汽車低速行駛時，只考慮汽車所受地面阻力就足夠了，汽車所受的氣動力常?？梢院雎?；當(dāng)車速在 100 km/h 時，發(fā)動機(jī) 80% 的動力用來克服氣動阻力，整車空氣動力學(xué)性能提高 10%，油耗就會降低 4% ～ 5%；當(dāng)汽車高速會車或有側(cè)向風(fēng)影響時，由于高速氣流的側(cè)向氣動力作用，汽車將會出現(xiàn)操縱穩(wěn)定性問題，甚至有可能出現(xiàn)嚴(yán)重的交通事故，所以研究車輛的氣動性能對提高車輛的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及操控性具有重要意義 [1-2]。

1 空氣動力學(xué)試驗(yàn)研究

世界汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家(如美國、日本、德國等)都十分重視汽車空氣動力學(xué)理論和試驗(yàn)的研究。風(fēng)洞試驗(yàn)歷來是進(jìn)行汽車空氣動力學(xué)研究最傳統(tǒng)、最有效的方法。據(jù)統(tǒng)計(jì)，為獲得良好的氣動外形，國外每款大批生產(chǎn)的轎車都需經(jīng)過 1 000 h 以上的風(fēng)洞試驗(yàn) [3]。

根據(jù) SAE J1594 標(biāo)準(zhǔn)的定義，汽車風(fēng)洞氣動天平的測力中心在汽車模型 4 輪著地點(diǎn)組成的矩形中心，6 個力 ( 矩 ) 分量的正方向如圖 1 所示，氣動力系數(shù)的定義見表 1。

其中 D 為阻力、S 為側(cè)向力、L 為升力、PM為俯仰力矩、YM 為偏航力矩、RM 為滾轉(zhuǎn)力矩、WB 為軸距。

為驗(yàn)證和優(yōu)化某轎車的空氣動力學(xué)性能，在同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心的氣動 - 聲學(xué)整車風(fēng)洞進(jìn)行了空氣動力學(xué)試驗(yàn)，如圖 2 所示。該風(fēng)洞主要技術(shù)參數(shù)：噴口尺寸 / 面積為 27 m2（寬 6.5 m，高 4.25 m)；最大風(fēng)速為 250 km/h；62 通道壓力掃描閥。

在選定的汽車表面布置的測壓點(diǎn)（62 個）可以測量相應(yīng)位置的表面靜壓力 Ps，無量綱化的壓力系數(shù)定義

不同風(fēng)速下的風(fēng)阻系數(shù)見表 2，風(fēng)阻系數(shù)從80 km/h 到 160 km/h 減小約 0.005，說明雷諾數(shù)效應(yīng)比較小。

2 機(jī)艙進(jìn)風(fēng)阻力及地面效應(yīng)對車輛風(fēng)阻系  數(shù)的影響

由于前保險杠進(jìn)風(fēng)口的開口大小和格柵角度，散熱器、冷凝器及機(jī)艙部件對氣流的阻力，輪轂的形狀及輪胎的花紋，地面效應(yīng)，氣壩的安裝高度和形狀，尾翼的形狀和角度等對車輛的氣動性能均有不同程度的影響 [1,6]，所以本次試驗(yàn)按照表３進(jìn)行組合試驗(yàn)，以研究路面效應(yīng)、機(jī)艙進(jìn)風(fēng)阻力對車輛風(fēng)阻系數(shù)的影響程度。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，路面效應(yīng)對車輛的風(fēng)阻系數(shù)有 0.006 ～ 0.01 的影響，機(jī)艙的進(jìn)風(fēng)阻力對風(fēng)阻系數(shù)有比較大的影響，在 0.04 左右。

3 側(cè)向風(fēng)對車輛風(fēng)阻系數(shù)及升力系數(shù)的影響

由于汽車車身上部和下部氣流流速不同，使車身上部和下部形成壓力差，從而產(chǎn)生升力和縱傾力矩，氣動升力對汽車高速行駛穩(wěn)定性的影響很重要，即使在無風(fēng)時，當(dāng)轎車車速達(dá)到160 km/h，氣動升力也可以輕易地達(dá)到車重的20% ～ 25%。當(dāng)有橫向風(fēng)時 ( 通常狀況下是有橫向風(fēng)的 )，由于陣風(fēng)的作用，氣動升力的影響會更大，這樣就會使汽車產(chǎn)生危險和轉(zhuǎn)向問題 [3-4]。車輛在 -10°～ 25°偏角下的風(fēng)阻系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)及升力系數(shù)見表 4。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，隨著側(cè)偏角的增大風(fēng)阻系數(shù)在增大，偏角超過 10°以后對側(cè)向力和升力系數(shù)有較大的影響，在設(shè)計(jì)前期需要考慮其對操縱性的影響。

4 車身表面壓力系數(shù)分布

車身表面的壓力系數(shù)分布可以反映車身氣動性能設(shè)計(jì)是否合理。圖 3 為車身表面各壓力測點(diǎn)的布置，保險杠 1 ～ 4 點(diǎn)處為較高正壓分布，利于機(jī)艙冷卻進(jìn)氣，機(jī)艙蓋 5 ～ 10 點(diǎn)為負(fù)壓，前風(fēng)擋玻璃 11 ～ 15 點(diǎn)為正壓，頂棚至后風(fēng)擋玻璃及車身側(cè)圍大部分為負(fù)壓，而后保險杠左右側(cè)面 44點(diǎn)處出現(xiàn)了較高的正壓，提升了車輛的氣動性能，機(jī)艙內(nèi)的 55 ～ 62 點(diǎn)在中網(wǎng)封閉前后表現(xiàn)出正負(fù)不同的壓力，在后續(xù)的 CFD 分析中可以作為考慮機(jī)艙通風(fēng)時的對標(biāo)參考數(shù)據(jù)。具體壓力系數(shù)如圖 4所示。

5 空氣動力學(xué)試驗(yàn)與仿真的相關(guān)性研究

汽車空氣動力學(xué)研究主要有兩種方法，一種是進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，另一種就是利用 CFD 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果一般可靠性比較高，但由于它有許多局限性，如成本高、周期長等缺點(diǎn)，阻礙了它在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

與風(fēng)洞試驗(yàn)相反，CFD 軟件幾乎克服了它的所有局限性。目前，CFD 軟件可以分析從層流到湍流、定常到非定常、不可壓到可壓、無粘性到有粘性的幾乎所有的流動現(xiàn)象。先進(jìn)的 CFD 分析技術(shù)使新車型的空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)更加方便靈活，開發(fā)周期也得以縮短 [7-9]。

CFD 軟件最主要的問題在于精度不如風(fēng)洞試驗(yàn)，但目前許多大型商業(yè)通用軟件已經(jīng)很好地解決了這一難題，而某些專用的 CFD 軟件在解決某些汽車流場計(jì)算時可以達(dá)到更高的精度。

基于國內(nèi)在車輛空氣動力學(xué)方面的研究現(xiàn)狀，現(xiàn)階段開展該方面的試驗(yàn)與仿真相關(guān)性研究是非常必要的。

選定流體計(jì)算域車前 2 倍車長，車后 4 倍車長，寬度共 6 倍車寬，高度為 5 倍車高（圖 5）；同時分 6 種方案（表 5）對車身及機(jī)艙進(jìn)行有針對性的流體網(wǎng)格細(xì)化，邊界層設(shè) 3 層，總厚度為 4.6 mm（圖6），以研究模型細(xì)節(jié)對風(fēng)阻系數(shù)和車身壓力系數(shù)的影響。設(shè)定進(jìn)口風(fēng)速為 120 km/h，模型中模擬路面效應(yīng)及輪胎的轉(zhuǎn)動，選用 k-ε 湍流模型。

整車湍流能分布如圖 7 所示，除車輪、后視鏡部位以外，車身其它部位不存在湍流分離再附著現(xiàn)象，車身外形設(shè)計(jì)合理。

提取上述 6 種仿真分析的結(jié)果，其中仿真與試驗(yàn)的風(fēng)阻系數(shù)對比見表 6。各仿真分析的風(fēng)阻系數(shù)比試驗(yàn)測試偏大，誤差均在 5% 以內(nèi)，且誤差隨網(wǎng)格數(shù)量的增加而減小。其中各測點(diǎn)的壓力系數(shù)對比如圖 8 所示，主要誤差在前風(fēng)擋玻璃雨刮器、后風(fēng)擋玻璃下沿處，產(chǎn)生誤差的主要原因是該處渦流劇烈，仿真模型的網(wǎng)格密度不足及選取的湍流模型的局限，無法捕捉真實(shí)的流動情況。其它部位的壓力系數(shù)誤差均在 5% 以內(nèi)。

6 結(jié)論

對某轎車的空氣動力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，同時進(jìn)行了部分試驗(yàn)與仿真的相關(guān)性分析，結(jié)論如下：

（1）試驗(yàn)表明該款車型的風(fēng)阻系數(shù)為 0.30，在同級別的車型中優(yōu)勢明顯，通過優(yōu)化前保險杠、底盤導(dǎo)流板、增加氣壩等可以進(jìn)一步降低該車的風(fēng)阻系數(shù)。

（２）機(jī)艙內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)阻對車輛的風(fēng)阻系數(shù)有較大影響，在設(shè)計(jì)中需要對發(fā)動機(jī)冷卻進(jìn)行合理匹配，以合理控制進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)的冷卻空氣流量，達(dá)到降低整車風(fēng)阻的目的。

（3）空氣動力學(xué)仿真模型的網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算精度有重要影響，建模時需要對前保險杠、雨刮器、A 柱、后視鏡、尾部等進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以充分捕捉流動細(xì)節(jié)；同時機(jī)艙內(nèi)散熱器、冷凝器的風(fēng)阻系數(shù)需要試驗(yàn)的精確測量，也是影響仿真精度的重要因素。

（4）整體來說試驗(yàn)與仿真的相關(guān)性較好，但局部細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步研究。

（5）車輛的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性是衡量車輛高速狀態(tài)下的重要性能指標(biāo)，對升力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)的測試和計(jì)算需要進(jìn)一步研究。