摘要

本文對某三廂轎車進行空氣動力學性能開發(fā)和優(yōu)化，以期將風阻降到最小。采用了CFD數(shù)值模擬和風洞試驗驗證相結(jié)合的方法，利用STAR-CCM+軟件，從CAS階段的帶底盤和機艙的實車模型到最終的工程車模型進行多輪的CFD仿真分析優(yōu)化，最終實車通過添加前輪阻流板、封閉部分前格柵、發(fā)動機底護板優(yōu)化和發(fā)動機機艙冷卻模塊上下密封等優(yōu)化措施，并經(jīng)過風洞試驗驗證，整車風阻降低14%，實車風阻系數(shù)基本達到了先期預定的空氣動力學性能目標。

01  前言

汽車空氣動力學對于整車的經(jīng)濟性、動力性、舒適性和行駛安全的研究具有特殊重要的意義。隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，節(jié)能減排成為汽車設計的主要目的。在造型階段，氣動性能主要關注車輛的風阻。研究表明，整車風阻降低10%，綜合工況油耗就可降低約3%。隨著更加嚴苛的國家四階段油耗法規(guī)的實施，各大汽車公司更加注重車輛空氣動力學性能的開發(fā)。 本文利用計算流體力學軟件STAR-CCM+對某三廂轎車，從CAS階段的帶底盤和機艙的實車模型到最終的工程車模型進行了多輪的整車外流場的CFD仿真分析優(yōu)化，快速的得到了優(yōu)化措施，節(jié)省了開發(fā)時間和試驗費用，加快了研發(fā)進度；并結(jié)合風洞試驗驗證的方法，提高了仿真的精度，保證了結(jié)果的可靠性。最終實車經(jīng)過優(yōu)化后降阻14%，風洞測試風阻系數(shù)，基本達到了先期預定的空氣動力學性能目標。

02  整車及數(shù)值風洞CFD建模


圖1 實車詳細數(shù)模

本文整車建模分析優(yōu)化:實車整車詳細模型（包含車身外表面、發(fā)動機艙內(nèi)部、車體底部和底盤等全部細節(jié)），應用流體軟件STAR-CCM+對整車進行CFD建模，生成體單元總數(shù)約為2000 萬。為減小風洞阻塞效應對計算結(jié)果的影響，計算中保證數(shù)字風洞尺寸足夠大，如圖2所示，其中，汽車的尺寸為：長*寬*高=L*W*H


圖2 數(shù)字風洞尺寸

物理模型

(1) 采用基于流體質(zhì)點微元的拉格朗日法，并使用有限體積法離散控制方程，車體附近為非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格, 物理量位于網(wǎng)格節(jié)點上, 控制體取圍繞網(wǎng)格節(jié)點的“虛擬”體積單元。

(2) 使用三維不可壓縮雷諾平均N-S（納維-斯托克斯）控制方程：即當物體在水和空氣等流體中運動時，在物體上產(chǎn)生阻力，其大小在低速時（雷諾數(shù)Re<<1與速度的一次方成正比，即斯托克斯法則成立；高速時(雷諾數(shù)re>>1000)，與速度的二次方成正比，即納維爾阻力法則成立。

(3) 采用基于k-ω模型的SST(剪切應力輸運) 湍流模型來封閉納維-斯托克斯方程。該模型綜合了k-ω和k-ε湍流模型在邊界層內(nèi)外計算的優(yōu)點，能夠準確及時預測分離的特性。能適應壓力梯度變化的各種物理現(xiàn)象，并可應用粘性內(nèi)層,通過壁函數(shù)的應用，精確地模擬邊界層的現(xiàn)象。

(4) 實際氣體有粘性，這是汽車氣動阻力產(chǎn)生的根源。為了模擬氣體粘性對整車氣動阻力的影響，在車體近壁面添加了多層邊界層單元，用于模擬因氣體粘性產(chǎn)生的剪切應力對整車氣動阻力的影響。

(5) 轎車周圍的流體是空氣，當風速小于三分之一聲速時，也就是在風速小于408km/h時，可以認為是不可壓縮氣體[6]。本計算中，汽車速度為100km/h，遠低于聲速，故計算中假設氣體是不可壓縮的。

(6) 為捕捉到更小的渦流擾動，提高計算精度，對關鍵區(qū)域單元進行加密處理。

初始、邊界條件設定

表1 仿真計算模型初始邊界參數(shù)設定


03  試驗方法

本次試驗在上海同濟大學地面交通工具風洞中心空氣動力學/聲學風洞（AAWT）進行。試驗段長度22m，風洞噴口面積27 m2，最大風速250km/h，背景噪聲61.5dBA（160km/h）。試驗車輛正投影面積為2.357m2，對應阻塞比為8.73%。試驗車空調(diào)關閉，設定為內(nèi)循環(huán)模式，風擋雨刮器處于收起位置，車外后視鏡處于正常行駛位置。試驗車在風洞現(xiàn)場安裝后的照片見下圖3所示。


圖3 整車風洞試驗

根據(jù)汽車風洞的標準試驗工況，進行雷諾掃掠，并運行五帶系統(tǒng)。風洞運行基本狀態(tài)：中央移動帶和車輪轉(zhuǎn)動單元開啟運動狀態(tài)，水平邊界層抽吸打開，試驗段地板抽吸和轉(zhuǎn)盤地板抽吸處于關閉狀態(tài)。對試驗車進行了整車空氣動力學性能測試，得到不同車速、不同橫擺角及不同測試工況下的風阻系數(shù)。

04  CFD仿真結(jié)果分析


圖4 格柵部分封閉和前輪阻流板

 圖5 冷卻模塊密封

圖6 發(fā)動機底護板優(yōu)化

本文直接在實車整車帶完整底盤和發(fā)動機艙的詳細模型的基礎上做了多輪的CFD仿真分析優(yōu)化并做了風洞試驗驗證，得到了4個具體的在設計上可行并被設計部門采納應用的優(yōu)化方案：

①上下進氣格柵部分封閉；

②在前輪翼子板下方增加阻流板；

③冷卻模塊上下密封；

④發(fā)動機底護板優(yōu)化；優(yōu)化方案的幾何結(jié)構(gòu)如上圖4-6所示，優(yōu)化方案的CFD仿真結(jié)果如下表2所示。

表2 實車仿真優(yōu)化結(jié)果表






圖15 三廂車各部位風阻系數(shù)base和優(yōu)化對比圖

從表2的結(jié)果可以看出，優(yōu)化方案①：格柵部分封閉，整車風阻能降低18count，根本原因在保證冷卻系統(tǒng)的用風量的基礎上，盡可能的減少通過格柵進入機艙的風量，流速也會相應的降低，氣體對機艙里的部件和前機艙底部凸起部件的沖擊減弱，從而使得機艙阻力和底部阻力明顯降低，這從上圖11和圖12的車底部仿真結(jié)果壓力系數(shù)云圖比對可以看出，紅色代表正壓大，越紅的區(qū)域阻力越大，可以看出優(yōu)化后，車底發(fā)動機下方紅色區(qū)域減少了，藍色區(qū)域大了；這也從圖15三廂車各部位風阻系數(shù)對比圖最頂端第一項就是機艙和底盤的風阻系數(shù)值，能從數(shù)值上得到精確印證。

優(yōu)化方案②：加裝前輪阻流板，整車風阻能降低24count，根本原因是減少了通過前輪的風量，這樣流速也降低了，氣體對前輪的沖擊減弱，從而使得前輪阻力和前輪翼子板區(qū)域阻力明顯降低，這從上圖11和圖12的車底部仿真結(jié)果壓力系數(shù)云圖比對可以看出，前輪藍色區(qū)域大大增加；這也從圖15三廂車各部位風阻系數(shù)對比圖前輪這一項的風阻系數(shù)數(shù)值上得到精確印證。

從上圖7-圖10可以看出，最終優(yōu)化方案的車身尾部表面藍色區(qū)域較小，藍色代表負壓區(qū)，負壓明顯減小，這樣空氣阻力會降低；車身機艙蓋、霧燈處和前輪正迎風面處的正壓區(qū)也有所減小，這樣也會導致空氣阻力減小。從圖尾渦速度云圖13和圖14比對分析，baseLINE尾部形成了一個較長、強度較大的尾渦，渦團中心離車尾部距離遠，形成負壓區(qū)區(qū)域較大，增加了尾部阻力；而最終優(yōu)化方案尾部則形成的尾渦較前者小而且渦團中心離車尾部距離近，形成負壓區(qū)區(qū)域較小，這樣尾部阻力相對減小。

最終優(yōu)化后的整車詳細模型風阻系數(shù)CFD仿真計算結(jié)果，比較baseLINE仿真結(jié)果降低14%。

05  風洞試驗結(jié)果分析

實車（優(yōu)化后）經(jīng)過同濟大學風洞試驗測試，整車風阻系數(shù)測試值，比CFD仿真結(jié)果略大，比較仿真值誤差在1.5%，仿真計算精度比較高。本次風洞試驗不僅做了整車風阻測試，還做了車身一些關鍵部件和優(yōu)化方案的貢獻度分析試驗，結(jié)果如表3所示，從表中可以發(fā)現(xiàn)各優(yōu)化方案和關鍵部件的減阻仿真和試驗結(jié)果的比較來看，相對值的數(shù)值和趨勢都吻合的很好，這也驗證了CFD仿真的計算精度可靠；表3中后視鏡和進氣格柵貢獻度較大，在后續(xù)的減阻優(yōu)化中，可以繼續(xù)關注優(yōu)化后視鏡和采用主動進氣格柵來降阻。

表3 實車不同方案風阻貢獻度風洞試驗結(jié)果和CFD仿真結(jié)果比對


06  結(jié)論

1、本文通過CFD仿真和風洞試驗相結(jié)合方法對某三廂轎車進行空氣動力學性能開發(fā)，提高了仿真的精度，保證了研發(fā)結(jié)果的可靠性，而且相比以前的風洞試驗法，節(jié)省了風洞試驗費用，減少了開發(fā)時間，加快了開發(fā)進度。

2、得到了整車風阻最小的優(yōu)化方案：添加前輪阻流板、封閉部分前格柵等措施，減阻14%，最終整車風阻系數(shù)試驗驗證結(jié)果，基本達到外氣動性能目標。