摘要

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

01  前言

汽車空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)于整車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)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(shè)計(jì)的主要目的。在造型階段，氣動(dòng)性能主要關(guān)注車輛的風(fēng)阻。研究表明，整車風(fēng)阻降低10%，綜合工況油耗就可降低約3%。隨著更加嚴(yán)苛的國(guó)家四階段油耗法規(guī)的實(shí)施，各大汽車公司更加注重車輛空氣動(dòng)力學(xué)性能的開發(fā)。 本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+對(duì)某三廂轎車，從CAS階段的帶底盤和機(jī)艙的實(shí)車模型到最終的工程車模型進(jìn)行了多輪的整車外流場(chǎng)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(shí)間和試驗(yàn)費(fèi)用，加快了研發(fā)進(jìn)度；并結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)車經(jīng)過優(yōu)化后降阻14%，風(fēng)洞測(cè)試風(fēng)阻系數(shù)，基本達(dá)到了先期預(yù)定的空氣動(dòng)力學(xué)性能目標(biāo)。

02  整車及數(shù)值風(fēng)洞CFD建模


圖1 實(shí)車詳細(xì)數(shù)模

本文整車建模分析優(yōu)化:實(shí)車整車詳細(xì)模型（包含車身外表面、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部、車體底部和底盤等全部細(xì)節(jié)），應(yīng)用流體軟件STAR-CCM+對(duì)整車進(jìn)行CFD建模，生成體單元總數(shù)約為2000 萬。為減小風(fēng)洞阻塞效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算中保證數(shù)字風(fēng)洞尺寸足夠大，如圖2所示，其中，汽車的尺寸為：長(zhǎng)*寬*高=L*W*H


圖2 數(shù)字風(fēng)洞尺寸

物理模型

(1) 采用基于流體質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)上, 控制體取圍繞網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)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(dāng)物體在水和空氣等流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在物體上產(chǎn)生阻力，其大小在低速時(shí)（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(shí)(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(yīng)力輸運(yùn)) 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(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確及時(shí)預(yù)測(cè)分離的特性。能適應(yīng)壓力梯度變化的各種物理現(xiàn)象，并可應(yīng)用粘性內(nèi)層,通過壁函數(shù)的應(yīng)用，精確地模擬邊界層的現(xiàn)象。

(4) 實(shí)際氣體有粘性，這是汽車氣動(dòng)阻力產(chǎn)生的根源。為了模擬氣體粘性對(duì)整車氣動(dòng)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(yīng)力對(duì)整車氣動(dòng)阻力的影響。

(5) 轎車周圍的流體是空氣，當(dāng)風(fēng)速小于三分之一聲速時(shí)，也就是在風(fēng)速小于408km/h時(shí)，可以認(rèn)為是不可壓縮氣體[6]。本計(jì)算中，汽車速度為100km/h，遠(yuǎn)低于聲速，故計(jì)算中假設(shè)氣體是不可壓縮的。

(6) 為捕捉到更小的渦流擾動(dòng)，提高計(jì)算精度，對(duì)關(guān)鍵區(qū)域單元進(jìn)行加密處理。

初始、邊界條件設(shè)定

表1 仿真計(jì)算模型初始邊界參數(shù)設(shè)定


03  試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)在上海同濟(jì)大學(xué)地面交通工具風(fēng)洞中心空氣動(dòng)力學(xué)/聲學(xué)風(fēng)洞（AAWT）進(jìn)行。試驗(yàn)段長(zhǎng)度22m，風(fēng)洞噴口面積27 m2，最大風(fēng)速250km/h，背景噪聲61.5dBA（160km/h）。試驗(yàn)車輛正投影面積為2.357m2，對(duì)應(yīng)阻塞比為8.73%。試驗(yàn)車空調(diào)關(guān)閉，設(shè)定為內(nèi)循環(huán)模式，風(fēng)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(yàn)車在風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)安裝后的照片見下圖3所示。


圖3 整車風(fēng)洞試驗(yàn)

根據(jù)汽車風(fēng)洞的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)工況，進(jìn)行雷諾掃掠，并運(yùn)行五帶系統(tǒng)。風(fēng)洞運(yùn)行基本狀態(tài)：中央移動(dòng)帶和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)單元開啟運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，水平邊界層抽吸打開，試驗(yàn)段地板抽吸和轉(zhuǎn)盤地板抽吸處于關(guān)閉狀態(tài)。對(duì)試驗(yàn)車進(jìn)行了整車空氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試，得到不同車速、不同橫擺角及不同測(cè)試工況下的風(fēng)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(dòng)機(jī)底護(hù)板優(yōu)化

本文直接在實(shí)車整車帶完整底盤和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的詳細(xì)模型的基礎(chǔ)上做了多輪的CFD仿真分析優(yōu)化并做了風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了4個(gè)具體的在設(shè)計(jì)上可行并被設(shè)計(jì)部門采納應(yīng)用的優(yōu)化方案：

①上下進(jìn)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(dòng)機(jī)底護(hù)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(shí)車仿真優(yōu)化結(jié)果表






圖15 三廂車各部位風(fēng)阻系數(shù)base和優(yōu)化對(duì)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(fēng)阻能降低18count，根本原因在保證冷卻系統(tǒng)的用風(fēng)量的基礎(chǔ)上，盡可能的減少通過格柵進(jìn)入機(jī)艙的風(fēng)量，流速也會(huì)相應(yīng)的降低，氣體對(duì)機(jī)艙里的部件和前機(jī)艙底部凸起部件的沖擊減弱，從而使得機(jī)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(duì)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(dòng)機(jī)下方紅色區(qū)域減少了，藍(lán)色區(qū)域大了；這也從圖15三廂車各部位風(fēng)阻系數(shù)對(duì)比圖最頂端第一項(xiàng)就是機(jī)艙和底盤的風(fēng)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(fēng)阻能降低24count，根本原因是減少了通過前輪的風(fēng)量，這樣流速也降低了，氣體對(duì)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(duì)可以看出，前輪藍(lán)色區(qū)域大大增加；這也從圖15三廂車各部位風(fēng)阻系數(shù)對(duì)比圖前輪這一項(xiàng)的風(fēng)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(lán)色區(qū)域較小，藍(lán)色代表負(fù)壓區(qū)，負(fù)壓明顯減小，這樣空氣阻力會(huì)降低；車身機(jī)艙蓋、霧燈處和前輪正迎風(fēng)面處的正壓區(qū)也有所減小，這樣也會(huì)導(dǎo)致空氣阻力減小。從圖尾渦速度云圖13和圖14比對(duì)分析，baseLINE尾部形成了一個(gè)較長(zhǎng)、強(qiáng)度較大的尾渦，渦團(tuán)中心離車尾部距離遠(yuǎn)，形成負(fù)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(tuán)中心離車尾部距離近，形成負(fù)壓區(qū)區(qū)域較小，這樣尾部阻力相對(duì)減小。

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

05  風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)車（優(yōu)化后）經(jīng)過同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試，整車風(fēng)阻系數(shù)測(cè)試值，比CFD仿真結(jié)果略大，比較仿真值誤差在1.5%，仿真計(jì)算精度比較高。本次風(fēng)洞試驗(yàn)不僅做了整車風(fēng)阻測(cè)試，還做了車身一些關(guān)鍵部件和優(yōu)化方案的貢獻(xiàn)度分析試驗(yàn)，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(guān)鍵部件的減阻仿真和試驗(yàn)結(jié)果的比較來看，相對(duì)值的數(shù)值和趨勢(shì)都吻合的很好，這也驗(yàn)證了CFD仿真的計(jì)算精度可靠；表3中后視鏡和進(jìn)氣格柵貢獻(xiàn)度較大，在后續(xù)的減阻優(yōu)化中，可以繼續(xù)關(guān)注優(yōu)化后視鏡和采用主動(dòng)進(jìn)氣格柵來降阻。

表3 實(shí)車不同方案風(fēng)阻貢獻(xiàn)度風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果和CFD仿真結(jié)果比對(duì)


06  結(jié)論

1、本文通過CFD仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合方法對(duì)某三廂轎車進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)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(fēng)洞試驗(yàn)法，節(jié)省了風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用，減少了開發(fā)時(shí)間，加快了開發(fā)進(jìn)度。

2、得到了整車風(fēng)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(fēng)阻系數(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，基本達(dá)到外氣動(dòng)性能目標(biāo)。