汽车底部流场对气动阻力性能影响的研究

刘学龙,闫晓晓，黄森仁

(中国汽车技术研究中心，天津 300300)

汽车底部流场对气动阻力性能影响的研究

刘学龙,闫晓晓，黄森仁

(中国汽车技术研究中心，天津 300300)

汽车底部流场对整车气动性能具有重要影响，车体底部产生的气动阻力可占到整车阻力的30%左右。本文针对某运动型多用途汽车(SUV)，采用计算流体动力学(CFD)数值模拟的方法，在车速120km/h的工况下，分析了汽车底部添加气动附件(前阻流板、车轮前后阻风板、车体底部导流板)对整车气动性能的影响。分析结果表明，在车体底部和轮胎附近添加合适的气动附件，使得整车气动阻力下降了大约6%。

运动型多用途汽车；计算流体动力学；空气动力学；底部流场；STAR-CCM+

1 引言

降风阻是提高燃油经济性的一个重要手段，在我国汽车气动性能总体不高的前提下，通过降风阻可有效提高车辆的燃油经济性，为达到第三和第四阶段油耗法规要求提供有力技术保障。

大量的数值模拟和试验研究结果表明[1-2]，在汽车上安装气动附加装置可有效减少汽车的气动阻力，达到节能的目的。如文献[3]中用光滑底板、光滑汽车底面研究气动阻力,使空气阻力系数减少0.045，并指出通过光滑底板及加前阻风板和轮轴、凹窝等局部细化，气动阻力系数可下降0.07。

本文以某SUV车型为研究对象，利用数值模拟的方法，重点研究车体底部流场对整车气动性能影响的规律。通过在车体底部添加气动附加装置(如前阻流板、前后车轮阻风板和底部导风板)，引导和组织气流，总结出了改善底部流场的方法，为该类SUV车型气动减阻与车体底部气动附件的设计提供参考。

2 整车CFD建模

本文利用流体分析软件STAR-CCM+，搭建了某SUV整车详细CFD仿真模型，如图1所示。

图1 整车CFD模型Fig. 1 CFD model of the whole vehicle

由于本文主要研究的是车体底部流场，为提高计算效率，并未考虑发动机舱内流场对整车气动性能的影响，即未建立发舱内部详细结构的CFD模型。为尽可能降低计算过程中风洞阻塞效应对结果的影响，必须保证足够大的风洞尺寸，如图2所示。其中，为使风洞阻塞效应降至最低，根据经验，风洞的尺寸定义为：

长×宽×高=12L×10W×6H

其中： L—车长；W—车宽；H—车高。

图2 风洞尺寸Fig. 2 Digital wind tunnel size

2.1 物理模型和假设

(1)湍流模型采用基于k-ω模型的SST(剪切应力输运)模型。

(2)本文中，汽车速度设定为120km/h，远低于声速，因此计算中假定气体是不可压缩的[4]。

(3)气体具有粘性，这是产生气动阻力的根源。本次研究中，通过在车体近壁面添加多层边界层单元，模拟气体粘性产生的剪切应力对整车气动阻力的影响。

(4)物理模型采用基于流体质点微元的拉格朗日法，数学模型使用三维不可压缩雷诺平均N-S(纳维-斯托克斯)控制方程。

2.2 气动阻力系数定义

D—阻力；ρ—空气密度；v∞—风速(车速)；A—迎面投影面积；—动压

P—气流中汽车表面的压力；p∞—无穷远处参考点压力，基准静压；v—当地气流流速

2.3 边界条件设定

见表1。

表1 初始、边界条件设定Tab. 1 Boundary conditions setting

3 气动阻力特性分析

3.1 整车气动阻力分析

整车各部位气动阻力分布如图3所示(根据CFD计算得出)，从图中可以看出，车体前部、尾部和底部是主要的阻力源，分别占到了整车气动阻力的34%，16%和29%。其中，底部阻力主要是由于底部结构不平整，以及底部凸出部件(排气管、油箱、悬架等)对气流的阻挡引起的。研究和试验结果均表明，在不平整的底部结构基础上，通过增加必要的导流结构，合理的组织气流，可起到改善底部流场的效果，有效降低整车的气动阻力。

图3 整车气动阻力分布Fig. 3 Cd Distribution of the whole vehicle

图4 阻流板结构示意图Fig. 4 Structure of the front damp panel

3.2 前阻流板对整车气动性能的影响

试验表明，当强气流吹袭到车前部的阻流板上时，在其迎风面上将产生正压力，而在尾流部位将出现涡流，形成负压力。阻力作用于阻流板本身，但在大多数情况下，作用在阻流板上的正负压力的绝对值越大，则阻流板对减小阻力愈有效。换言之，虽然阻流板构成一部分新的阻力，但它仍可减小全车总的阻力。这是由于安装阻流板使车辆周围的气流得到改善，整车阻力的减小远超过阻流板本身所增加的阻力。一个有效的阻流板，应能使整车阻力的减小大于其本身所产生的阻力。即[5]

Da＜D0-D (3)

式中：Da——阻流板本身的阻力

D0——无阻流板时整车的阻力

D——有阻流板时整车的阻力

本文在原整车模型的基础上，在前保险杠下方增加一阻流板，并分析其对整车气动性能的影响，阻流板的结构如图4所示。

分析结果表明，当在汽车前保险杠下方添加一个阻流板(阻流板高度为40mm)时，整车风阻系数下降了不到0.5%。可见，本文中增加前阻流板，并未带来预期的明显效果，风阻系数变化不大。原因在于，本文并未考虑机舱内流的影响，而实际上，添加前阻风板，主要是改善对前车体底部的压力分布，而前车体底部的压力分布又直接受机舱内流出气流的影响。

增加车体前部阻流板的实际效果与汽车底部结构，甚至汽车造型都有密切的关系。因此，对于不同车型，在前车体底部增加阻风板，其形状和位置都必须经过大量优化(仿真分析和风洞试验)，最终才能得到适合本车型的最佳结构和布置方案。

3.2.1 汽车底部的流场结构变化

从图5可以看出，添加阻流板后，在阻流板后区域形成负压区。但由于本模型中，机舱下护板位置偏低，气流经过阻流板后，又再次受到机舱下护板的阻挡。因此，阻流板对整车底部压力系数的影响仅限于前机舱底部区域，而在中部和后部，压力系数变化较小。加上阻流板自身带来的阻力，使得最终整车阻力系数下降的幅度不大。

3.2.2 车体侧面的流动分离变化

由图6可以看出，添加前阻流板后，前轮罩外侧的气流流速增大，流动分离相对减弱，整车气流状态总体要比添加前阻流板之前有所改善。预计在引入机舱内流场对整车气动阻力的影响后，这个效果会更明显一些。3.3 车轮前、后阻风板对整车气动性能的影响

图5 车体底部压力分布(Cp)Fig. 5 Cpdistribution of underbody

3.3.1 优化结果分析

车轮的几何外形对车轮后部流场影响更大，其结果是车轮的表面压力系数和涡流都有显著的变化[6]。

计算结果表明，在前后车轮前部增加阻风板，可在整车迎风面积基本保持不变的情况下，显著降低整车的气动阻力系数，最终使得整车气动阻力降低16个count,下降幅度达到4.1%，如表2所示。可见车轮阻风板对降低整车气动阻力起到了非常重要的作用。

表2 优化前后对比分析Tab. 2 Comparison of Cdresult

3.3.2 轮罩附近区域和车体底部流动能量损失减弱

由车体底部流动的那个能量损失分布图(图7)可以看出，在前后车轮前面添加阻风板后，车身轮罩附近和前、后车体底部的流场均有所改善，车体底部和轮罩外侧的流动能量损失明显减弱，流动更为顺畅，整车阻力系数总体下降显著。

3.3.3 车轮附近流动状态变化分析

在前车轮前部增加阻风板后，车轮前部气流流速降低，气流在前车轮上正前方形成的滞止压力也随之下降，使得由车轮本身引起的气动阻力有所降低，如图8、图9所示。

图7 车体底部流动能量损失分布(ISO=0)Fig. 7 Energy loss of underbody(ISO=0)

图8 车轮前部空气流速Fig. 8 Air velocity around front wheels

图9 车轮表面压力变化(Cp)Fig. 9 Cpchanging of wheel surface

3.3.4 轮罩区域压力变化

根据以上分析结果，车轮前部增加阻风板降低了气流对车轮的冲击，使得轮胎表面正前部区域的压力下降，风阻降低。与此同时，气流对前、后轮罩的冲击也相应减弱，使得整个前后车轮附近的压力水平总体下降，阻力也相应减小，如图10所示。

从计算结果，可以得出如下结论：车轮前部阻风板不仅可以减小气流对旋转轮胎的直接冲击，同时，还可改善轮罩内侧和外侧，以及前车体底面的流场分布。合理的设计车轮前阻风板，可以以较低的成本，获得显著改善整车气动性能的效果。

3.4 车体底部导风板对整车气动性能的影响

车体底部导风板对改善整车气动性能具有重要作用。通常情况下，汽车地板和底盘多数沿用已有车型平台，因此，一旦车型平台确定，其地板结构和底盘等也基本确定。如果地板和底盘的平整性差，很难通过修改地板和底盘的钣金和结构设计来改进。这时候，通常需要在底部增加导风板，通过合理的梳理气流，可在底部平整性较差的情况下，也能达到接近平整底面所具有的气动性能。

平整的底部结构，使得气流遇到的阻碍减少，使汽车底部气流顺利的通过[7]，整车阻力下降。

同时，底部流速增大，压力下降，可以增加车身下压力，这对于改善整车的升力特性，提升操纵稳定性，也是非常有利的。

3.4.1 优化结果分析

设计成功的底部导风板，还应综合考虑其他多种因素，如结构刚度、强度、振动噪声、热害等。本文通过在前排座椅底部下方增加一合适的导风板(图11)，使整车气动阻力下降了1.5%，有效的改善了底部流动的平整性，如表3所示。

图10 前后轮罩区域压力系数变化(Cp)Fig. 10 Cpchanging around front and rear wheelhouse

图11 底部导风板结构示意图Fig.11 Structure of air deflector under the vehicle

表3 优化前后对比分析Tab. 3 Comparison of Cd

3.4.2 车体底部流动分析

原车由于底部结构不平整，存在很多凹凸不平的结构，在这些结构中间产生了较多的涡流，耗散掉大量流动能量。同时，底部凸出结构和部件，对气流产生了阻碍作用，使得整车阻力进一步增大。

在底部增加导风板后，涡流明显减弱，对汽车底部次生边界层和尾部涡流也起到抑制作用[8]；导风板尾部的翘起，也使得气流越过底部凸出部件(排气管、油箱等)，底部流动更加顺畅，进而减小底部的空气阻力。

4 结论

汽车底部阻力占整车阻力的30%左右，是主要的阻力源，汽车底部的复杂流动对整车气动性能具有很大的影响，但底部流场受地面效应和车轮旋转效应的影响。本文通过在车体底部增加合适的导流板，合理的组织气流，使气流顺畅的通过底部，使得整车气动阻力在原车基础上下降了6%，取得了较好的效果。通过研究，得出以下几点结论：

(1)前保险杠下方添加阻流板，可有效改善整车的气动阻力性能，但阻流板的形状和位置，须经过大量仿真优化和试验验证，以最终确定所添加的阻流板是有效的。

图12 底部左侧导风板流速变化Fig.12 Air velocity changing of left underbody

图13 底部右侧导风板流速变化Fig.13 Air velocity changing of right underbody

(2)在前后车轮前部设计合理的阻风板，可有效改善车轮附近区域的流场，以较低的成本，显著提高整车的气动性能。

(3)车体底部导风板的设计原则应是使气流平顺的流过底部，将底部凹凸不平的结构覆盖于导流板内，并减小底部凹凸不平的结构对气流的阻滞和不良诱导，可以有效改善整车的气动特性。

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Numerical Research on Influence of the Underbody Flow Structure of Automotive Aerodynamic Performance

LIU Xuelong, YAN Xiaoxiao, HUANG Senren
(Automotive Engineering Research Institute, China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300, China)

The flow structure under the car, which caused about 30% air resistance of the vehicle, has a significant influence on the vehicle's aerodynamic performance. A CFD(Computational Fluid Dynamics) method is used to do research on aerodynamic accessories' (including front damp panel, front wheel damp panels, rear wheel damp panels, and guiding panel under the middle of the car) influence on a SUV(Sport Utility Vehicle) at the speed of 120kph. The result showed that proper design of aerodynamic accessories under the vehicle could decrease the air resistance by nearly 6 percent.

SUV; CFD; aerodynamics; underbody flow; STAR-CCM+

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.03.05

中国汽车技术研究中心《SUV车型性能对标横向课题》。作者简介： 刘学龙(1983-), 男, 工程师, 硕士研究生。

刘学龙,闫晓晓，黄森仁．汽车底部流场对气动阻力性能影响的研究[J]．新型工业化，2015，5(3)：35-41

: LIU Xuelong, YAN Xiaoxiao, HUANG Senren. Numerical research on influence of the underbody flow structure of automotive Aerodynamic performance [J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(3): 35‒41.