汽车底部护板对风阻系数的影响研究

陈魁　刘小杰　陈雷

摘 要：随着绿色节能思想的深入，作为汽车重要性能之一的整车空气动力性越来越受到各汽车厂家的重视，而风阻系数又是影响整车空气动力性的重要因素。本文以某具体车型为例，借助计算流体动力学（CFD）仿真手段过对汽车底部空气流场进行分析，研究汽车底部下护板、扰流板等结构对风阻系数的影响，并对方案进行评估，为汽车底部护板类结构设计提供依据。

关键词：汽车；空气动力性；风阻系数；CFD；护板；扰流板

中图分类号：U461.1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）06-0040-04

Abstract： With the development of the idea of energy saving， as one of the important properties of the car vehicle aerodynamic more and more by the attention of automobile manufacturers， and the drag coefficient is an important factor in the impact on vehicle aerodynamic. In this paper， a specific models， for example， with the aid of computational fluid dynamics （CFD） method to carry on the analysis to the car at the underbody of the air flow field， research the effect of underbody guard， spoiler structure on drag coefficient and the scheme were evaluated at the underbody guard structure provides the basis for the design.

Key Words： Vehicle； Aerodynamic performance； Drag coefficient； CFD； Guard； Spoiler

1 引言

整车空气动力性对汽车的动力性、经济性和操控安全性都有直接影响。随着绿色节能思想在我国的逐渐深入，汽车空气动力性已成为汽车设计时所考虑的重要特性，而风阻系数是影响整车空气动力性的重要因素之一。改善汽车的风阻系数不仅可以改善汽车的动力性，同时还可以提高燃油经济性等性能。本文以某车型作为实车模型，借助计算流体动力学（CFD）仿真手段对汽车底部的空气流场进行分析，研究改善风阻系数的结构方案，并对各种方案进行评估，对比其压力云图、速度矢量图、整车风阻系数等关键参数，为汽车底部护板类结构设计提供依据。

2 风阻系数对燃油经济性的影响

而根据研究表明，小型客车用于克服气动阻力的燃油消耗量为50%左右，空气动力性良好的轿车，其风阻系数可以达到0.3，比一般轿车的0.4下降了约25%，燃油经济性可改善12%左右。假设一般家用轿车按每年行驶20000公里，则每年节省燃油消耗量约为180L左右，节油成本还是比较可观的。

3 风阻系数的改善研究

3.1 汽车底部流场分析

下面以某实际开发车型为例，研究汽车风阻系数的改善方案。

首先在汽车底部没有安装任何改善空气动力性的结构时，用CFD仿真手段对某实车模型进行流场分析，得出整车的压力云图如图1所示。分析图1可以得到以下信息：

区域a为汽车发动机底部区域，该区域内压力情况较复杂，压力不均匀，判断此区域存在涡流现象；

区域b为车轮前部区域，该区域所受气流压力面积较大，增加了车轮的能量耗损；

区域c为后悬架与油箱前部区域，气流流经该区域时对汽车底部的压力有增加。

3.2 发动机下护板对风阻系数的影响

3.2.1 方案分析与模型建立

对图1中a区域的压力云图进行分析。该区域位于汽车发动机底部，由于发动机本体形状复杂，所以该区域平整程度较差，并且与机舱相通，流经汽车底部的气流容易在此区域处形成紊流，导致此区域部件所受气流压力情况复杂。因此考虑在此区域底部增加护板结构，该护板可以使发动机底部变得平整封闭。安装发动机下护板后的实车模型如图2所示：

3.2.2 压力云图及中截面矢量图对比

如图3所示，增加发动机下护板后，利用CFD仿真手段，对比安装前后发动机底部区域压力云图，可以看到该区域部件所受压力不仅变得均匀，而且还有一定程度的减小。

进一步对比安装发动机下护板前后整车的中截面矢量图可以看出，安装发动机下护板后，整车的紊流现象也有明显改善，汽车尾部真空区减小，同时压差阻力小。

3.2.3 风阻系数对比

同时用软件对发动机下护板安装前后的风阻系数（Cd值）进行计算，得出对比结果如表1所示：

从表1可以看出，在相同迎风面积前提下，采用增加发动机下护板方案后，整车风阻系数降低了0.009，降低幅度约为2.54%。

3.3 汽车轮胎前部扰流板对风阻系数的影响

3.3.1 模型建立与压力云图对比

分析图1中b区域的压力云图可以看到，汽车底部气流在车轮前部形成了较大压力区，压力区越大则该区域紊流现象将会越明显。因此考虑在轮胎前部增加扰流板结构，减小车轮前部所受气流压力区面积，从而改善车轮所受阻力，增加前轮扰流板后的实车模型如图4所示：

从图4可以看出，车轮前部增加扰流板后，气流对车轮前部的压力区面积明显减小，车轮所受紊流影响也相应减小。

3.3.2 风阻系数对比

利用CFD对前轮扰流板安装前后的风阻系数（Cd值）进行计算，得出对比结果如表2所示：

从表2可以看出，采用增加前轮扰流板方案后，整车风阻系数降低了0.010，降低幅度约为2.76%。

3.4 地板扰流板对风阻系数的影响

3.4.1 模型建立与速度矢量图对比

分析图1中c区域的压力云图可以看到，当汽车底部气流运动到油箱和后悬架区域时，该区域内部件所受压力有所增加，因此考虑在此区域前增加扰流板结构，减小此区域所受气流压力区面积，增加地板扰流板后的实车模型如图5所示：

从图5可以看出，汽车增加地板扰流板结构后，油箱与地板间隙处本来存在的涡流现象消失。

3.4.2 风阻系数对比

利用CFD对地板扰流板安装前后的风阻系数（Cd值）进行计算，得出对比结果如表3所示：

从表3可以看出，在相同迎风面积前提下，采用增加地板扰流板方案后，整车风阻系数降低了0.005，降低幅度约为1.43%。

4 结论

通过以上改善汽车风阻系数的方案可以看出，在汽车底部采用增加汽车发动机下护板、前轮扰流板、地板扰流板等结构后，整车风阻系数改善是较为明显的，并得出以下几条结论：

1）当汽车底部平整度较差时，可以增加护板类结构尽量使得底部平整封闭，可以有效减少涡流现象和整车的压差阻力，从而降低风阻系数；

2）对汽车底部受气流冲击较大的区域如轮胎、悬架前部等，可以增加扰流板来降低此区域所受气流压力，减轻紊流现象从而降低风阻系数。

参考文献：

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