前扰流板对机舱进气量和车辆气动阻力的影响研究

肖 能，王小碧，王伟民，史建鹏

(东风汽车公司技术中心，武汉 430058)

前言

整车气动阻力直接影响燃油经济性能，随着汽车工业的发展，现代汽车内部结构的布局越来越紧凑，从而对发动机舱的散热性能提出了更高要求，而冷却系统进气量与机舱散热性能直接相关[1]。

作用在汽车上总的气动阻力主要由3部分组成：车身外流场阻力、机舱内流场阻力和车底部阻力[2]。后两者比较容易被忽视，故应予特别关注。目前，很多乘用车在设计中都在前保险杠下方安装前扰流板，以提高整车气动性能。车底前扰流板会对车身上下气流分离产生较大影响，进而影响整车气动性能。由于车底部件众多，结构复杂，同时受地面效应和车轮转动的影响，导致车底流速过高且异常复杂。前扰流板可使车底前部大部分零部件避免高速气流的冲击，通过降低车底阻力，从而降低整车的气动阻力。另一方面，扰流板本身对气流也会产生阻力，因此必须对扰流板进行优化以确定其最佳方案[3]。

本文中首先采用Star-CCM+软件对某自主品牌乘用车基础模型进行气动性能仿真，并将仿真结果与实车风洞试验结果进行对比分析，然后在该模型的基础上，在前保险杠下方添加前扰流板，研究其对整车风阻系数及机舱冷却进风量的影响。通过对比前扰流板在不同高度时的仿真结果，分析其对气动阻力系数及冷却系统进气量的影响规律和原因，从而确定前扰流板的最优高度。

1 计算模型与边界条件

1.1 几何模型与网格划分

整车气动性能分析的模型包括车身外表、发动机舱内钣金件、进气格栅、冷却模块、发动机、蓄电池，进排气系统和底盘系统等影响前舱空气流动的主要部件，在Star-CCM+中进行包面处理，并建立数值风洞，同时兼顾计算精度和计算机硬件资源，调整网格疏密度，在机舱内部重要的位置进行网格细化，最终生成机舱内部网格模型，如图1所示。

1.2 边界条件

本次计算输入参数和风洞试验相同，数值风洞入口风速为120km/h，出口设定为压力出口；冷凝器和散热器采用多孔介质模型来模拟，其惯性阻力系数和黏性阻力系数通过试验数据拟合而得。

2 风洞试验方案

实车风洞试验委托同济大学上海地面交通工具风洞中心(SAWTC)进行，利用气动-声学整车风洞(AAWT)对实车空气动力学进行性能测试，测量了不同车速、不同横摆角和不同气动优化方案下的风阻系数大小。为了确定数值仿真模型的计算精度，选用实车基础模型的风洞试验结果与CFD仿真结果进行对比。本文所研究的前扰流板位于车底前保险杠下方，其高度和位置须进行多种方案对比来确定，若全部采用风洞试验来完成会产生高昂的试验费用，因此在确认仿真模型计算精度的前提下，采用CFD软件，对不同高度的前扰流板进行仿真分析，以确定效果最佳的前扰流板的高度，降低整车风阻系数并提高机舱冷却进风量。

3 仿真与试验结果对比分析

由于车身离地间隙会对风阻产生较大影响，通常离地间隙越高风阻系数越大。因此仿真分析时，车身姿态必须与试验时车身姿态一致。风洞试验采用了多种方案，仅提取与本文分析相关的汽车原姿态的风洞试验值，并与仿真风阻系数结果进行对比，如表1所示，以原方案为基准，对仿真风阻系数值进行归一化处理。同时，仿真分析中风阻系数约在3‰的范围内波动，为了消除该因素的影响，仿真计算收敛后取一定迭代步数范围内的风阻系数平均值。

表1 试验与仿真风阻系数Cd结果

由表1可见，仿真与试验风阻系数误差约为3%，说明所采用的CFD仿真分析网格和相关参数设置等满足设计精度的要求，从而为后续仿真结果的准确性提供保证。

4 前扰流板对机舱进气量和风阻系数的影响

为了提高整车动力性和经济性，国外一款汽车研发过程中有时要进行数百小时的风洞试验[4]，费用昂贵。为了提高研发效率、降低试验次数，在研发前期采用CFD仿真分析方法进行研究已经成为必不可少的过程。

4.1 不同高度前扰流板的仿真分析结果

为提高某款自主品牌乘用车的气动性能，对图2所示的不同高度的前扰流板进行了仿真分析，充分研究了前扰流板对机舱进气量和风阻系数的影响规律和原因。

整车风阻系数分析结果如图3所示，以无前扰流板时的仿真结果为基准做归一化处理。由图可见，整车风阻系数随前扰流板高度的增加呈先减小后增大的趋势，高度为20mm时风阻系数最小。

图4和图5分别为格栅和散热器进气量随前扰流板高度而变化的曲线。由图可见，前端格栅进气量和散热器进气量随着前扰流板高度的增加而增大，最后上升趋势减弱，两者变化趋势相同。当前扰流板高度在15～30mm之间时，前格栅进气量和散热器进气量变化最为剧烈。从图4中还可看出，与上格栅进气量相比，下格栅进气量随前扰流板的高度变化更加敏感。

4.2 机舱进气量影响原因分析

图6为中心截面机舱压力系数分布图，从图中可以解释前扰流板对机舱进气量和风阻系数造成影响的原因：随着前扰流板高度的增加，机舱内部冷却系统后方负压区呈逐渐扩大的趋势，当高度为20mm时，后舱基本被负压区完全覆盖，前后舱压力差逐渐增强，从而有利于气流进入机舱。同时，当前扰流板高度为15～30mm时，后舱负压区域变化趋势最为剧烈，而当高度超过30mm时，后舱负压区域变化趋势减弱，该变化趋势与上文前端格栅及冷却系统进气量变化趋势一致。

同时，随着前扰流板高度的增加，车底气流进气面积逐渐减小，因此进入车底的气流将逐渐减少，从而迫使气流从前端格栅、车身上部和两侧分流，也会有利于前端格栅和冷却系统进气量的提高。

4.3 风阻系数影响原因分析

通过分析前扰流板高度变化时，车辆各个部件的风阻变化趋势，可得到对前扰流板高度变化较敏感的零部件。图7为以原方案为基准，风阻值随前扰流板高度变化降低趋势较大的几个部件，由图可见，风阻值降低较多的部件大部分都位于车底部位置，说明前扰流板有利于车底部件风阻降低；隔音垫和防火墙风阻下降趋势最大，从图6中该部件所处位置的压力系数变化图中可以看出，其压力由正压变为负压，因此风阻值下降趋势较大。

图8为以原方案为基准，随前扰流板高度变化风阻值升高较大的几个部件，从图中可以看出，风阻值增大的部件基本位于前端格栅附近。由于前扰流板的作用，气流在前端格栅重新分配，从来流方向进入车底的气流减少，前端格栅、车身上部和两侧的气流增加，从而导致各部件风阻发生变化，其中前饰板风阻值变化最为明显。另外，前扰流板风阻与其高度基本成线性变化关系，由于此关系的存在，前扰流板高度逐渐增加对总的风阻系数的影响将会越来越大，因此必须对其高度进行合适的选择。

由图7和图8可见，前扰流板高度在15～30mm之间时各部件风阻变化趋势最为剧烈，增加前扰流板可带来车底等部件风阻值的降低，同时也会导致其它一部分零部件风阻值增高，前扰流板的高度为20mm时，可使风阻系数降低2%，散热器进气量增大6%。

前扰流板位于前端底部，可以保护其后方车底部件避免高速气流的冲击。图9为无前扰流板和前扰流板高度为20mm时车底附近气流速度截面云图，从图中对比可以看出，当有前扰流板时车底气流速度明显降低。

5 结论

本文中将某自主品牌乘用车的整车风洞试验与相同状态下的仿真结果进行对比，同时仿真分析不同高度前扰流板对整车风阻系数和机舱进气量的影响规律及原因,得出如下结论：

(1) 采用CFD数值仿真分析方法进行整车气动阻力仿真，与试验测量结果相吻合；

(2) 前扰流板有利于整车气动性能和机舱散热性能的提高，但须对其高度进行优化，合适高度的前扰流板可使整车风阻系数较小且机舱进气量较大；

(3) 前扰流板通过保护车底部件避免高速气流冲击，降低了车底部件气动阻力，从而可降低整车总的气动阻力；

(4) 前扰流板可加强机舱后部负压区，并使气流在车身前端重新分配，从而提高机舱格栅进气量和冷却系统进气量。

[1] Edinilson Alves Costa. CFD Approach on Underhood Thermal Management of Passenger Cars and Trucks[C]. SAE Paper 2003-01-3557.

[2] Varun Ramakrishnan. A Numerical Approach to Evaluate the Aerodynamic Performance of Vehicle Exterior Surfaces[C]. SAE Paper 2011-01-0180.

[3] Silvestre Artiaga Hahn. Virtual Aerodynamic Engineering at GM Europe Development of the 2006 OPEL Corsa[C]. SAE Paper 2007-01-0102.

[4] Nina Tortosa. Aerodynamic Development of the 2011 Chevrolet Volt[C]. SAE Paper 2011-01-0168.