大型低速風(fēng)洞，第二試驗(yàn)段寬8 m、高6 m、長(zhǎng)25 m，4角有45°等截面填塊。試驗(yàn)段底部中心有一個(gè)可以帶動(dòng)車輛一同旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤。第二試驗(yàn)段風(fēng)速控制范圍可以滿足汽車風(fēng)洞試驗(yàn)所需的80～140 km/h風(fēng)速條件。氣流穩(wěn)定性、方向場(chǎng)、湍流度均滿足本次車輛風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)流場(chǎng)品質(zhì)的要求。

為減少地面效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，安裝專用地板改造第二試驗(yàn)段。地板長(zhǎng)16.1 m，寬7.4 m，上表面距風(fēng)洞底部0.5 m。

本試驗(yàn)采用了8 m×6 m風(fēng)洞汽車專用地板。地板由5塊獨(dú)立地板拼接而成，主要由兩根靠近風(fēng)洞側(cè)壁的長(zhǎng)工字鋼梁支撐，地板上表面距風(fēng)洞下表面0.5 m。地板中心有一直徑7 m的轉(zhuǎn)盤,轉(zhuǎn)盤用支撐框架與風(fēng)洞底部轉(zhuǎn)盤固聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)360°水平轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足測(cè)量不同側(cè)偏角條件下，測(cè)量氣動(dòng)力的要求。

2.2 試驗(yàn)車輛整備

測(cè)試車輛安裝在模型支撐組合件上，車輛的4個(gè)車輪分別放在相應(yīng)的車輪墊塊上（車輪墊塊表面與地板表面平齊），用鐵絲穿過(guò)輪轂與支撐組件后絞緊固定，在車輪附近的空隙處做密封處理，在確保不碰觸車輪及模型支撐組合件的同時(shí)，降低試驗(yàn)時(shí)湍流對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。車輛安裝示意如圖2。

圖2 車輛安裝示意

車輛安裝時(shí)需要調(diào)整車輛姿態(tài)，保證車輛安裝位置的準(zhǔn)確。車輛姿態(tài)調(diào)整的主要步驟如下：

（1）確定天平中心線與風(fēng)洞中心軸線平行或?qū)R；

（2）根據(jù)車頭、尾部的中心點(diǎn)，使車輛縱向中心連線與天平中心線對(duì)齊；

（3）調(diào)整車輛配重，使離地間隙滿足設(shè)計(jì)狀態(tài)要求；

（4）0°側(cè)偏角下進(jìn)行試吹，在風(fēng)速35 m/s下持續(xù)20 s；

（5）重新檢查并調(diào)整車輛狀態(tài)，確認(rèn)后再進(jìn)行正式試驗(yàn)。

試驗(yàn)車輛狀態(tài)要求如下：

（1）關(guān)閉所有車窗（含天窗）；

（2）車輛熄火，空調(diào)切換到內(nèi)循環(huán)，關(guān)閉空調(diào)；

（3）調(diào)整輪胎胎壓至0.25 MPa；

（4）雨刷器、后視鏡等車輛外部機(jī)能零部件處于正常行車狀態(tài)；

（5）啟動(dòng)駐車制動(dòng)。

圖3所示為原型車在風(fēng)洞中安裝及調(diào)試后的狀態(tài)。

圖3 原型車安裝調(diào)試后車輛狀態(tài)

2.3 試驗(yàn)條件

由于阻力系數(shù)與風(fēng)速無(wú)關(guān)，在正式試驗(yàn)開始前，通過(guò)變風(fēng)速試驗(yàn)（100 km/h、110 km/h、120 km/h），確定車輛在哪個(gè)風(fēng)速下最穩(wěn)定，從而確定試驗(yàn)風(fēng)速。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，在120 km/h條件下測(cè)定的數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，因此本試驗(yàn)的風(fēng)速除特別說(shuō)明外，均為33.33 m/s（對(duì)應(yīng)車速120 km/h），并根據(jù)試驗(yàn)當(dāng)時(shí)的氣溫、大氣壓條件計(jì)算風(fēng)洞動(dòng)壓。

3 風(fēng)洞精度驗(yàn)證

3.1 重復(fù)性試驗(yàn)

對(duì)原型車進(jìn)行了7次重復(fù)性試驗(yàn)，重復(fù)性試驗(yàn)精度詳見表1。阻力系數(shù)重復(fù)性精度要求在0.001以下，所以本次試驗(yàn)滿足汽車空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)要求。

表1 風(fēng)洞重復(fù)性試驗(yàn)精度

3.2 變側(cè)偏角試驗(yàn)

阻力系數(shù)的變側(cè)偏角試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，阻力系數(shù)隨側(cè)偏角變化時(shí)有較好的對(duì)稱性。

圖4 原型車阻力系數(shù)變側(cè)偏角試驗(yàn)

4 車輛外部裝飾件上的減阻研究

4.1 前后保險(xiǎn)杠導(dǎo)流板

為降低汽車風(fēng)阻系數(shù)，同時(shí)提升車輛外觀商品力，對(duì)該車型的前、后保險(xiǎn)杠導(dǎo)流板進(jìn)行重新造型設(shè)計(jì)（圖5、圖6）。

圖5 前保險(xiǎn)杠導(dǎo)流板

圖6 后保險(xiǎn)杠導(dǎo)流板

在換裝全新設(shè)計(jì)的保險(xiǎn)杠后，車輛的阻力系數(shù)降低了2.8%，這說(shuō)明新設(shè)計(jì)的前后保險(xiǎn)杠有較好的導(dǎo)流效果。使前方氣流更加平穩(wěn)地流向車輛底部，同時(shí)在車輛尾部與上部車身氣流匯合時(shí)，改善了車輛尾部低壓區(qū)的流動(dòng)狀態(tài)，平衡車身上下部分氣流的流動(dòng)，因此可以明顯的降低阻力系數(shù)。

4.2 翼子板裝飾標(biāo)識(shí)

為體現(xiàn)車輛特殊運(yùn)動(dòng)性身份辨別標(biāo)識(shí)，在換裝前后保險(xiǎn)杠導(dǎo)流板的基礎(chǔ)上，在車輛翼子板處加裝裝飾標(biāo)識(shí)后，組成了特裝車狀態(tài)一（圖7）。其阻力系數(shù)增加了0.2%，說(shuō)明在翼子板處由于新加裝的車標(biāo)突出車身表面，氣流在車標(biāo)附近發(fā)生擾動(dòng)。但由于車標(biāo)尺寸較小，對(duì)氣流的影響有限，所以阻力系數(shù)僅上升了0.2%。

圖7 特裝車狀態(tài)一翼子板裝飾標(biāo)識(shí)

4.3 裝飾輪眉

在特裝車狀態(tài)一的基礎(chǔ)上繼續(xù)加裝裝飾輪眉，組成特裝車狀態(tài)二（圖8），其阻力系數(shù)與原型車等同。由于裝飾輪眉相比原型車的基礎(chǔ)輪眉在擴(kuò)大車身覆蓋范圍的同時(shí)，增加了更多的凹凸感造型細(xì)節(jié)，因此也增強(qiáng)了車身側(cè)表面的流場(chǎng)擾動(dòng)和氣流分離，使該狀態(tài)的氣動(dòng)阻力增加明顯。

圖8 特裝車狀態(tài)二裝飾輪眉

4.4 封閉散熱器格柵

由于車輛冷卻系統(tǒng)散熱器及空調(diào)冷凝器的散熱需求，部分外界空氣需要通過(guò)散熱器格柵引導(dǎo)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的冷凝器、中冷器、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管、發(fā)動(dòng)機(jī)本體、ECU零部件進(jìn)行散熱。但這一部分氣流在流經(jīng)以上零部件時(shí)會(huì)產(chǎn)生能力損失，進(jìn)而增加了整車氣動(dòng)阻力。通過(guò)封閉散熱器格柵，可以研究發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)阻對(duì)阻力系數(shù)的影響。原型車狀態(tài)下單獨(dú)封閉格柵如圖9所示。

圖9 原型車狀態(tài)下單獨(dú)封閉格柵

試驗(yàn)結(jié)果顯示，封閉散熱器格柵，阻力系數(shù)降低了10.1%。因此，當(dāng)車輛處于高速工況而發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻負(fù)荷需求不大時(shí)，可以通過(guò)關(guān)閉部分進(jìn)氣格柵減少進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部氣流的方式降低阻力系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)油降耗的目標(biāo)。

4.5 封閉輪胎輪轂

通過(guò)封閉輪胎輪轂，減小氣流在輪轂處的擾流，阻力系數(shù)降低了2.2%（圖10）。未來(lái)可以考慮設(shè)計(jì)開孔面積小且表面凹凸結(jié)構(gòu)少的輪轂，通過(guò)使用金屬色及熏黑處理來(lái)達(dá)到輪轂造型的目的。這樣既保證了車輛的美觀，同時(shí)也可以降低阻力系數(shù)。

圖10 原型車狀態(tài)下單獨(dú)封閉輪轂

5 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用風(fēng)洞試驗(yàn)方法，對(duì)實(shí)車進(jìn)行風(fēng)阻測(cè)試，并通過(guò)改變車輛外部裝飾，得到了不同裝飾件對(duì)車輛風(fēng)阻系數(shù)的影響結(jié)果，同時(shí)通過(guò)封閉進(jìn)氣格柵、輪胎輪轂，發(fā)現(xiàn)未來(lái)降低風(fēng)阻系數(shù)的方向，得到了以下5個(gè)結(jié)論：

（1）風(fēng)洞試驗(yàn)精度滿足試驗(yàn)要求；

（2）特裝車保險(xiǎn)杠的改進(jìn)效果良好，具有較好的降阻效果，相對(duì)原型車風(fēng)阻系數(shù)降低了2.8%；

（3）輪眉對(duì)車輛的氣動(dòng)特性影響明顯，加裝輪眉后其風(fēng)阻系數(shù)明顯增加；

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流對(duì)車輛的氣動(dòng)特性影響較大，封閉發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)氣格柵后，其風(fēng)阻系數(shù)大幅降低;

（5）輪轂對(duì)車輛的氣動(dòng)特性影響明顯，在封閉輪轂后，其風(fēng)阻系數(shù)明顯降低。

風(fēng)洞試驗(yàn)雖然可以盡可能真實(shí)的模擬實(shí)際道路行駛的效果，但由于試驗(yàn)費(fèi)用大、周期長(zhǎng)，所以通過(guò)前期CFD仿真手段，研究降低車輛風(fēng)阻系數(shù)是空氣動(dòng)力學(xué)研究的重點(diǎn)。