某乘用車氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

李小梅，陳丹華，王田修，李書(shū)陽(yáng)，龐崇劍

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

空氣動(dòng)力學(xué)特性是汽車的重要特性之一，直接影響到汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、舒適性和安全性[1]。汽車的氣動(dòng)阻力與車速的平方成正比，氣動(dòng)阻力所消耗的功率與燃油又與車速的立方成正比。通過(guò)汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究來(lái)降低汽車氣動(dòng)阻力、提高燃油經(jīng)濟(jì)性。尤其汽車在高速行駛時(shí)，空氣動(dòng)力性能會(huì)直接影響操縱穩(wěn)定性能和安全性能，所以對(duì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究是非常必要的。本文利用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)某乘用車外流場(chǎng)進(jìn)行了空氣動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 理論基礎(chǔ)

流體流動(dòng)要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。

由三個(gè)守恒定律聯(lián)立得到N－S方程組，N－S方程組是流體流動(dòng)所需遵守的普遍規(guī)律。目前工程上應(yīng)用最廣泛的是雷諾時(shí)均N-S方程[2]：

其中i=1，2，3表示坐標(biāo)三個(gè)方向，xi是坐標(biāo)的三個(gè)分量。

在水平路面上等速行駛的汽車，驅(qū)動(dòng)力全部用來(lái)克服滾動(dòng)阻力和氣動(dòng)阻力。假設(shè)汽車前后的滾動(dòng)阻力相同，汽車的重力和氣動(dòng)升力均勻分布在四個(gè)車輪上，則汽車的最大車速可表示為[3]：

其中Vmax為最高車速，F(xiàn)max為最大驅(qū)動(dòng)力，G為車重，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，A為汽車正投影面積，CD為汽車氣動(dòng)阻力系數(shù)，CL為汽車氣動(dòng)升力系數(shù)。

可見(jiàn)在最大驅(qū)動(dòng)力時(shí)，車重及其它因素不變的情況下，最高車速取決于氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)。顯然減小氣動(dòng)阻力系數(shù)可提高最高車速[3]。

2 仿真分析與優(yōu)化

2.1 有限元模型建立

計(jì)算模型為某小型乘用車，把整車模型按1∶1的比例導(dǎo)入到前處理軟件中建立三維模型，對(duì)車身模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，整車模型基本包括所有對(duì)風(fēng)阻有影響的大部件，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

2.2 邊界條件設(shè)定

湍流模型使用K-E湍流模型，設(shè)定入口速度為35 m/s；出口壓力為0；地面為滑移壁面，速度為35 m/s；汽車表面為壁面邊界，壁面為絕熱非滑移壁面。

2.3 仿真結(jié)果及分析

觀察整車正面壓力云圖（圖2），由圖可知，車身前部的高壓區(qū)使車身前后的壓差阻力增大，嚴(yán)重影響整車阻力的降低。而前臉造型的流線型設(shè)計(jì)可以改善前部高壓區(qū)。

圖2 整車正面壓力云圖

觀察車身尾部壓力云圖（圖3），車身尾部壓力分布梯度較大，且整體壓力偏低，使整車前后壓力差增大，增大了空氣對(duì)汽車的阻力。

圖3 車身尾部壓力云圖

觀察對(duì)稱面速度流線圖（圖4），車體尾部產(chǎn)生一個(gè)很大的尾渦，且渦流向后方拉長(zhǎng)，增大了整車阻力。尾部的造型優(yōu)化設(shè)計(jì)可明顯降低整車空氣阻力。

圖4 對(duì)稱面速度流線圖

2.4 造型優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.4.1 造型優(yōu)化分析

從上述分析中可以看出車身前部及尾部造型設(shè)計(jì)對(duì)空氣阻力產(chǎn)生較大影響，故將前保側(cè)面、前檔玻璃上邊緣和擾流板做如下優(yōu)化：

（1）車身前部氣流的直接撞擊使前輪胎的正壓區(qū)較大，因此將前保側(cè)面及輪罩進(jìn)行外擴(kuò)處理，目的是保護(hù)前輪免受前方氣流的直接沖擊，從而減小前輪胎的正壓區(qū)，優(yōu)化方案如圖5。

圖5 前保優(yōu)化方案示意圖

（2）減小壓差阻力，可以通過(guò)增大前部負(fù)壓區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)。頂蓋前端有明顯的負(fù)壓區(qū)，為增大該負(fù)壓區(qū)，上抬前檔玻璃上端和頂蓋前端，上抬距離為5 mm，優(yōu)化方案如圖6。

圖6 前輪罩優(yōu)化方案示意圖

（3）為改善尾部氣流流動(dòng)，將頂蓋后半部分從前向后過(guò)渡向下壓10 mm。使車身頂部氣流和底部氣流在車尾達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，且減小尾部負(fù)壓區(qū)。優(yōu)化方案如圖7。

圖7 頂蓋優(yōu)化方案示意圖

（4）由整車速度流線圖看出，頂部氣流流經(jīng)擾流板后在尾部形成大渦流，位置靠前且離后擋風(fēng)玻璃近，增大了后檔風(fēng)玻璃的負(fù)壓區(qū)，因此將后擾流板向后延長(zhǎng)20 mm，優(yōu)化方案如圖8。

圖8 后擾流板優(yōu)化方案示意圖

2.4.2 優(yōu)化前后對(duì)比分析

根據(jù)優(yōu)化改進(jìn)方案計(jì)算得出的結(jié)果表明：四次優(yōu)化改進(jìn)均能較大降低整車氣動(dòng)阻力系數(shù)。對(duì)比分析如下：

（1）前保及前輪罩優(yōu)化前后對(duì)比結(jié)果如圖9，發(fā)現(xiàn)前保及前輪罩優(yōu)化后，前輪胎的正壓區(qū)明顯變小，對(duì)降低整車壓差阻力非常有利。

圖9 前輪罩優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

（2）頂蓋前端及前檔玻璃上緣優(yōu)化前后對(duì)比如圖10。優(yōu)化后，前端負(fù)壓區(qū)越大，車身前部后和尾部造成的壓差阻力越小，對(duì)降低整車風(fēng)阻越有利。

圖10 頂蓋前端優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

（3）頂蓋后端優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比如圖11，優(yōu)化后，尾部渦流變小且渦流形狀規(guī)則結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，尾部氣流得到很好的改善。

圖11 頂蓋后端優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

（4）后擾流板優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比如圖12，優(yōu)化后，車身尾部壓力分布較均勻，且尾部整體壓力變大，有利于整車阻力的降低。

圖12 后擾流板優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

3 試驗(yàn)與驗(yàn)證

仿真計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖13所示，仿真分析結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果基本一致，誤差不大于3%，因此本文認(rèn)為仿真分析可以滿足取代風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行氣動(dòng)阻力優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的方法，而且仿真分析比風(fēng)洞試驗(yàn)成本更低，周期更短。

圖13 仿真優(yōu)化與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)整車三維建模對(duì)某乘用車型進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值仿真分析，全面評(píng)價(jià)了本車的氣動(dòng)阻力性能，找出潛在的優(yōu)化改進(jìn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值仿真分析取代風(fēng)洞試驗(yàn)，成為乘用車型優(yōu)化氣動(dòng)阻力性能的重要方法之一。

（1）通過(guò)外擴(kuò)前保及前輪罩，使前輪胎的正壓區(qū)變小，總阻力系數(shù)降低了2.6%。

（2）通過(guò)上抬頂蓋前端及前檔玻璃上端，使該處負(fù)壓區(qū)變大，大大減小了前部后尾部造成的壓差阻力，總阻力系數(shù)降低了0.9%。

（3）通過(guò)降低頂蓋后端高度，使尾部渦流變小且渦流形狀規(guī)則結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，總阻力系數(shù)分別降低了0.9%。

（4）通過(guò)后延后擾流板，車身尾部壓力分布較均勻，總阻力系數(shù)分別降低了2.1%。優(yōu)化設(shè)計(jì)效果明顯。