汽车百叶窗的迎风面优化设计

唐杰　潘欣欣　罗鹰

摘 要：为了提高汽车的燃油经济性，降低汽车在行驶过程中的风阻。采用风阻系数的概念表述空气阻力的五个部分，风阻系数越低，则百叶窗所承受的空气阻力越低，当车速高时，风阻系数对空气阻力的绝对值的影响更大。研究了汽车百叶窗的几何分析和流动分析，将两种分析方法相配合，确定了对百叶窗的迎风面进行优化改进，使用FLUENT软件对百叶窗进行流体分析，百叶窗顶点位置应选取离散热器表面垂直距离25mm处为最优解，得出最佳迎风曲面。

关键词：汽车百叶窗 空气阻力 迎风曲面 FLUENT流体分析

Optimal Design of Windward Side of Automobile Shutters

Tang Jie Pan Xinxin Luo Ying

Abstract：In order to improve the fuel economy of the car， and reduce the wind resistance of the car during driving， the concept of drag coefficient is used to express the five parts of air resistance. The lower the drag coefficient， the lower the air resistance of the blinds is. When the vehicle speed is high， the drag coefficient has a greater impact on the absolute value of air resistance. The geometric analysis and flow analysis of automobile blinds are studied. The two analysis methods are combined to determine the optimization and improvement of the windward side of the blinds. The FLUENT software is used to analyze the flow of the blinds. The vertex position of the blinds should be selected when the vertical distance from the radiator to the surface  is25mm， which is the optimal solution， and the best windward surface is obtained.

Key words：car blinds， air resistance， windward surface， FLUENT fluid analysis

1 汽车百叶窗的定义

汽车百叶窗是汽车冷却系统的一个装置，一般安装在汽车散热器与进气格栅之间，由百叶窗叶片、直流电机、传动机构等构成，根据发动机的散热器冷却液温度控制叶片转动进行开合。汽车发动机舱内温度较低（尤其是北方和寒冷的冬天），发动机刚启动及热车阶段还未达到最佳工况温度。此时百叶窗应该全闭合，减少发动机舱内的进风量，对发动机舱起到保温的效果。当散热器出水口温度传感器检测到的温度达到85℃时，发动机舱内的风扇开始运作，将车外的冷空气吸入发动机舱内，吹到散热器上。为了使散热器能达到最佳的散热效果，当风扇开启时，百叶窗必须全部打开，这样才能使发动机舱内的进气量足够充分。

汽车发动机停车熄火后发动机舱内的温度仍然较高，延时关闭百叶窗，可以使发动机舱内的温度下降更快，避免高温对发动机舱内的零件寿命产生影响。并且汽车在露天停放时，百叶窗的关闭可以减小灰尘和杂物对散热器的侵害。

百叶窗的开启和关闭从而使发动机更快达到最佳工况温度，减少燃油的消耗，提高汽车的燃油经济性。车身空气动力学特性的优化可以显著减小汽车行驶时的空气阻力，是节省能源和减少能源消耗的重要措施之一。对汽车百叶窗的迎风面进行降风阻的设计，对其结构进行优化，减小汽车在百叶窗关闭时受到的风阻。从而降低燃油消耗。

2 气动阻力的影响

气动阻力与车速的关系图1显示了阻力与车速之间的关系。实线和虚线分别表示百叶窗在打开和关闭状态下的空气阻力。从图中可以看到，气动阻力与车速的平方成正比，车辆的速度越高，气动阻力就越大。

2.1 轿车行驶阻力的研究

正常行驶的轿车总驱动阻力如下：

在公式中：滚动阻力;是空气阻力;是坡度阻力;是加速阻力。空氣阻力是车辆行驶时，作用在车辆上的力的一部分合力[1]。根据每个力分量的作用机理，空气阻力主要组成如下：

（1）压力阻力：汽车前端的气流速度小于后端。根据流体力学方程式，前部的压力大于后部的压力，当空气流过车辆时，车辆前后之间形成压差，即压差阻力。阻力的这一部分与车辆的整体形状密切相关，这也称为形状阻力。

（2）摩擦阻力：根据空气动力学研究，粘附在物体表面的空气薄层（附面层）的流动与外层不同。覆盖层在空气的微层之间具有切向力。由于空气是粘性的，因此在空气与车身表面以及每一层空气之间产生摩擦力。这些摩擦力在汽车行驶方向上，在车身表面上产生的切向力的合力为摩擦阻力。

（3）干扰阻力：在汽车空气动力学中，由于车辆速度有限，通常不考虑空气压缩，但是空气粘度不能忽略。由于空气的粘性，在从车辆表面突出的零件的表面上会出现分离现象和涡流。分离现象和涡流会消耗能量并产生抗干扰性。

（4）内部阻力：为了满足机舱冷却和通风的传输要求，必须将空气流导入机舱。这部分气流在车辆运动方向上的分量称为内部阻力。

（5）诱导阻力：车辆顶部和底部的形状不同，并且风速也不同，从而导致爬升的压力差，产生升力，诱导阻力主要与升力有关。

空气阻力由阻力的五个部分组成。每种阻力形成的机制都很复杂，在计算空气阻力时，有必要使用模型来表达它。因此，引入了风阻系数的概念。将空气阻力表示为：

空气阻力对机动车的燃油消耗有重大影响。一般经验值是在200km/h时空气阻力为运动阻力的85%。较低的空气阻力降低了燃油消耗，并提高了车速和加速度。因此减小空气阻力需要减小空气阻力系数。

2.2 百叶窗的风阻研究

汽车在行驶过程中，百叶窗的运动阻力大部分是由于压力阻力造成的。压力阻力由形状阻力、抗干扰性、内部循环阻力和诱导阻力组成。其中，由气流通过机舱内部引起的内部循环阻力约为总运动阻力的9%。以普通乘用车为例，當车速为90km/h时，克服行驶阻力的油耗约为总油耗的25%。当车速从90km/h加速到110km/h时，行驶阻力增加约40%，燃油消耗增加约10%至15%。

空气阻力计算公式为：

得空气阻力功率为：

空气阻力系数：

风阻系数越低，则百叶窗所承受的空气阻力越低，并且当车速较高时，风阻系数对空气阻力的绝对值的影响更大。如果百叶窗的形状保持不变，则风阻系数是固定值，并且不会随着车速的变化而变化，风阻系数是通过实验测试获得的。

2.3 降风阻的设计方法

降风阻设计的方法是多部门、多学科协作建立起来的[2]，如下所示：

（1）几何分析：从形状入手，通过横向对比和气动概念的基本分析，确定造型气动优化设计的趋势性方向，如尺寸比例、面的角度、边的弧度、局部细节等。

（2）流动分析：分析车身周围的气流边界层和流动分离，分析表面压力分布趋势，与几何分析相配合，进一步确定造型气动优化设计的趋势性方向。

本文通过对百叶窗的几何分析和流动分析，将两种分析方法相配合，进一步确定了对百叶窗的迎风面进行优化改进，从而降低汽车在行驶过程中的风阻。

3 百叶窗CFD流体分析

3.1 百叶窗尺寸的选取

由于百叶窗是加装在散热器前的，所以本设计百叶窗尺寸以某款散热器尺寸为参考数据。经测量，该散热器的散热面长宽为550mm、270mm，散热面前方可安装百叶窗的宽度为50mm。如图2为本设计的参考散热器。

3.2 FLUENT软件流体分析

CFD是流体力学和计算机科学相配合和融合的一门学科[6]。随着计算机的高速发展，该方法成为产品开发中的一种有利手段。FLUENT是至今市面上比较流行的一款商用CFD软件包，但凡跟流体以及热传递等有关的工业，均可以使用这款软件。本设计使用该款软件对百叶窗进行流体分析，得出最佳迎风曲面。将图2-1所示的散热器迎风平面简化为二维模型，如下图3所示：

模拟汽车在行驶过程中的风速为汽车的行驶速度，本设计将汽车的行驶速度定为60km/h，即汽车在城市道路的规定时速。汽车在行驶过程中，风从左侧进入，右侧则为出风，网格如下图4所示。

将此网格导入到FLUENT中进行设置并求解[8]，计算出的残差曲线如下图5所示：

从残差曲线可以清楚得看出各项值在每次计算之后就会发生变化，直到残差值低于设定的值之后，计算就收敛了。通过计算得出图6速度云图和图7压力云图。

由于百叶窗前的空间距离只有50mm，所以本次仿真模拟距离分别设置了20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm，从这些数据找到规律，得到了下面的数据曲线图8阻力系数和位置关系。

从上面结果可以看出，随着距离变大，阻力系数逐渐减小，但是当增大到一定值后再继续增大，就会在结构后方产生漩涡，造成阻力再次变大，图9和图10为25mm处漩涡图。综上所述百叶窗顶点位置应选取离散热器表面垂直距离25mm处为最优解。

3.3 百叶窗外形尺寸

本设计汽车百叶窗迎风曲面导轨采用滑轮式导轨，滑轮与导轨之间的摩擦力小，导轨的使用寿命久。已知弦长l=550mm，弦高h=25mm，设弧长为C，半径为r，圆心角为a;

半径r为：

圆心角a为：

弧长C：

4 结论

在百叶窗的外形方面，通过对汽车空气动力学、流体力学的研究分析，确定了将百叶窗平面迎风改成曲面迎风的策略，减小汽车在行驶过程中的风阻，建立模型并用Fluent软件对该策略进行验证分析，计算出百叶窗的最佳迎风曲面当弦长为550mm时，弦高为25mm，半径为1525mm，圆心角为0.363弧度，弧长理论长度为553.575mm，实际加工取554mm。

基金项目：本论文为 2020 年江苏省大学生创新创业训练计划项目《汽车百叶窗的智能设计》的研究成果。 项目编号：202012056027Y。

参考文献：

[1]余志生.汽车理论.第3版[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]王洪正，李晓峰.空气动力学在汽车造型设计中的研究与应用[J].安徽科技，2019（11）：49-51.