基于STAR-CCM+的某轎車減阻優化研究

李林　林強　陳建超　董明明　吳迪

（長安汽車公司汽車工程研究總院，重慶　401120）

基于STAR-CCM+的某轎車減阻優化研究

李林林強陳建超董明明吳迪

（長安汽車公司汽車工程研究總院，重慶401120）

應用STAR-CCM+軟件對長安汽車某款轎車進行了整車空氣動力學仿真分析。通過仿真分析找到了影響空氣阻力系數的關鍵零部件，并對進氣格柵、前唇、輪胎擋板、冷卻模塊擋板及前端封裝板進行了優化，優化后風阻降低效果明顯。試驗結果表明，仿真結果與試驗結果具有較好的一致性，驗證了整車空氣動力學仿真分析的有效性和可行性。

主題詞：轎車風阻系數空氣動力學仿真優化

1　前言

汽車空氣動力特性是汽車的重要性能之一，它直接影響汽車的動力性、燃油經濟性、操縱穩定性、舒適性和安全性［1］。汽車的氣動阻力與車速的平方成正比，且氣動阻力所消耗的功率和燃油又與車速的立方成正比，因而通過汽車空氣動力學的研究來降低汽車氣動阻力、提高發動機燃燒效率、改進發動機冷卻效果，不僅可提高汽車動力學性能，而且還可改善燃油經濟性。對于高速行駛的汽車，因為氣動阻力對其各項性能的影響占主導地位，所以良好的空氣動力穩定性是汽車高速、安全行駛的前提。

參考國內外汽車風阻優化相關文獻［2～6］，本文利用計算流體力學軟件STAR-CCM+對某自主品牌汽車進行了整車空氣動力學CFD計算，并分析了汽車表面壓力分布及速度流場分布，根據分析結果對影響空氣阻力系數的汽車關鍵零部件進行了優化，并通過汽車風洞試驗對優化方案進行了試驗驗證。

2　CFD計算分析理論基礎

控制所有流體流動的基本定律包括質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，由它們可以分別導出連續性方程、動量方程（又稱納維爾-斯托克斯方程）和能量方程，它們聯立得到的納維爾-斯托克斯方程組（NS方程組）是流體流動所需遵守的普遍規律，現代工程中應用最廣泛的是雷諾時均N-S方程?；谒芯科囘\動的實際情況，可以認為汽車流場為三維、定常、等溫、不可壓粘性湍流流動，其質量與動量守恒控制方程為不可壓縮雷諾時均N-S方程［7～9］。

3　計算模型建立

3.1幾何模型

對該車的車體表面及發動機艙內部進行了適當的簡化處理，去除了一些基本不影響氣流流動的細小管路、螺栓等小部件，保留了機艙及底盤的全部結構。同時，為了能夠保證流體網格的質量，將部分零件進行了適當的簡化處理，此過程在前處理軟件Hypermesh中進行。車體幾何模型如圖1所示。

圖1　車體幾何模型

在Hypermesh中完成幾何處理、面網格劃分后，將幾何模型導入STAR-CCM+中完成包面、面網格優化及體網格的劃分。在車體表面的不同區域采用了不同的網格尺寸，對關鍵部件進行不同程度的細化，設置了多個局部加密區后劃分成約1 500萬Trim體網格。建立的計算域如圖2所示。圖2中，L為車長，其進口距車身前端為3L。

圖2　計算域

3.2邊界條件設定

本文采用Realizable K-E湍流模型設置邊界條件，計算域的壁面參數采用STAR-CCM+推薦的Two-Layer All y+Wall Treatment設置。設定計算域整車前面為速度入口，速度為28 m/s，計算域出口為壓力出口邊界，其它為固壁。冷凝器、散熱器采用多孔介質模型，冷卻風扇不旋轉。

4　風阻分析及優化

4.1整車原狀態分析

通過車體表面壓力分布圖來分析車體表面壓力，通過總壓力P=0時的等值面圖來分析整車空氣流動的分離情況。圖3為該車車體表面壓力分布云圖，由圖3可看出，汽車前擋、前格柵及后視鏡等處存在高壓區，尤其是擋泥板和懸架部分，這將不利于風阻的降低。針對此問題，可以在車底增加下護板或擾流板等附件來梳理底盤氣流，減少氣流對底盤件的沖擊，以降低風阻。圖4為總壓力P=0時的等值面圖，由圖4可看出，在A柱、后視鏡、輪胎、車體尾部等處氣流分離現象明顯，產生渦流，影響了氣流的平順性，這將導致較大的氣動阻力。

4.2優化方案

為優化該車氣動阻力性能，在項目開發前期進行了大量的CFD優化計算，對該車提出了多種氣動性能優化方案，并根據實際情況對方案進行了適當調整。調整后優化方案如圖5所示。

圖3　車體表面壓力分布云圖

圖4　總壓力P=0時的等值面圖

圖5　優化方案

為選取最優方案組合進行了風阻優化計算，計算過程為：首先對基礎模型（風阻優化前整車原狀態）的風阻進行計算，然后采用方案疊加的方法逐步增加優化方案。如果優化方案無效則去除，再進行下一個優化方案的疊加計算，最終得出全部優化方案組合的整車風阻系數，如表1所列，表1中，風阻系數減小值是指各優化方案風阻系數與幾種優化方案組合后風阻系數對比所得值。

表1　優化方案組合的風阻系數計算結果

由表1可知，5號方案經計算得出的風阻系數相對于基礎模型減小值為0.035，其降風阻效果沒有4號方案好，5號方案與4號方案的計算模型區別在于增加了方案e。由此可知，方案e不利于風阻系數降低，方案e增加前端封裝板是為了方便安裝方案a前唇，如果能在其它部件上找到安裝點安裝前唇，可取消前端封裝板這個方案。

為分析各優化方案的風阻優化過程，通過STARCCM+軟件后處理工具提取了整車壓力分布圖、空氣流動速度分布圖及流線圖。圖6～圖8分別為優化前（基礎模型）、后底盤表面壓力分布、發動機艙內零件表面壓力分布及中截面上氣流速度分布對比結果。

圖6　優化前、后底盤表面壓力分布對比

由圖6可看出，增加輪胎導流板和前唇后，進入發動機艙內的氣流明顯減少，使得艙內部件的表面壓力降低，同時后輪輪胎的壓力也有所減小，有利于降低風阻。由圖7可看出，增加冷卻部件上、下密封后，通過冷卻部件風量變大，有利于發動機冷卻及空調性能的提高，同時艙內壓力明顯減小，也有利于降低風阻。

圖7　優化前、后發動機艙內零件表面壓力分布對比

圖8　中截面上氣流速度分布對比

發動機艙冷卻系統對整車風阻的貢獻約為6%～10%［10］，通過合理設計進氣格柵和冷卻系統擋風板，能夠在保證散熱器和冷凝器進風量不變的前提下有效降低風阻。因整車風阻值和冷卻系統進風量都隨格柵進風面積的減小而減小，所以采取了封堵部分前格柵及增加冷卻模塊擋板的措施，減小了前格柵進風面積，同時減小了流進艙內的氣流（圖8），進而降低了空氣阻力。

圖9為優化前、后總壓力P=0時的等值面對比圖，此等值面反映的是氣流分離的位置。圖10為優化前、后車體表面流線圖對比。由圖9和圖10可看出，優化前，由于氣體粘性的存在，氣流在流經車底不平整區域時產生不同程度的分離，且流經汽車尾部時由于壓力差的存在不斷產生漩渦，這些現象均造成了不可逆的能量損失，是產生空氣阻力的主要原因。為此采取了方案a、方案d、方案e的減阻原理，以盡量避免氣流直接沖擊到車底的不平整區域，進而降低風阻。增加前唇、前輪導流板及前端封裝板后，車體底部零部件處的氣流速度有所減小，并且高速氣流在前唇處提前分離，氣流平順通過發動機艙下部，并且高速氣流與前唇分離后繼續向下流動，遠離車底部件，對車底部凸起部件的沖擊明顯減弱，減小了車體底部零部件的表面壓力，進而減小了風阻。

圖9　總壓P=0時的等值面圖對比

圖10　車體表面流線圖對比

5　風洞試驗

為評估實施優化方案后整車風阻系數是否達到預定目標，并對優化方案進行試驗驗證，在上海同濟大學風洞中心進行了風洞試驗。

在風洞試驗前，先將風阻優化方案樣件如前輪擋板、前端封裝板、前唇及冷卻部件擋板安裝在基礎車型上，同時對前格柵用膠帶進行部分密封，如圖11所示。風洞試驗最先測出的為各優化方案組合后的風阻系數，然后再測出單個優化方案對風阻系數的貢獻量，最后測出基礎車型的風阻系數。

圖11　風洞試驗樣車優化部件安裝示意

風洞試驗實測風阻系數與CFD計算風阻系數對比結果如圖12所示。

圖12　實測風阻系數與CFD計算風阻系數對比結果

由圖12可看出，通過風洞試驗得出的優化后樣車實測風阻系數比樣車原狀態實測值降低了0.021，風阻系數降低約6%。

表2為單個優化方案對風阻系數的貢獻量對比結果。

表2　單個優化方案對風阻系數的貢獻量

由表2可知，單個優化方案減阻百分比的風洞試驗結果與CFD計算結果基本一致。

通過整車風阻CFD仿真計算與風洞試驗驗證對比可知，風阻系數計算值與試驗值誤差在5%以內，表明整車空氣動力學仿真精度較高。

6　結束語

本文運用CFD方法對某轎車外流場進行了仿真分析，并通過優化方案降低了整車風阻系數，得到如下結論：

a.封堵部分格柵、減小進風格柵開口面積、增加冷卻模塊擋板能夠降低風阻，同時增加冷卻系統進風量。但是格柵過多封堵，會影響整車熱管理性能，容易造成發動機艙零部件局部高溫等，因此在項目開發中，格柵的封堵大小需要綜合考慮整車熱管理性能。

b.增加前唇可降低風阻約3.5%，在前唇方便安裝的情況下可取消前端封裝板。

c.對前輪胎導流板進行加寬加長可降低風阻約1.3%，說明輪胎擾流能夠有效減少氣流對輪胎的沖擊，改善輪胎處的高壓區，其高度和安裝位置有進一步優化空間。

d.對比CFD計算值和風洞試驗結果可知，基礎樣車與優化后樣車風阻系數誤差在5%以內，且單個優化方案減阻百分比的風洞試驗結果與CFD計算結果趨勢相當，具有相同的一致性，表明基于STAR-CCM+的整車空氣動力學仿真精度較高。

1谷正氣.汽車空氣動力學.北京：人民交通出版社，2005.

2吳軍.汽車外流場湍流模型與新概念車氣動特性的研究：［學位論文］.長沙：湖南大學，2005.

3王俊，龔旭，李義林，等.CFD技術在汽車車身設計中的應用.汽車技術，2013（4）：14～17.

4肖能，王小碧，王偉民，等.前擾流板對機艙進氣量和車輛氣動阻力的影響研究.汽車工程，2014，36（10）：1254～1257.

5Sun S，Chang Y，Fu Q，et al.Aerodynamic Shape Optimization of an SUV in early Development Stage using a Response Surface Method.SAE Technical Paper 2014-01-2445.

6Taeyoung Han，Shailendra Kaushik，Ronald Gin，Emmanuel Bot.Adjoint Method for Aerodynamic Shape Improvement. SAE Technical Paper2012-01-0167.

7王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用.北京：清華大學出版社，2004.

8傅立敏.汽車設計與空氣動力學.北京：機械工業出版社，2010.

9張英朝.汽車空氣動力學數值模擬技術.北京：北京大學出版社，2011.

10Kremheller A.The Aerodynamics Development of the New Nissan Qashqai.SAE Technical Paper2014-01-0572.修改稿收到日期為2016年7月12日。

（責任編輯文楫）

A Car Drag Reduction Optimization Research Based on STAR-CCM+

Li Lin，Lin Qiang，Chen Jianchao，Dong Mingming，Wu Di
（Changan Auto R&D Center，Changan Automobile Co.，Ltd，Chongqing 401120）

Vehicle aerodynamic simulation analysis was made to one car from Changan Auto using software STARCCM+.The key parts that affected drag coefficient were identified through simulative analysis，and the intake grille，front lip，tire baffle，cooling module baffle and the front-end enclosure were optimized，which had obvious effect reducing air drag.Test results showed that the simulation result agreed well with test results，proving validity and feasibility of vehicle aerodynamic simulative analysis.

Passenger car,Drag coefficient,Aerodynamic Simulation,Optimization

U461.1

A

1000-3703（2016）09-0004-04