汽车外流场研究

梁立友

阿尔特汽车技术股份有限公司, 北京 100000

1 概述

世界能源的危机，石油价格上涨，使得人们对汽车的燃料经济性要求不断提高。同时人们对汽车的升力导致的操纵稳定性、侧风稳定性和气动噪音、车尾扬尘等问题越来越关注，这些特性与汽车空气动力学息息相关。汽车空气动力学的研究方法主要有三种，道路试验法和风洞试验法和计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）法。风洞实测方法造价高、耗资大，而且试验周期长；道路试验又受自然条件、交通状况限制较多，也不容易得到准确结果。CFD法近年来成了研究汽车流场主流工具。可以在新车设计初期造型阶段进行空气动力性能预测，为造型及工程人员优化产品设计提供重要依据，能够随时修改部件模型，而试验却要受到很多限制，明显节约物力、财力、缩短开发周期。

本文应用国际主流厂研究经验，采用STAR-CD软件，以SUV车型为例，通过对车身、局部要素进行详细的CFD仿真分析，提出优化方案。

2 模型建立

2.1 基础模型

造型初期阶段，数字模型表面第一版生成，便立即开展CFD分析，对此时模型考虑了如下简化：车身模型为半车身模型，忽略雨刮器；汽车前部上下格栅做封闭处理；对车身底部做了简化，没有考虑小尺度的凸凹不平，只取了大尺度的高低凸凹。车身表面细节包括：门把手、后视镜、天线、车轮、行李架、扰流板等信息。对车体各部件进行编号，以便调试局部流场过程中进行对比，如图1所示。

在STAR-CD软件中对已建立的风洞求解模型进行网格划分，生成体网格模型，如图2所示。

图1 表面静压（pa）分布

图2 风洞求解模型

风洞求解模型分为大域、中间域、小域三个，域参数及网格尺寸见表1。

表1

整车模型网格利用人为干预按照敏感度设定不同网格尺寸，见表2。

表2

2.2 边界设置

按风洞试验情况设置边界条件，特别是车底移动带位置及尺寸。计算中不考虑温度的影响，边界条件见表3。

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3 结果分析

经过分析，图3所示为压力分布图，通过观察可以发现：车头前部表面高压区分布范围比较合理，高压区域恰好覆盖机舱进风格栅和空气室上饰板，有利于机舱进风和室内通风，但车身前部棱角鲜明处的剪切力较大，例如发动机罩前沿和两侧、前大灯两侧、车身前端、保险杠下沿及两侧、轮胎处、雾灯两侧、外后视镜、A柱、前风挡上端与顶盖结合处，D柱、后尾灯等处，其他部位气流流动较为顺畅。

从计算结果图4初版表面模型的速度矢量场中看出气流在车身尾部产生较多的涡流，且后方涡流范围较大，加大了气动阻力。车身后部尾灯处的棱线比较分明，此处产生压力系数为负值，同时剪切力也较高。经过行李架的气流在尾部没有汇合入尾流中，不利于减小风阻。

表4中涂阴影部位是与造型师一起协商挑选出在保持造型的整体格局下可以优化的较敏感的部位。

4 改进方案分析

4.1 优化方向依据

据前人研究发现A柱前表面平滑的宽度设定在30mm以上，风挡两侧的饰条断差设定在10mm以下减小空气阻力比较有利，如图5所示；外后视镜壳体转角处R角控制在20mm以上，壳体内侧角度设计在4以上会对气流及雨水走向有利，如图6所示；后扰流板向下倾斜20、两侧边缘向车体中间收15 对Cd贡献最大，如图7、图8所示。

图3 表面静压（pa）分布

图4 速度截面图

图5 A柱含饰条断差及形状影响

图6 外后视镜推荐参数

图7 扰流板倾斜θr的影响

图8 扰流板倾斜θr的影响

4.2 改进方案及结果

结合上述研究成果，对应部位适当优化，优化后的结果Cd值约降低0.02，如表4所示。

扰流板优化前为6°，优化后向为10°，车身尾部的涡数减少，且尾部涡流范围明显缩小。从扰流板处分离的气流下压趋势也有所改善。

前风挡玻璃优化后贡献较大，说明原方案A柱附近造型风阻较大。

5 结束语

（1）通过对扰流板、后视镜、前风挡玻璃、A柱等局部流场开展分析，可以在保持造型格局前提下，找到降低风阻的方案。

（2）本文通过优化结构，风阻系数减少了0.02。

（3）应用CFD技术在汽车造型初始阶段，即可开始对造型进行指导，在造型定型过程中伴随服务，效率高、成本低。

（4）前人研究方向与计算结果趋势一致，可以作为设计指导参考。

表4

[1]许志宝. 汽车外流场CFD模拟. 合肥工业大学学报第30卷增刊,2007年12月

[2]刘芳，朱贞英，詹佳，门永新，赵福全. CDAJ-China. 中国用户论文集,2011