摘    要   

MSIL（馬魯?shù)兮從居《扔邢薰荆┦怯《阮I(lǐng)先的汽車制造商，有各種suv（運動型多用途車）車型。傳統(tǒng)上，suv會被認為具有大膽的道路存在，這種大膽的設(shè)計往往會惡化空氣動力學阻力性能。多年來，這一部分市場的需求顯著增長，而CAFE（企業(yè)平均燃油經(jīng)濟性）標準變得更加嚴格。為了滿足這一不斷增長的市場需求，MSIL計劃推出兩款新SUV:(1) 新型BREZZA——與上一款車型（BREZZA-2016）相比，它的設(shè)計更大膽，目標空氣動力學性能相似；(2)FRONX——一款新的跨界SUV，目標空氣動力學性能在MSIL的這一類別中是同類最佳的。本文采用計算流體力學（CFD）和全尺寸風洞試驗（WTT）對這兩款suv的氣動發(fā)展過程進行了說明。在初始階段，新BREZZA（2022）的大膽設(shè)計惡化了車輛的空氣動力學阻力。造型外表面的修改和增加新的航空部件促進了空氣動力學阻力性能的恢復。前后保險杠角，車頂尾擾流板輪廓，后四分之一玻璃邊緣，擋泥板里的狹縫和后保險杠上的氣壩有助于氣流附著。在FRONX中，造型設(shè)計語言是通過考慮空氣動力學性能要求而創(chuàng)建的。由引擎蓋擋風玻璃過渡、車頂襯里、優(yōu)化后后門擾流板、側(cè)車身輪廓等組成的空氣動力學輪廓，以及車身下蓋、條板和中央氣壩等車身下航空部件，使FRONX的空氣動力學效率比基礎(chǔ)車型BREZZA-2016提高了11%。為了實現(xiàn)這一氣動阻力值的改善，在保持SUV造型形象的同時，在外形和增加氣動部件方面采取了技術(shù)對策。本文闡述了這些變化是如何在氣動發(fā)展過程中實現(xiàn)的，以及相應的氣流現(xiàn)象。

01  前    言 

MSIL是日本汽車制造商SMC（鈴木汽車公司）的印度子公司。該公司成立于1981年2月。馬魯?shù)兮從镜氖姑允牵骸俺蔀橛《绕嚬I(yè)的領(lǐng)導者，為客戶創(chuàng)造快樂，為股東創(chuàng)造財富；這是印度的驕傲?！蹦壳?，該公司在印度乘用車市場占有領(lǐng)先的市場份額。

它在哈里亞納邦的古魯格拉姆、馬尼薩爾和古吉拉特邦的漢薩爾布爾設(shè)有制造工廠。憑借強大的產(chǎn)品組合，MSIL于2016年2月首次在緊湊型SUV領(lǐng)域推出BREZZA（見圖1）。該概念車由2012年展出的XA Alpha概念車預覽，并于2016年2月在印度第13屆汽車博覽會上首次亮相。生產(chǎn)模式是建立在全球市場Vitara的平臺。它的設(shè)計語言是緊湊型SUV，目標受眾是年輕人。這款產(chǎn)品大獲成功，銷量超過50萬部。它幫助公司獲得了各種獎項，如ICOTY年度最佳汽車獎，進一步提升了品牌形象。從那時起，印度市場對緊湊型SUV的需求急劇增加?？蛻粢环矫嫦Ｍ鸖UV的造型大膽，在道路上有更高的離地間隙和發(fā)動機功率，另一方面也希望行駛里程好。

然而，激進的造型設(shè)計對氣動阻力產(chǎn)生了不利影響，從而影響了車輛的燃油經(jīng)濟性。更有挑戰(zhàn)的是，CAFE-1標準（2017年起在印度適用）要求所有汽車制造商制定嚴格的里程目標，包括發(fā)動機性能、輪胎阻力和空氣動力學在內(nèi)的所有相關(guān)因素都必須提高到最佳效率。由于市場對帶有新技術(shù)和新功能的更大膽設(shè)計的強烈需求以及讓客戶滿意，新一代的BREZZA被要求保持其前身的美學完整性。用更好的產(chǎn)品取代成功的產(chǎn)品始終是一個挑戰(zhàn)，在這種情況下，需要在SUV的核心設(shè)計語言和空氣動力學改進之間取得平衡，以確保未來的競爭力。新型BREZZA（見圖1）計劃有一個更激進的造型形象，而不惡化阻力性能。與此同時，居住在城市的年輕一代客戶群體希望城市SUV具有成本效益、視覺吸引力和燃油效率。因此，一款新的緊湊型SUV - FRONX -計劃為這一日益增長的客戶群。該項目在MSIL啟動，旨在提供各種功能與性能，安全和信息娛樂以及漸進的設(shè)計語言。行駛里程是最重要的性能參數(shù)之一，在設(shè)計設(shè)想中有一個空氣動力學的輪廓。此外，該模型的開發(fā)具有很高的氣動阻力目標：FRONX的設(shè)計（圖1）的目標是在MSIL的同類產(chǎn)品中獲得最佳的氣動阻力性能。

本文旨在強調(diào)新型BREZZA和 FRONX的空氣動力學發(fā)展，補充造型設(shè)計語言，符合鈴木2050年的環(huán)境愿景-更小，更少，更輕，更短，更整潔?？紤]到客戶的喜好，優(yōu)化了外觀設(shè)計，并在模型中實施了航空部件改進。本文將著重強調(diào)以下兩點：1.與上一代BREZZA -2016相比，新型BREZZA侵略性造型的氣動阻力下降（見圖2中1-A）和氣動阻力性能恢復（見圖2中1-B）。2. FRONX概念車的全新設(shè)計和布局源自上一代SUV BREZZA-2016的設(shè)計（見圖2中的2- a）， FRONX概念車的氣動阻力改進源自其概念造型，以實現(xiàn)高水平目標（見圖2中的2- b）。

  圖1    New BREZZA & FRONX 

    圖2    氣動阻力與年銷售

02  氣動開發(fā)方法論

       模型開發(fā)是通過不同的階段進行的。在MSIL中，在市場研究和項目啟動之后，模型開發(fā)生命周期通常從最初的草圖開始，其中給出了預期的設(shè)計語言的形狀和形式。多個草圖發(fā)布用于管理和工程反饋。根據(jù)選定的草圖，虛擬表面數(shù)據(jù)為工程團隊提供反饋。根據(jù)性能目標，提供各種反饋以優(yōu)化樣式數(shù)據(jù)，保持設(shè)計語言的完整性。此循環(huán)重復多次，直到鎖定設(shè)計并釋放CAD數(shù)據(jù)用于虛擬仿真（CAE分析），碰撞，強度，NVH和CFD。根據(jù)分析反饋，進一步微調(diào)數(shù)據(jù)并發(fā)布構(gòu)建原型的圖紙。這些原型經(jīng)過測試，最后，設(shè)計周期以SOP（開始生產(chǎn)）結(jié)束。在整個開發(fā)生命周期中，各種客戶需求、性能目標和法規(guī)需求都被合并到模型中。原理圖如圖3所示。與模型開發(fā)生命周期一致，模型的氣動開發(fā)貫穿整個周期（見圖4）。氣動評估反饋在草圖選擇中起著關(guān)鍵作用。設(shè)計團隊在此階段準備全尺寸粘土模型，并將掃描的表面數(shù)據(jù)提供給工程團隊進行評估，以滿足目標性能參數(shù)。建立全尺寸虛擬模型，用于CFD氣動仿真。在進行多次數(shù)值模擬和粘土模型測試后，對所選草圖數(shù)據(jù)進行微調(diào)。大約60%的空氣動力學發(fā)展反饋在這一階段被納入。然后，將最終的CAD數(shù)據(jù)用于建立三維虛擬模型，并在CFD中進行仿真，同時在風洞中對粘土和原型模型進行測試。大約90%的空氣動力學開發(fā)工作在這一階段完成。評估結(jié)果提供給認證團隊，以執(zhí)行滑行活動。最后，對量產(chǎn)原型車進行測試以確認，并給出SOP。

圖3    MSIL下的模型開發(fā)生命周期圖

圖4    MSIL的空氣動力發(fā)展

計算流體動力學

        CFD是氣動分析的重要工具，因為它允許工程師進行多次迭代以優(yōu)化設(shè)計，而無需實際開發(fā)原型進行測試。這減少了整個模型開發(fā)項目的成本和時間。用Star CCM+軟件進行了三維、不可壓縮、分離、非定常、湍流流動分析。湍流現(xiàn)象用兩層全Y+處理的SST k-omega分離渦進行了模擬。動量輸運方程中的對流項采用二階迎風微分格式。輪胎/車輪被建模為靜止的，與車輛開發(fā)過程中使用的風洞設(shè)施一致。熱交換器芯采用多孔介質(zhì)和導出系數(shù)進行建模。為了求解流體區(qū)域內(nèi)的熱交換器域，在各個表面之間建立了界面。進口側(cè)采用等速進口（100kmph）邊界條件，出口側(cè)采用壓力出口邊界條件。地面建模為滑動地面和無滑動地面的混合地面。將對稱條件應用于隧道壁面。使用微調(diào)器選項生成體積網(wǎng)格，根據(jù)配置的不同，總數(shù)約為8000萬-1億個單元。分析運行的時間為2秒，時間步長為 5x10-4秒，內(nèi)部迭代為5次，報告的Cd值取最近1.4 s的平均值，計算域保持不變。結(jié)構(gòu)域的寬度為20 W，高度為10 H，長度為20 L。其中W、H、L分別表示基礎(chǔ)車的寬度、高度和長度，單位為米（見圖5）。

圖5    計算域表示

風洞試驗

       風洞測試是在日本濱松鈴木汽車公司的全尺寸汽車風洞中進行的（見圖6），用于粘土模型和原型模型。隧道尺寸長17.5 m，寬13.6 m，高10.3 m，為半開式射流式隧道，寬5.5 m，高3.1 m，噴口為六角形。該裝置用于驗證通過CFD模擬得到的結(jié)果。最后，對生產(chǎn)原型車進行了測試，以確認各自車型的氣動阻力目標的實現(xiàn)。測試結(jié)果也與認證團隊共享，以執(zhí)行排放，性能評估和測試車輛決策的各種監(jiān)管活動。

圖6    日本濱松風洞內(nèi)的車輛原型測試

03  新型BREZZA的概念設(shè)計 

完整的模型變化為BREZZA-16，被設(shè)計為有一個大膽的道路存在。因此，車輛的形象被概念化為直立的引擎蓋輪廓，突出的車輪弧，更寬的側(cè)面，凸起的車頂軌道和更寬的皮帶線。此外，還實施了四分之一玻璃的封裝等各種變化，以提高Brezza-16的感知質(zhì)量。其他設(shè)計形象要求的變化，如更厚的輪拱包層、明顯的側(cè)門包層、粗短的尾燈、新的合金車輪設(shè)計等，都超出了本文的范圍，也加劇了氣動阻力性能的惡化。這些改進共同惡化了氣動阻力性能。

       以下總結(jié)了主要的改性措施及其效果：1. 新型BREZZA車采用了直立的引擎蓋外形，使其具有侵略性的姿態(tài)，鼻尖更平坦、更高，導致鼻尖呈口袋狀（見圖7中的a）。這減少了前筋膜（引擎蓋-擋風玻璃過渡）上的氣流附著，形成了局部渦流，并在引擎蓋區(qū)域產(chǎn)生了高壓（見圖10中的a→a’）。這種現(xiàn)象會造成車輛阻力的增加。2. 更寬的帶肩擋泥板（見圖8中的A）和突出的輪拱（見圖8中的B）增加了車輛兩側(cè)氣流的阻力，在車輛尾部形成了更大的低壓（尾跡）區(qū)域（見圖10中的B→B’）。這將車輛從后方拉出，并導致車輛阻力的增加。3. 基于新型BREZZA車，為了大膽地在道路上呈現(xiàn)，設(shè)計了一個更寬的腰線圖像（見圖9中的A）。這不僅為空氣流動創(chuàng)造了更大的阻力，還導致早期氣流分離——再次形成更大的尾流區(qū)并且進一步增加了來自后部的低推壓力(見圖10中的C→C’)。

圖7    BREZZA-2016與新型BREZZA概念前面板對比

圖8    BREZZA-2016與新型BREZZA概念前面板  

圖9    BREZZA-2016與新型BREZZA概念d柱區(qū)域

圖10    BREZZA-2016與新型BREZZA的流量分析

  04  新型 BREZZA的空氣動力學發(fā)展

       為了達到空氣動力學阻力目標，并恢復由于新BREZZA與上一代車型在概念上的差異而導致的阻力性能下降，與造型團隊一起研究了外觀設(shè)計的修改，目的是保持預期的形象完整。此外，由于對車輛底部和輪井區(qū)域的氣流進行了細致的研究，因此引入了許多非常規(guī)的對策，這些區(qū)域在氣動開發(fā)中通常被忽視。主要亮點如下：1. BREZZA最初的概念設(shè)計有一個突出的引擎蓋尖端（見圖11中的a）。這導致了在引擎蓋-格柵區(qū)域的錯位&導致氣流分離。作為一種對策，格柵被旋轉(zhuǎn)以與深度減少的局部流動對齊，從而產(chǎn)生更多的附加流動。2. 四分之一玻璃的封裝雖然提高了感知質(zhì)量（見圖12中的A），但由于概念設(shè)計中由于珠狀結(jié)構(gòu)引入了水位差（見圖12中的B），導致后車身的流動早期脫離。優(yōu)化了液位差的形狀，以改善空氣流動。d柱的末端也被帶入內(nèi)部，以延緩流動分離（見圖12中的C）。3. 后門擾流板在車頂端被擴展的概念。然而，由于工程限制，在最終產(chǎn)品中不得不減少大的懸垂（參見圖13中的A）。為了在不影響該區(qū)域設(shè)計語言的前提下改善流場，沒有改變整個屋頂襯板和屋頂峰點，并對屋頂末端進行了修改，使其能夠保持整體布局。為了獲得更好的流場，中截面的頂板端傾角保持不變，而頂板端點稍微向下傾斜（見圖13中的B）。4. 發(fā)動機艙內(nèi)引擎蓋下的空氣壓力會導致車輛氣動阻力的惡化。因此，釋放空氣壓力可以改善阻力性能。新型BREZZA設(shè)計有很高的輪艙體積，以承載肌肉的姿態(tài)。一般來說，高輪艙容積導致到較大的負壓區(qū)，這會增加空氣阻力。為了利用這一設(shè)計特點，在護舷襯里上做了狹縫，以釋放機艙內(nèi)過高的空氣壓力（見圖14中的A）。這有助于使引擎蓋下和輪艙壓力正?；?，從而減少空氣動力阻力。5. 在新型BREZZA車中引入了一個后空氣壩。這降低了從消聲器表面到后保險杠覆層表面的車底流動速度，并改善了后低壓區(qū)，減少了對車輛的向后牽引力（見圖15中的A→A’）。

 圖11    概念與新型BREZZA罩區(qū)域 

        圖12    概念與新BREZZA四分之一玻璃區(qū)域

圖13    概念與新型BREZZA屋頂末端區(qū)域 

  圖14    新型BREZZA的擋泥板縫隙

圖15    New BREZZA的后氣壩

總體而言，新型BREZZA的概念旨在具有大膽和肌肉的設(shè)計特征。為了實現(xiàn)這一目的，對前身BREZZA2016的設(shè)計語言進行了修改。然而，這些變化也影響了氣動阻力性能。特點在前筋膜像-直立罩與寬肩擋泥板增加空氣動力學阻力3%。后車身的特點，如-更寬的腰線圖像與四分之一的玻璃封裝增加了空氣動力學阻力的另一個3%。其他參數(shù)，如新的合金車輪設(shè)計與明顯的側(cè)車身包層也貢獻了1%的空氣動力阻力增加。由于目標是具有與其前身相似的性能，因此必須在對設(shè)計語言的損害最小的情況下采取對策。前筋膜-引擎蓋格柵對準，后筋膜-后門擾流板優(yōu)化和其他微調(diào)數(shù)據(jù)完成。擋泥板內(nèi)襯狹縫和后氣壩的實施也證明了在不影響車輛造型的情況下減少空氣動力學阻力。由于對抗措施的實施，阻力凈降低了7%，并且可以實現(xiàn)上一代BREZZA-2016的性能。摘要的詳細示意圖如圖16所示。CdA變化的幅度顯示為基于風洞和CFD迭代估算的單個變化效應的百分比，并具有適當?shù)臄?shù)據(jù)映射。

圖16    新型BREZZA氣動發(fā)展總結(jié)

   05  FRONX的概念設(shè)計   

    為了保持對各種性能參數(shù)的關(guān)注，F(xiàn)RONX的概念設(shè)計為緊湊型SUV風格。因此，車輛的形象被概念化為一個向下的引擎蓋輪廓，鼻尖高度較低。擋風玻璃過渡和a柱曲率要做得盡可能光滑。這個概念有一個漸進的車頂內(nèi)襯與曲率，以支持空氣動力學的設(shè)計。后保險杠角落的特點是為了加強空氣流動和減少由于壓力差而產(chǎn)生的尾跡區(qū)域。各種布局變化，如車輛高度，離地間隙和輪胎尺寸，有助于實現(xiàn)減少正面面積，有助于減少空氣動力阻力。這些改進共同提高了氣動阻力性能?？偨Y(jié)了主要修改及其效果：1. 前筋膜具有較低的機頭高度和理想的引擎蓋-擋風玻璃過渡（見圖17中的a）。這在前筋膜上創(chuàng)造了更好的氣流附著，其特點是減少了引擎蓋尖端的低壓區(qū)（圖18中的a→a’），a柱區(qū)域（圖18中的C→C’）和減少了擋風玻璃區(qū)域的高壓區(qū)（圖18中的B→B’）。2. 將氣動阻力目標保持在透視范圍內(nèi)，漸進式車頂襯里設(shè)計與降低車輛高度的總體布局提供了理想的輪廓（見圖19中的a）。此外，為了增強氣流分離，概念設(shè)計中還提供了后保險杠邊角造型（見圖19中的B）。這減少了車頂末端（圖20中的A→A ‘）和后保險杠角（圖20中的B→B ’）的低壓區(qū)，從而減少了尾流區(qū)域（見圖20中的C→C '）。3. 為了進一步強化緊湊型SUV的概念，F(xiàn)RONX的概念車由于采用了更小尺寸的輪胎，離地間隙減少了4%，輪胎寬度減少了5%。因此，整個車底也具有更均勻的壓力分布（圖21中a→a’）。這些變化加上車輛前部面積減少了10%，已經(jīng)使FRONX的概念比Brezza-2016具有更好的空氣動力學阻力性能。然而，該性能與MSIL管理層設(shè)定的高遠的目標仍然相去甚遠。

 圖17    BREZZA-2016與FRONX概念前面板圖 

圖18    BREZZA-2016與FRONX概念前筋膜后處理

圖19    BREZZA-2016與FRONX概念后面板

圖20    BREZZA-2016與FRONX概念后筋膜后處理

圖21    BREZZA-2016和FRONX概念之間的底盤差異

 06  FRONX的空氣動力學發(fā)展 

為了達到氣動阻力目標，我們與造型和工程團隊一起研究了外部設(shè)計的修改，目的是保持核心設(shè)計形象的完整。此外，還研究了以航空部件的形式采取多種對策來改善車底氣動阻力。主要亮點如下：1.前筋膜：對引擎蓋傾斜度進行了多次迭代，并優(yōu)化了最佳性能（見圖22）。改進了機頭區(qū)域的口袋設(shè)計，以提供平滑的氣流過渡（見圖23中的a→a’）。DRL（日間行車燈）的尖角被重新調(diào)整，以匹配該區(qū)域的氣流特征（見圖23中的B→B’）。優(yōu)化研究采用CFD模擬進行，最終CdA值采用風洞試驗值進行歸一化。2. 后筋膜：RCL邊緣突出外面，給邊緣造型。這個邊緣的角度被優(yōu)化了（參見圖24）。通過在RCL（后組合燈）和后保險杠拐角處提供一個尖角，整體后筋膜壓力分布得到改善（見圖25中的a→a ‘和B→B ’）。這些有助于改善氣動阻力，優(yōu)化過程與發(fā)動機罩傾斜度優(yōu)化過程基本一致。3. 車底：在FRONX中，為了獲得最佳的性能，對前輪胎橫條的尺寸進行了修改，并引入了作為航空部件的中央氣壩。這有助于分別減少前輪胎（見圖26中的A→A’）和后懸掛部件（見圖26中的B→B’）上的氣壓。這兩項措施都有助于進一步改善氣動阻力性能。

總體而言，F(xiàn)RONX的概念旨在為SUV提供緊湊型外觀版本，并在行駛里程和安全性方面提高性能。為了達到這個目的，設(shè)計語言本身被引入保持空氣動力學阻力性能的焦點。設(shè)計語言采用了向下的姿態(tài)，平滑的引擎蓋-擋風玻璃過渡。隨著一個漸進的車頂內(nèi)襯，各種造型功能，如RCL邊緣和后保險杠角邊緣的概念提供。除此之外，較低的離地間隙和較小的輪胎尺寸減少了概念車的前部面積。這些因素將車輛的空氣動力學性能提高了5%。

       然而，這些變化不足以滿足管理層設(shè)定的嚴格目標。嚴格的迭代是通過與核心造型和工程團隊的密切互動來執(zhí)行的，共同的目標是通過SOP達到目標。微調(diào)前筋膜的數(shù)據(jù)，如減少口袋，平滑的DRL角和前保險杠下區(qū)域，進一步提高2%的阻力，而不影響造型形象。后筋膜也優(yōu)化了RCL 與后保險杠角邊緣角度。這使阻力性能又提高了1%。在該模型中對航空零部件進行了廣泛的研究、優(yōu)化和實現(xiàn)。這額外增加了2%的空氣阻力。其他微調(diào)數(shù)據(jù)隨著新的合金車輪設(shè)計給1%的改善阻力性能。所有這些因素加在一起，使FRONX在空氣動力學阻力方面有了令人難以置信的11%的提高，使其成為MSIL中同類最佳的空氣動力學緊湊型SUV。摘要的詳細示意圖如圖27所示。CdA變化的幅度顯示為基于風洞和CFD迭代估算的單個變化效應的百分比，并具有適當?shù)臄?shù)據(jù)映射。

圖22    前發(fā)動機罩傾斜度優(yōu)化

   圖23    FRONX概念與最終前筋膜后處理

圖24    FRONX - RCL傾角優(yōu)化

 圖25    FRONX概念與最終后筋膜后處理

圖26    FRONX概念車底與最終設(shè)計

 07  結(jié)果和討論  

       最后，本文的工作表明，模型的氣動發(fā)展需要數(shù)值模擬和物理試驗的結(jié)合。兩者的結(jié)合提供了一個強大的工具集，可以識別和實現(xiàn)模型中的改進對策。

   本期編輯|王俊鍇    

                審      核|何藤升、王藝霖    

 Dey, S., Bajpai, D., Kumar, C., and Regin, F., “The Aerodynamic Development of the New BREZZA and FRONX,” SAE Technical 

Paper 2024-01-2535, 2024, doi:10.4271/2024-01-2535.