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汽車A柱形態(tài)對(duì)整車氣動(dòng)性能影響

2019-07-24 23:26:24·  來(lái)源：AutoAero  
　
車輛 A 柱的形態(tài)直接影響氣流在前部的分離，對(duì)整車風(fēng)阻系數(shù)影響非常明顯，目前針對(duì)汽車 A 柱區(qū)域的研究主要分析 A 柱區(qū)域的氣動(dòng)噪聲性能及優(yōu)化，并未對(duì)風(fēng)阻性能
車輛 A 柱的形態(tài)直接影響氣流在前部的分離，對(duì)整車風(fēng)阻系數(shù)影響非常明顯，目前針對(duì)汽車 A 柱區(qū)域的研究主要 分析 A 柱區(qū)域的氣動(dòng)噪聲性能及優(yōu)化，并未對(duì)風(fēng)阻性能進(jìn)行分析 A 柱型面的變化除影響氣動(dòng)噪聲外，對(duì)于風(fēng)阻同樣具有一定影響，因此，本文基于某純電車型的氣動(dòng)性能開發(fā)過程，通過 CFD 虛擬計(jì)算，結(jié)合車輛空氣動(dòng)力學(xué)原理，分析 A 柱形狀變化對(duì)整車氣動(dòng)性能的影響，確定 A 柱優(yōu)化趨勢(shì)。

01

數(shù)值模擬

本文選取某純電車型作為研究對(duì)象，通過對(duì) A柱型面參數(shù)的調(diào)整，分析 A 柱型面參數(shù)的改變對(duì)于整車風(fēng)阻系數(shù)的影響。

對(duì)幾何模型進(jìn)行幾何修復(fù)，在保證整車外造型與 CAD 數(shù)模一致的前提下，對(duì)整車外造型進(jìn)行局部簡(jiǎn)化，生成面網(wǎng)格。同時(shí)將車輪封閉，封閉進(jìn)氣格柵，對(duì)底盤進(jìn)行封閉處理，計(jì)算模型不包括底盤零件以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零件。

計(jì)算所采用的計(jì)算域?yàn)椋很嚽坝?jì)算區(qū)域長(zhǎng)度為 3 倍車長(zhǎng)(L)，車后計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)度為 6 倍車長(zhǎng)。計(jì)算區(qū)域高度為 6 倍車高(H)，寬度為 8 倍車寬(W)，如圖1.1所示。

圖1.1 計(jì)算域示意圖

為減少整體網(wǎng)格數(shù)量以及所需計(jì)算資源，對(duì)整車周圍進(jìn)行三層網(wǎng)格加密，生成體網(wǎng)格，如圖1.2所示。

圖1.2  整車加密區(qū)示意圖

計(jì)算域入口使用恒定速度入口，選取計(jì)算車速為 38.89 m/s，對(duì)應(yīng) 140 km/h 車速。計(jì)算域出口采用壓力出口，并且壓力恒定為 P = 0，地面設(shè)置為按照風(fēng)速移動(dòng)。

根據(jù)計(jì)算可以獲得整車氣動(dòng)阻力系數(shù) Cd，CdⅹA，升力系數(shù) Cl以及橫擺力矩系數(shù) CYM等。本文僅關(guān)注整車氣動(dòng)阻力系數(shù) Cd。

02

A柱型面對(duì)于整車風(fēng)阻的影響

本文對(duì)于A柱型面的研究主要包括以下3個(gè)方面：

（1） A 柱內(nèi)側(cè)面偏移量△l，如圖 2.1(a)所示，其中黑色邊界為基礎(chǔ)模型截面，紅色虛線為調(diào)整后示意截面圖；

（2） A 柱迎風(fēng)面與前擋玻璃面高度差 h，如圖2.1(b)所示，其中黑色邊界為基礎(chǔ)模型截面，紅色虛線為調(diào)整后示意截面圖；

（3） A 柱內(nèi)側(cè)面與前擋玻璃交線偏移量 w，設(shè)向整車坐標(biāo)系 Y=0 處偏移量為正，反向則為負(fù)，如圖 2.1(b)所示，其中黑色邊界為基礎(chǔ)模型截面，紅色虛線為調(diào)整后示意截面圖。

圖2.1 A柱型面參數(shù)截面示意圖

2.1 A 柱內(nèi)側(cè)面偏移量對(duì)于整車風(fēng)阻的影響

為研究 A 柱內(nèi)側(cè)面偏移量△l 的變化對(duì)于整車風(fēng)阻的影響，僅對(duì)△l 值進(jìn)行調(diào)整，不改變其他參數(shù)值。分別選取△l = 7 mm、14 mm、20 mm 進(jìn)行CFD 仿真分析，計(jì)算結(jié)果流線圖如圖 2.1.1 所示，其中圖 2.1.1(a)為基礎(chǔ)模型計(jì)算結(jié)果，圖 2.1.1(b)、(c)、(d)分別為△l = 7 mm、14 mm、20 mm 時(shí) A 柱區(qū)域流線圖。

圖2.1.1  不同 △l 條件下A柱區(qū)域流線圖

根據(jù) A 柱區(qū)域流線的變化可以看出，隨著△l的不斷增大，該區(qū)域的氣流附著情況具有明顯改善。此外，根據(jù) CFD 計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)△l=7mm、14mm、20mm 時(shí)，整車風(fēng)阻系數(shù)變化量△Cd=-0.011、-0.009、-0.010。由圖 2.1.2 所示，對(duì)于本車型而言，當(dāng) A 柱內(nèi)側(cè)面偏移量△l 增大時(shí)，整車風(fēng)阻系數(shù)隨之降低。并且當(dāng)△l ＞ 7mm 時(shí)△l 的改變對(duì)于整車風(fēng)阻系數(shù)的影響較小，△Cd隨之變化幅度較小；當(dāng) A 柱內(nèi)側(cè)面偏移量△l ＜ 7mm 時(shí)整車風(fēng)阻系數(shù)隨著△l 的增大而減小，并且風(fēng)阻系數(shù)減小幅度較大。

圖2.1.2 整車風(fēng)阻系數(shù)隨 △l  變化曲線

2.2 A 柱迎風(fēng)面與前擋玻璃面高度差對(duì)于整車風(fēng)阻的影響

為研究A柱迎風(fēng)面與前擋玻璃面高度差h的變化對(duì)于整車風(fēng)阻的影響，僅對(duì) h 值進(jìn)行調(diào)整，不改變其他參數(shù)值。由于基礎(chǔ)模型高度差 h 為 10mm，因此僅選取高度變化量△h=-5 mm、-10 mm 的模型進(jìn)行 CFD 仿真分析。計(jì)算結(jié)果流線圖如圖 2.2.1所示，其中圖 2.2.1(a)為基礎(chǔ)模型計(jì)算結(jié)果，圖2.2.1(b)、(c)則分別為△h=-5 mm、-10 mm 條件下A 柱區(qū)域流線圖。


圖2.2.1 不同 △h 條件下A柱區(qū)域流線圖

由圖 2.2.1 所示，減小 A 柱迎風(fēng)面與前擋玻璃面高度差可以有效改善 A 柱區(qū)域氣流分離，降低整車風(fēng)阻系數(shù)。當(dāng)△h=-5 mm、-10 mm 時(shí)，整車風(fēng)阻系數(shù)改變量為△Cd= -0.006、-0.009，如圖 2.2.2所示，本車型通過降低 A 柱迎風(fēng)面與前擋玻璃面高度差可有效降低風(fēng)阻系數(shù)，且當(dāng)△h＜ 5mm 時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)的變化隨△h 的變化而產(chǎn)生的變化較大，當(dāng)△h≥ 5mm 時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)隨△h 的增大而降低的趨勢(shì)則較緩。

圖2.2.2  整車風(fēng)阻系數(shù)隨 △h 變化曲線

2.3  A 柱內(nèi)側(cè)面與前擋玻璃交線偏移量對(duì)于整車風(fēng)阻的影響

與 2.1、2.2 相同，在保證其他參數(shù)不變的前提下，僅對(duì) A 柱內(nèi)側(cè)面與前擋玻璃交線偏移量 w 進(jìn)行調(diào)整，設(shè)向整車坐標(biāo)系 Y=0 處偏移量為正，反向則為負(fù)。選取△w=+12 mm、+8 mm、-5 mm、-10mm、-15 mm 的模型進(jìn)行 CFD 仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果流線圖如圖 2.3.1 所示，其中圖 2.3.1(a)為基礎(chǔ)模型計(jì)算結(jié)果，圖 2.3.1(b)、(c)、(d)、(e)、(f)則分別為△w = +12 mm、+8 mm、-5 mm、-10 mm、-15 mm條件下 A 柱區(qū)域流線圖。

圖2.3.1  不同 △w 條件下A柱區(qū)域流線圖

與基礎(chǔ)模型對(duì)比可知，A 柱內(nèi)側(cè)面與前擋玻璃交線偏移量的改變會(huì)加劇 A 柱區(qū)域氣流的分離情況，且 越大分離效果越顯著。此外，根據(jù) CFD計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)△w=+12 mm、+8 mm、-5 mm、-10 mm、-15 mm 的情況下，整車風(fēng)阻系數(shù)的改變量為△Cd=+0.001、+0.001、+0.004、+0.004、+0.006，如圖 2.3.2 所示。由此可見，對(duì)于本車型來(lái)說△w的變化不利于整車的氣動(dòng)阻力特性，并且△w＜0時(shí) Cd值隨△w 變化趨勢(shì)較大。當(dāng)△w＞0 時(shí)整車Cd值的變化量為+0.001，不隨△w 的增大而改變。

圖2.3.2  整車風(fēng)阻系數(shù)隨 △w變化曲線

03

結(jié)論

本文基于某車型利用 CFD 仿真計(jì)算對(duì)影響 A型面的 3 個(gè)參數(shù)(A 柱內(nèi)側(cè)面偏移量△l、A 柱迎風(fēng)面與前擋玻璃面高度差 h、A 柱內(nèi)側(cè)面與前擋玻璃交線偏移量 w)進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：

1、增大 A 柱內(nèi)側(cè)面偏移量△l 有利于 A 柱區(qū)域氣流附著，并有效降低整車風(fēng)阻系數(shù)。當(dāng)△l＞7mm 時(shí)△Cd隨之變化幅度較??；當(dāng)△l ＜ 7mm 時(shí)整車風(fēng)阻系數(shù)隨著之有較大幅度的降低。

2、減小 A 柱迎風(fēng)面與前擋玻璃面高度差可以有效改善 A 柱區(qū)域氣流分離，降低整車風(fēng)阻系數(shù)。當(dāng)△h＜5mm 時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)的變化隨△h 的變化而產(chǎn)生的變化較大，當(dāng)△h≥5mm 時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)隨△h 的增大而降低的趨勢(shì)則較緩。

3、A 柱內(nèi)側(cè)面與前擋玻璃交線偏移量的改變會(huì)加劇 A 柱區(qū)域氣流的分離情況，且 越大分離效果越顯著，不利于整車風(fēng)阻系數(shù)的優(yōu)化。

文章選自：

李賽. 汽車A柱形態(tài)對(duì)整車氣動(dòng)性能影響[A]. 中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì).2018中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì):中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司汽車風(fēng)洞中心(籌),2018:5.

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