前擾流板對機艙進氣量和車輛氣動阻力的影響研究

肖 能，王小碧，王偉民，史建鵬

(東風汽車公司技術中心，武漢 430058)

前言

整車氣動阻力直接影響燃油經濟性能，隨著汽車工業的發展，現代汽車內部結構的布局越來越緊湊，從而對發動機艙的散熱性能提出了更高要求，而冷卻系統進氣量與機艙散熱性能直接相關[1]。

作用在汽車上總的氣動阻力主要由3部分組成：車身外流場阻力、機艙內流場阻力和車底部阻力[2]。后兩者比較容易被忽視，故應予特別關注。目前，很多乘用車在設計中都在前保險杠下方安裝前擾流板，以提高整車氣動性能。車底前擾流板會對車身上下氣流分離產生較大影響，進而影響整車氣動性能。由于車底部件眾多，結構復雜，同時受地面效應和車輪轉動的影響，導致車底流速過高且異常復雜。前擾流板可使車底前部大部分零部件避免高速氣流的沖擊，通過降低車底阻力，從而降低整車的氣動阻力。另一方面，擾流板本身對氣流也會產生阻力，因此必須對擾流板進行優化以確定其最佳方案[3]。

本文中首先采用Star-CCM+軟件對某自主品牌乘用車基礎模型進行氣動性能仿真，并將仿真結果與實車風洞試驗結果進行對比分析，然后在該模型的基礎上，在前保險杠下方添加前擾流板，研究其對整車風阻系數及機艙冷卻進風量的影響。通過對比前擾流板在不同高度時的仿真結果，分析其對氣動阻力系數及冷卻系統進氣量的影響規律和原因，從而確定前擾流板的最優高度。

1 計算模型與邊界條件

1.1 幾何模型與網格劃分

整車氣動性能分析的模型包括車身外表、發動機艙內鈑金件、進氣格柵、冷卻模塊、發動機、蓄電池，進排氣系統和底盤系統等影響前艙空氣流動的主要部件，在Star-CCM+中進行包面處理，并建立數值風洞，同時兼顧計算精度和計算機硬件資源，調整網格疏密度，在機艙內部重要的位置進行網格細化，最終生成機艙內部網格模型，如圖1所示。

1.2 邊界條件

本次計算輸入參數和風洞試驗相同，數值風洞入口風速為120km/h，出口設定為壓力出口；冷凝器和散熱器采用多孔介質模型來模擬，其慣性阻力系數和黏性阻力系數通過試驗數據擬合而得。

2 風洞試驗方案

實車風洞試驗委托同濟大學上海地面交通工具風洞中心(SAWTC)進行，利用氣動-聲學整車風洞(AAWT)對實車空氣動力學進行性能測試，測量了不同車速、不同橫擺角和不同氣動優化方案下的風阻系數大小。為了確定數值仿真模型的計算精度，選用實車基礎模型的風洞試驗結果與CFD仿真結果進行對比。本文所研究的前擾流板位于車底前保險杠下方，其高度和位置須進行多種方案對比來確定，若全部采用風洞試驗來完成會產生高昂的試驗費用，因此在確認仿真模型計算精度的前提下，采用CFD軟件，對不同高度的前擾流板進行仿真分析，以確定效果最佳的前擾流板的高度，降低整車風阻系數并提高機艙冷卻進風量。

3 仿真與試驗結果對比分析

由于車身離地間隙會對風阻產生較大影響，通常離地間隙越高風阻系數越大。因此仿真分析時，車身姿態必須與試驗時車身姿態一致。風洞試驗采用了多種方案，僅提取與本文分析相關的汽車原姿態的風洞試驗值，并與仿真風阻系數結果進行對比，如表1所示，以原方案為基準，對仿真風阻系數值進行歸一化處理。同時，仿真分析中風阻系數約在3‰的范圍內波動，為了消除該因素的影響，仿真計算收斂后取一定迭代步數范圍內的風阻系數平均值。

表1 試驗與仿真風阻系數Cd結果

由表1可見，仿真與試驗風阻系數誤差約為3%，說明所采用的CFD仿真分析網格和相關參數設置等滿足設計精度的要求，從而為后續仿真結果的準確性提供保證。

4 前擾流板對機艙進氣量和風阻系數的影響

為了提高整車動力性和經濟性，國外一款汽車研發過程中有時要進行數百小時的風洞試驗[4]，費用昂貴。為了提高研發效率、降低試驗次數，在研發前期采用CFD仿真分析方法進行研究已經成為必不可少的過程。

4.1 不同高度前擾流板的仿真分析結果

為提高某款自主品牌乘用車的氣動性能，對圖2所示的不同高度的前擾流板進行了仿真分析，充分研究了前擾流板對機艙進氣量和風阻系數的影響規律和原因。

整車風阻系數分析結果如圖3所示，以無前擾流板時的仿真結果為基準做歸一化處理。由圖可見，整車風阻系數隨前擾流板高度的增加呈先減小后增大的趨勢，高度為20mm時風阻系數最小。

圖4和圖5分別為格柵和散熱器進氣量隨前擾流板高度而變化的曲線。由圖可見，前端格柵進氣量和散熱器進氣量隨著前擾流板高度的增加而增大，最后上升趨勢減弱，兩者變化趨勢相同。當前擾流板高度在15～30mm之間時，前格柵進氣量和散熱器進氣量變化最為劇烈。從圖4中還可看出，與上格柵進氣量相比，下格柵進氣量隨前擾流板的高度變化更加敏感。

4.2 機艙進氣量影響原因分析

圖6為中心截面機艙壓力系數分布圖，從圖中可以解釋前擾流板對機艙進氣量和風阻系數造成影響的原因：隨著前擾流板高度的增加，機艙內部冷卻系統后方負壓區呈逐漸擴大的趨勢，當高度為20mm時，后艙基本被負壓區完全覆蓋，前后艙壓力差逐漸增強，從而有利于氣流進入機艙。同時，當前擾流板高度為15～30mm時，后艙負壓區域變化趨勢最為劇烈，而當高度超過30mm時，后艙負壓區域變化趨勢減弱，該變化趨勢與上文前端格柵及冷卻系統進氣量變化趨勢一致。

同時，隨著前擾流板高度的增加，車底氣流進氣面積逐漸減小，因此進入車底的氣流將逐漸減少，從而迫使氣流從前端格柵、車身上部和兩側分流，也會有利于前端格柵和冷卻系統進氣量的提高。

4.3 風阻系數影響原因分析

通過分析前擾流板高度變化時，車輛各個部件的風阻變化趨勢，可得到對前擾流板高度變化較敏感的零部件。圖7為以原方案為基準，風阻值隨前擾流板高度變化降低趨勢較大的幾個部件，由圖可見，風阻值降低較多的部件大部分都位于車底部位置，說明前擾流板有利于車底部件風阻降低；隔音墊和防火墻風阻下降趨勢最大，從圖6中該部件所處位置的壓力系數變化圖中可以看出，其壓力由正壓變為負壓，因此風阻值下降趨勢較大。

圖8為以原方案為基準，隨前擾流板高度變化風阻值升高較大的幾個部件，從圖中可以看出，風阻值增大的部件基本位于前端格柵附近。由于前擾流板的作用，氣流在前端格柵重新分配，從來流方向進入車底的氣流減少，前端格柵、車身上部和兩側的氣流增加，從而導致各部件風阻發生變化，其中前飾板風阻值變化最為明顯。另外，前擾流板風阻與其高度基本成線性變化關系，由于此關系的存在，前擾流板高度逐漸增加對總的風阻系數的影響將會越來越大，因此必須對其高度進行合適的選擇。

由圖7和圖8可見，前擾流板高度在15～30mm之間時各部件風阻變化趨勢最為劇烈，增加前擾流板可帶來車底等部件風阻值的降低，同時也會導致其它一部分零部件風阻值增高，前擾流板的高度為20mm時，可使風阻系數降低2%，散熱器進氣量增大6%。

前擾流板位于前端底部，可以保護其后方車底部件避免高速氣流的沖擊。圖9為無前擾流板和前擾流板高度為20mm時車底附近氣流速度截面云圖，從圖中對比可以看出，當有前擾流板時車底氣流速度明顯降低。

5 結論

本文中將某自主品牌乘用車的整車風洞試驗與相同狀態下的仿真結果進行對比，同時仿真分析不同高度前擾流板對整車風阻系數和機艙進氣量的影響規律及原因,得出如下結論：

(1) 采用CFD數值仿真分析方法進行整車氣動阻力仿真，與試驗測量結果相吻合；

(2) 前擾流板有利于整車氣動性能和機艙散熱性能的提高，但須對其高度進行優化，合適高度的前擾流板可使整車風阻系數較小且機艙進氣量較大；

(3) 前擾流板通過保護車底部件避免高速氣流沖擊，降低了車底部件氣動阻力，從而可降低整車總的氣動阻力；

(4) 前擾流板可加強機艙后部負壓區，并使氣流在車身前端重新分配，從而提高機艙格柵進氣量和冷卻系統進氣量。

[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.