新能源汽車的車身氣動性模擬分析與優(yōu)化

關(guān)鍵詞：新能源汽車；氣動性能優(yōu)化；計算流體動力學（CFD）

0 前言

隨著全球?qū)沙掷m(xù)交通方式的需求不斷增長，新能源汽車作為一種重要的解決方案，對其進行技術(shù)優(yōu)化已成為研究的重點。其中，車身氣動性能的優(yōu)化不僅關(guān)系到能效提升，還直接影響車輛的環(huán)境適應性和行駛穩(wěn)定性。本文通過數(shù)值模擬技術(shù)對新能源汽車的氣動性能進行分析和優(yōu)化，并提出優(yōu)化策略，旨在減少氣動阻力，提高整車性能，以達到更佳的環(huán)保效果和經(jīng)濟效益。

1 模擬方法

1. 1 數(shù)值模擬軟件選擇

在新能源汽車的車身氣動性模擬分析中，選擇合適的數(shù)值模擬工具和軟件是至關(guān)重要的。由于在處理復雜邊界條件和流體動力問題方面的高效性和準確性，本文采用Ansys Fluent 計算流體動力學（CFD）軟件進行數(shù)值模擬。Ansys Fluent 軟件提供了多種求解器選項，包括壓力-速度耦合算法和多種湍流模型，因此可以準確模擬涉及湍流、壓力變化和復雜幾何形狀的氣動流場［1］。此外，該軟件支持用戶自定義函數(shù)（UDF），允許研究者根據(jù)具體的研究需求調(diào)整模擬參數(shù)，以獲得更符合實際的模擬結(jié)果。

1. 2 模型建立與網(wǎng)格劃分

建立準確的車身模型是進行氣動性能分析的基礎(chǔ)。首先，根據(jù)新能源汽車的實際車身尺寸和形狀，使用三維CAD 軟件建立車輛幾何模型。隨后，將模型導入到Ansys Fluent 軟件中進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，因其在車輛周圍形成了更加緊密的網(wǎng)格布局，能夠捕捉到車身表面的細微氣動效應。為確保計算的精確性，特別是在車身前緣和尾部，實施局部網(wǎng)格加密，總共添加了約50 000 個網(wǎng)格單元，使這些關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格密度較周圍區(qū)域高出約30%。整個車輛模型共使用了約500 000 個網(wǎng)格單元。

1. 3 邊界條件與模擬參數(shù)設置

數(shù)值模擬時，正確設置邊界條件和模擬參數(shù)是確保結(jié)果準確性的關(guān)鍵［2］。本文研究的邊界條件主要包括入口速度、壓力出口，以及車身表面的無滑移條件。模擬采用環(huán)境空氣速度作為入口邊界條件，速度設置為典型高速行駛的60 km/h，模擬真實駕駛環(huán)境。出口邊界設置為壓力出口，以確保流體自由流出模擬域。車身表面采用無滑移條件，以模擬空氣與車身表面的黏附效應。

對于模擬參數(shù)，選用RANS 方程結(jié)合k-ε 湍流模型，該模型適用于高雷諾數(shù)下的湍流預測，能有效捕捉車輛周圍復雜的流體動力行為。時間步長設置為0.001 s，以捕獲流場中的瞬態(tài)變化，確保數(shù)值計算的穩(wěn)定性和收斂性。

2 基線模型的氣動性能分析

2. 1 流場結(jié)構(gòu)分析

在進行新能源汽車車身的氣動性能評估時，流場結(jié)構(gòu)分析是重要的步驟。采用Ansys Fluent 軟件對基線車輛模型周圍的流場進行詳細模擬。通過模擬，能夠觀察到空氣流過車輛表面時形成的流線、渦流和尾流區(qū)域。特別是在車輛前端和后端，流場的結(jié)構(gòu)顯示出復雜的分離和再附著現(xiàn)象，這些現(xiàn)象對氣動阻力有顯著影響。分析發(fā)現(xiàn)，車輛的后視鏡和車身棱角是渦流生成的主要區(qū)域，這些渦流在車輛尾部形成較大的尾流區(qū)，導致壓力下降，從而增加了整體阻力。此外，車底流場的分析揭示了地面效應對氣動性能的影響，較低的地面間隙可導致地面效應增強，對車輛穩(wěn)定性有積極影響，但也可能增加氣動阻力。

2. 2 氣動阻力與升力分析

對新能源汽車基線模型的氣動阻力與升力進行分析，是研究其氣動性能的核心。本文通過數(shù)值模擬計算了車輛在不同速度下的氣動阻力和升力系數(shù)。氣動阻力系數(shù)Cd 和升力系數(shù)CL 是衡量車輛氣動性能的關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)直接影響車輛的燃油效率和行駛穩(wěn)定性。從模擬結(jié)果來看，基線車型在標準測試速度下的Cd 約為0.32，而CL 接近于0，表明車型的氣動設計已部分優(yōu)化從而降低了升力。進一步分析車體前后部、底部以及輪廓形狀對氣動阻力的影響，發(fā)現(xiàn)車輛前端是氣動阻力產(chǎn)生的主要區(qū)域［3］。此外，通過調(diào)整車輛的尾部設計，例如引入尾翼或改變尾部斜率，可以有效降低升力，從而提高車輛的高速行駛穩(wěn)定性。

2. 3 敏感性分析與關(guān)鍵參數(shù)識別

敏感性分析是理解設計參數(shù)對汽車氣動性能影響程度的重要工具。研究通過一系列參數(shù)變化來評估其對氣動阻力和升力的影響。通過系統(tǒng)地改變車身形狀的關(guān)鍵參數(shù)，如前臉傾角、尾部設計以及車底清潔度，能夠識別出影響氣動阻力和升力最敏感的因素。

通過調(diào)整不同的設計參數(shù)，分析Cd 和CL 的變化規(guī)律，以確定哪些設計變量對車輛氣動性能影響最大。結(jié)果表明，車輛前臉設計和尾部傾斜角度是影響Cd和CL的關(guān)鍵因素。

3 車身氣動性能優(yōu)化設計

3. 1 優(yōu)化設計的方法與策略

為了提高新能源汽車的氣動性能，本文采用了一系列系統(tǒng)的方法和策略對車身進行優(yōu)化設計。首先，基于前期的氣動性能分析，確定了影響氣動阻力和升力的關(guān)鍵因素。優(yōu)化過程采用迭代方法，通過逐步調(diào)整關(guān)鍵區(qū)域的設計參數(shù)，觀察氣動阻力和升力的變化，最終達到滿意的氣動性能目標。

在優(yōu)化策略中，采用了CFD 軟件進行多次仿真，對每種設計變更進行評估［4］，系統(tǒng)地評估各種配置下的氣動效果。此外，結(jié)合優(yōu)化算法，如遺傳算法，找出最佳的設計組合，這種方法可以在廣泛的設計空間內(nèi)搜索最優(yōu)解，從而有效減少試錯成本和時間。

為了確保優(yōu)化設計的實際應用性和優(yōu)化效果，綜合考慮了車輛的整體性能，如穩(wěn)定性、制造成本和視覺美觀性。這種優(yōu)化不僅局限于提高氣動效率，還要確保車輛在實際行駛中的整體性能和乘客的舒適度［5］。通過這些綜合考慮的方法和策略，旨在開發(fā)出既高效又具有市場競爭力的新能源汽車。

3. 2 不同優(yōu)化設計方案的性能比較

在優(yōu)化新能源汽車車身氣動性能的過程中，對幾種關(guān)鍵設計方案進行了詳細的性能比較。通過CFD 模擬，評估不同車身形狀、前臉設計和尾部改動對氣動阻力系數(shù)和升力系數(shù)的影響。3 種主要優(yōu)化設計方案的模擬結(jié)果見表1。

從表1 可以看出，與基線模型相比，所有優(yōu)化方案均有效降低了汽車的氣動阻力系數(shù)和升力系數(shù)。特別是在方案3 中，氣動阻力系數(shù)和升力系數(shù)均得到了顯著改進，其通過同時調(diào)整前臉和尾部設計，實現(xiàn)了最佳的氣動效果，氣動阻力系數(shù)降低了12.5%，升力系數(shù)也轉(zhuǎn)為負值，這意味著該設計優(yōu)化后的汽車在高速行駛時能提供更好的穩(wěn)定性。由此可見，通過精確的氣動設計調(diào)整，能夠顯著提高新能源汽車的氣動性能，降低能耗并增強行駛穩(wěn)定性，也給未來的車身設計提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

3. 3 選定最優(yōu)方案并進行詳細分析

經(jīng)過對上述設計方案的綜合評估，方案3 被選為最優(yōu)方案。該方案綜合考慮了前臉和尾部的調(diào)整，旨在最大限度減少氣動阻力的同時增加穩(wěn)定性。

優(yōu)化設計的評價指標公式如下：

式中：C_總效為總氣動效率。這個公式通過組合氣動阻力和升力的影響，提供了一個量化新能源汽車整體氣動性能的方法。

使用上述公式計算每種方案的總氣動效率，結(jié)果見表2，從而更全面地評估汽車的氣動性能。

由表2 可知，方案3 得出了最低的氣動阻力系數(shù)和負升力系數(shù)，其總氣動效率也是最優(yōu)的。這表明綜合優(yōu)化方案在提升行駛穩(wěn)定性的同時，有效減少了能源消耗，這對新能源汽車的綜合性能提升至關(guān)重要。

4結(jié)語

本研究通過CFD 方法系統(tǒng)分析新能源汽車的車身氣動性能。結(jié)果顯示，通過模擬分析，獲得了車身設計中影響氣動阻力和升力的關(guān)鍵因素。在多個設計方案中，考慮了前臉和尾部調(diào)整的綜合優(yōu)化方案（方案3）表現(xiàn)出最佳的氣動性能，實現(xiàn)了氣動阻力系數(shù)的顯著降低和升力系數(shù)的改善。此外，敏感性分析揭示了車身形狀、前臉和尾部設計的微調(diào)對整車氣動效率的顯著影響。同時，通過對比不同設計方案，本研究不僅優(yōu)化了車輛的氣動特性，還提升了其能源效率和行駛穩(wěn)定性。

通過精確的氣動模擬和優(yōu)化，可降低車輛的能耗，從而提升整體能效，這對于符合環(huán)保要求和提高市場競爭力至關(guān)重要。經(jīng)過本研究優(yōu)化后的車輛設計能夠提供更低的氣動阻力和更好的高速穩(wěn)定性，進而增強了用戶的駕駛體驗。此外，所提出的優(yōu)化方法和策略可以廣泛應用于新能源汽車行業(yè)中，為未來車型的氣動設計提供科學依據(jù)和參考。