一種低風(fēng)阻汽車后保險(xiǎn)杠的數(shù)值模擬

陳濤，黃領(lǐng)，魏家星，吳澤勛，郝慶全

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一種低風(fēng)阻汽車后保險(xiǎn)杠的數(shù)值模擬

陳濤，黃領(lǐng)，魏家星，吳澤勛，郝慶全

（浙江吉智新能源汽車科技有限公司，浙江 杭州 311225）

為解決汽車沒(méi)有底盤(pán)后部護(hù)板情況下風(fēng)阻較高問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種可降低風(fēng)阻的后保險(xiǎn)杠。計(jì)算了兩種離地間隙下兩種保險(xiǎn)杠的流場(chǎng)，并分析了低風(fēng)阻后保險(xiǎn)杠比原后保險(xiǎn)杠風(fēng)阻低的原因。兩種離地間隙下低風(fēng)阻后保險(xiǎn)杠相比原后保險(xiǎn)杠可顯著降低風(fēng)阻。

汽車；風(fēng)阻；后保險(xiǎn)杠

前言

為降低汽車風(fēng)阻系數(shù)，汽車底部應(yīng)盡量平順，加底部護(hù)板[1-2]。但加底部護(hù)板在降低風(fēng)阻的同時(shí)也會(huì)增加成本。其中以后懸架護(hù)板及底盤(pán)后部護(hù)板結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，大多數(shù)汽車出于成本考慮都沒(méi)有安裝這兩種護(hù)板。為在沒(méi)有后懸架護(hù)板及底盤(pán)后護(hù)板的情況下降低風(fēng)阻，改進(jìn)了原后保險(xiǎn)杠造型，設(shè)計(jì)了一種低風(fēng)阻后保險(xiǎn)杠。對(duì)這種低風(fēng)阻后保險(xiǎn)杠進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并在兩個(gè)后保離地間隙下與原后保險(xiǎn)杠進(jìn)行了比較。計(jì)算表明在沒(méi)有后懸架及底盤(pán)后部護(hù)板的情況下這種低風(fēng)阻后保險(xiǎn)杠能顯著降低風(fēng)阻。

1 網(wǎng)格及計(jì)算模型

1.1 汽車模型及網(wǎng)格

如圖1所示，計(jì)算模型有發(fā)動(dòng)機(jī)艙下護(hù)板，沒(méi)有后懸架護(hù)板及底盤(pán)后護(hù)板。為保證計(jì)算精度，車身外形表面進(jìn)行了細(xì)致的網(wǎng)格劃分。而發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部及底部零件，進(jìn)行了適度簡(jiǎn)化。

圖1 車身及底盤(pán)數(shù)模

如圖2所示，計(jì)算域長(zhǎng)50m，寬20m，高12m。采用多層加密域，第一層加密域網(wǎng)格尺寸16mm，后視鏡及后擾流板處局部加密至8mm。在車身表面劃分5層邊界層網(wǎng)格，第一層厚度1mm。

圖2 體網(wǎng)格Y=0截面示意圖

1.2 物理模型及邊界條件

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+進(jìn)行CFD計(jì)算。因?yàn)槠嚳諝鈩?dòng)力學(xué)屬于低速空氣動(dòng)力學(xué)，流場(chǎng)設(shè)置為三維不可壓縮等溫流場(chǎng)[3]。穩(wěn)態(tài)計(jì)算。考慮渦流因素影響和低雷諾數(shù)效應(yīng)，采用Realizable k-ε湍流模型[4]。此模型引入旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)內(nèi)容，在汽車風(fēng)阻計(jì)算中有較好收斂性和精度[5]。

機(jī)艙內(nèi)散熱器元件采用多孔介質(zhì)模型，多孔介質(zhì)模型的慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)根據(jù)試驗(yàn)值擬合。

邊界條件采用速度入口，壓力出口。入口風(fēng)速100km/h，壓力出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

流場(chǎng)地面、兩側(cè)及上壁面均設(shè)置為滑移壁面。車身及各零部件設(shè)置為非滑移壁面。

2 后保險(xiǎn)杠造型

低風(fēng)阻后保相對(duì)于原后保，區(qū)別在于后保險(xiǎn)杠前端增加了導(dǎo)流曲面。

（a）原后保 （b）低風(fēng)阻后保

3 計(jì)算工況

汽車后保險(xiǎn)杠位置高低往往要從兩方面加以考慮。一個(gè)是離地間隙和離去角，一個(gè)是對(duì)底盤(pán)零件的有效遮擋保證美觀要求。對(duì)于汽車風(fēng)阻來(lái)說(shuō)，一般后保離地間隙越高風(fēng)阻越小。但受有效遮擋底盤(pán)保護(hù)零件及美觀要求的限制，后保離地間隙高度不能過(guò)高。離地間隙也會(huì)影響低風(fēng)阻后保的降風(fēng)阻效果，因此在兩種不同的后保離地間隙對(duì)低風(fēng)阻后保和原后保進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，離地間隙分別為130mm和189mm。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)后保險(xiǎn)杠前端導(dǎo)流曲面的目的，一是遮擋一部分沖擊氣流，減少對(duì)后保內(nèi)部的沖擊，降低后保內(nèi)部壓強(qiáng)。二是導(dǎo)流曲面氣流加速，壓強(qiáng)降低，在導(dǎo)流曲面產(chǎn)生負(fù)壓。三是使下保表面附近氣流速度更高，改善車尾處流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，減少流動(dòng)損失，增加尾部背壓。從后面得計(jì)算結(jié)果及流場(chǎng)分析看，設(shè)計(jì)目旳得到充分實(shí)現(xiàn)，風(fēng)阻顯著降低。

4.1 計(jì)算結(jié)果

下表是后保離地間隙130mm和189mm時(shí)低風(fēng)阻后保和原后保的整車風(fēng)阻系數(shù)。在兩種離地間隙下低風(fēng)阻后保的風(fēng)阻系數(shù)相對(duì)于原后保有明顯降低。

表1 風(fēng)阻系數(shù)分析結(jié)果

4.2 后保離地間隙130mm流場(chǎng)分析

圖4為后保離地間隙130mm時(shí)的壓強(qiáng)云圖。從圖4中可以看到，低風(fēng)阻后保內(nèi)部壓強(qiáng)低于原后保。前端導(dǎo)流面壓力為負(fù)壓。

圖4 后保離地間隙130mm壓強(qiáng)云圖

如圖4、圖5所示，低風(fēng)阻后保下表面空氣速度較快，改善尾渦結(jié)構(gòu)，減少流動(dòng)損失。低風(fēng)阻后保汽車尾部背壓高于原后保汽車尾部背壓。

圖5 后保離地間隙130mm速度云圖及卷積圖

4.3 后保離地間隙189mm流場(chǎng)分析

對(duì)比圖7和圖5，可以看到離地間隙189mm時(shí)，后保內(nèi)部受到的氣流沖擊速度較小。所以無(wú)論低風(fēng)阻后保還是原后保，內(nèi)部壓強(qiáng)都小于離地間隙130mm時(shí)，如圖6和圖4所示，風(fēng)阻系數(shù)也更低（表1）。

圖6 后保離地間隙189mm壓強(qiáng)云圖

圖7 后保離地間隙189mm速度云圖及卷積圖

如圖6所示，離地間隙130mm時(shí)，低風(fēng)阻后保的內(nèi)部壓強(qiáng)同樣小于原后保，前端導(dǎo)流面壓力同樣為負(fù)壓。如圖6、圖7所示，低風(fēng)阻后保的下表面附近空氣流速同樣高于原后保，改善了尾渦結(jié)構(gòu)，從而減少流動(dòng)損失，使低風(fēng)阻后保尾部背壓同樣高于原后保。說(shuō)明后保離地間隙更高時(shí)，低風(fēng)阻后保同樣有降低風(fēng)阻的作用。但在后保附近風(fēng)速較高時(shí)，低風(fēng)阻后保前端導(dǎo)流面遮擋部分沖擊氣流減少后保內(nèi)部壓強(qiáng)的所用更明顯，所以后保位置越低時(shí)低風(fēng)阻后保的降阻效果越大。

5 結(jié)論

本文提出的低風(fēng)阻后保，可以在沒(méi)有后懸架護(hù)板和底盤(pán)后護(hù)板、不增加成本的基礎(chǔ)上降低風(fēng)阻。后保離地間隙增加可降低風(fēng)阻，但出于遮擋后部底盤(pán)要求，后保離地間隙不同車型有一定要求，不能不受限制增加。在后保離地間隙較大和后保離地間隙較小的情況下，低風(fēng)阻后保都能顯著降低風(fēng)阻，但后保險(xiǎn)杠離地間隙越低時(shí)降阻效果越明顯。目前汽車市場(chǎng)上絕大多數(shù)車型都沒(méi)有后懸架護(hù)板和底盤(pán)后護(hù)板，采用本文中的低風(fēng)阻后保將起到降低風(fēng)阻，降低油耗，節(jié)能減排的作用。

[1] 劉雅坤,丁建軍.超低風(fēng)阻系數(shù)是怎樣煉成的[J].世界汽車,2013(4): 42-45.

[2] 杜春英,康獻(xiàn)民,游志偉等.汽車底盤(pán)護(hù)板的空氣動(dòng)力學(xué)特性探討[J].汽車實(shí)用技術(shù), 2013(10): 10-14.

[3] 谷正氣.汽車空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:人民交通出版社, 2005: 80-115.

[4] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:80- 115.

[5] 梁建永,梁軍,范士杰等.轎車外流場(chǎng)CFD分析中常用k-ε湍流模型的對(duì)比[J].汽車工程, 2008, 30(10): 847-852.

Numerical Simulation of a Kind of Car Rear Bumper with Low Wind Resistance

Chen Tao, Huang Ling, Wei Jiaxing, Wu Zexun, Hao Qingquan

( Zhejiang Ji Zhi New Energy Automotive Technology CO., LTD, Zhejiang Hangzhou 311225 )

A kind of a car rear bumper with low wind resistance is designed to solve the problem that the drag coefficient of a car without back chassis board is high. The flow fields of the rear bumper with low wind resistance and the original rear bumper are got by numerical computations in two rear bumper ground clearances and the reason of the wind resistance of the low wind resistance bumper is lower than the original one in analyzed. The drag coefficient reduce obviously in two ground clearance.

Car; Wind Resistance; Rear Bumper

B

1671-7988(2019)03-98-03

U461.1

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1671-7988(2019)03-98-03

U461.1

陳濤，（1977.11-）博士，就職于浙江吉智新能源汽車科技有限公司，研究方向?yàn)槠嘋FD。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.030