某純電SUV氣動阻力優化

湯柱良 袁俠義 陳志夫 肖凌

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

隨著新能源技術的發展，越來越多的傳統車企及造車新勢力投入到純電車型的開發中，但是都面臨續航里程特別是高速續航里程不足的瓶頸，增大電池容量和減小整車行駛阻力成為了2個研究方向，相對于增大電池容量，減小空氣阻力具有成本低和改善高速續航效果明顯的優勢[1-2]，許多國外的汽車企業進行了相關的研究。日產的Yuji Ishihara等介紹了leaf車型的空氣動力學開發過程；特斯拉的Robert Palin等撰文介紹了特斯拉Model S的空氣動力學開發過程，重點研究了格柵進氣和車輪風阻優化；日產的Hideyuki Kawamata等研究了側風條件下的降風阻效果，分析在不同橫擺角條件下對電動車續航里程的影響，得出在橫擺角為4°時影響最大。總的來看國外電動車空氣動力學開發主要是日產和特斯拉等公司在進行開展，采用CFD仿真和風洞試驗工具，并部分考慮了實際側風工況的影響。國內介紹純電車型空氣動力學開發的車型較少，文章介紹了某純電車型的氣動阻力開發，不同區域采用的不同的工具優化。

1 分析方法

圖1示出不同階段的風阻開發工具，可知在項目立項前期以FVM穩態仿真為主，確定造型方向及主體選定的風阻建議，概念設計階段和詳細設計階段增加LBM瞬態仿真和等比例模型風洞試驗對外造型細節特征推敲和氣動附件優化，最后以ET風洞試驗結果確定最終風阻水平。

圖1 不同階段的開發工具

1.1 CFD分析工具

目前主流的CFD分析方法主要分為2種：有限體積法FVM和格子玻爾茲曼法LBM。FVM作為目前CFD領域最成熟的算法，是直接將宏觀的控制方程進行離散，然后基于傳統連續介質假設導出的NS方程求解離散方程，最后獲得宏觀的各物理量。LBM方法從微觀動力學角度出發，將連續介質看作大量位于格子節點上的離散流體質點粒子，粒子按碰撞和遷移規則在格子上運動，通過對各格子流體質點運動特征的統計，獲得流體宏觀運動規律[3-5]。文章同時采用了上述2種方法評估不同方案的效果。

表1 計算方法對比

1.2 試驗工具

對于復雜流動的模擬CFD仿真存在一定的誤差，例如車輪和下車體附件區域僅僅通過仿真方法無法評估確定優化方案的準確性，文章采用等比例模型風洞試驗的方式，均在同濟大學地面交通工具風洞中心對造型細節和氣動附件進行尋優，驗證仿真方法的準確性，風洞的技術參數可參考文獻[6]，如圖2所示。

圖2 等比例模型風洞試驗現場

試驗樣車采用1:1的等比例油泥模型和樣件裝配的方式，模型保留了冷卻芯體和機艙部件。首先在試驗前設計方案，然后風洞中通過替換樣件測試方案的貢獻量，通過在散熱芯體和車身表面布置流量和壓力測點，獲取芯體表面風速和車身表面的壓力系數。試驗現場如圖3所示。

圖3 模型機艙布置和尾部測壓點

2 概念設計階段優化

2.1 造型主題選擇

項目前期結合的造型方案選擇過程中，造型方案的迭代速度快、數量多，CFD分析結果有如下優勢：1）高效快速適應造型的變化給出評估結果；2）能夠獲得豐富的流場信息，針對具體位置的造型特征進行改善，因此在造型方案選定之前以CFD仿真為主要手段，如圖4所示。

圖4 3組造型方案風阻仿真結果

根據FVM仿真結果，從流場的角度給出優化建議。從Y0截面速度分布云圖判斷車身上下2股氣流是否均衡。A方案發動機蓋上方氣流最貼合，車頂速度最大，尾部阻力最低。B方案后擾流板較短，流經車頂的氣流下壓，造成尾部阻力較大。C方案發罩末端氣流未貼合，有較明顯的氣流分離，后擾流板較短，流經車頂的氣流下壓。3組方案的尾部流動均較差，流過車頂和車底的2股氣流平衡性較差。

從車身表面的速度分布云圖獲得車身表面速度梯度較大的位置，判斷可能發生氣流分離的位置，A方案行李架貼頂，D柱導流和后擾流板較長分離干凈；B方案車頭側面速度梯度較大，行李架不貼頂，D柱導流和后擾流板最短導致尾部風阻較大；C方案車頭側面最優，速度梯度較小。

從車身表面壓力分布和總壓為零的等值面可知，方案B前保側面存在內凹的造型特征導致前保2側的氣流無法貼合，前輪和擾流板后部的尾流區較大。

2.2 尾部概念設計方案

為了評估不同的尾部造型對空氣動力學的影響，文章采用FVM方法分析了3組尾部概念方案：1）傳統封閉擾流板2）溜背無擾流板3）鏤空擾流板。如圖5所示，相對于傳統封閉式的擾流板，溜背無擾流板方案產生尾流最小，意味著車尾產生的能量損失最小，仿真對應的風阻系數最低，擾流板封閉的方案車尾產生的尾流區域最大，車尾產生的能量損失最大。因此，文章結合造型需求確定了鏤空擾流板方案，保留側面SUV形態的同時具有與溜背車型類似的尾部流場結構，仿真結果顯示優化后的鏤空擾流板方案與不帶擾流板方案的尾部流場結構十分接近。

圖5 不同擾流板Y0截面總壓分布

等比例模型風洞試驗結果表明，相比與原始方案，溜背無擾流板方案風阻系數Cd降低0.018，鏤空擾流板方案風阻系數Cd降低0.014，與仿真結果具有較好的一致性，如表2所示。

表2 尾部優化風阻貢獻量

3 詳細設計階段優化

詳細設計階段對容易發生分離的位置如前保、尾燈、后視鏡等進行詳細優化，增加LBM仿真和等比例模型風洞試驗進行開發。

3.1 前保

采用LBM方法分析前保側面轉角位置優化，如圖6所示。通過增加側面飾板和氣流通道減少了轉角側面的氣流分離，從分析結果來看，側面飾板增大了前保側面的轉角過渡區域，減小了前保外側的分離，同時氣流也可以從飾板內側的氣流通道流出，減小了霧燈區域的壓力。

圖6 前保側面特征優化

3.2 A柱與后視鏡

如圖7所示，通過調整A柱形狀和后視鏡殼體的飽滿度，減小這2個位置局部的氣流分離，通過風洞試驗驗證A柱優化風阻系數0.0026，后視鏡優化風阻系數0.003。

圖7 A柱和后視鏡優化

3.3 其它造型細節優化

除了上述位置還對造型細節如：機艙蓋、前大燈側面轉角特征、天線外殼、后保側面形狀、尾燈等位置進行了優化，改善了上述細節位置的流場分布情況。造型方案的風阻優化貢獻量，如表3所示。

表3 造型優化風阻貢獻量

4 設計驗證階段優化

4.1 車輪氣壩

車輪氣壩是在車輪前端擋泥板位置增加導流結構，避免氣流直接沖擊車輪，以達到降低風阻的效果。由于旋轉車輪周邊的流場比較復雜[7-8]，通過CFD仿真難以準確模擬車輪附近的流場。文章主要通過風洞試驗改進氣壩的形狀，測試的參數包括Y向內外兩側的寬度l1和l2和斜坡角度α，試驗測試現場及方案如圖8和表4所示。試驗結果表明，車輪氣壩內側增大57 mm，外側寬度增大57 mm，斜坡角度62°時，最終的前輪氣壩的降阻量達到0.013，取得較好的效果。

圖8 前輪氣壩風洞測試

表4 氣壩優化風阻貢獻量

4.2 車底后護板

純電車型的下車體不存在排氣管和油箱等管路布置，而是大面積的電池覆蓋區域，保持了較好的平整度，在此基礎上覆蓋了機艙下護板、裙邊下護板和后擴散器下護板，減小下車體的風阻。

文章針對后底護板覆蓋面積和護板傾斜角度進行研究，如圖9所示，從覆蓋面積看A＞B＞C，A護板的覆蓋面積最平整，B護板后懸下擺臂位置的護板切除，C方案無護板覆蓋。進一步地，在B方案覆蓋面積的基礎上，增加了2組角度的D方案和E方案，D方案為Y0截面相對于B方案角度減小，E方案角度增大，均滿足離去角要求。

圖9 車底后護板方案

對上述方案采用FVM和LBM仿真與試驗結果進行對比，結果如圖10所示，從護板覆蓋面積分析，表明B方案的降阻效果最好，A方案后護板的覆蓋面積最完整，但是風阻比沒有護板覆蓋的C方案差，說明對于該車型后底護板覆蓋并不是越平整越好。從后底護板傾斜角度分析，后底護板傾斜角度與降低風阻的效果關聯極大，存在最優的角度。2種仿真方法模擬后底護板對風阻的影響對比可知，LBM方法的Cd變化趨勢與試驗最為一致，FVM模型風阻絕對值與試驗結果差別最小。

圖10 仿真和試驗結果對比

對比LBM方法與試驗尾部壓力系數分布情況，如圖11所示，仿真與試驗的趨勢基本一致，尾部壓力的變化趨勢與風阻系數的變化趨勢基本一致，LBM方法可以較好地獲得后底護板對風阻影響的變化趨勢。

圖11 優化前后尾部壓力分布云圖

4.3 ET車風洞試驗驗證

除了前輪氣壩和后底護板外，設計驗證階段還優化了機艙下護板、輪輞蓋板以及機艙導流罩等位置風阻，各部分附件的風阻優化量，如表5所示。

表5 車身附件優化風阻貢獻量

在ET風洞試驗階段，試驗結果表明，該車型降阻量為0.112，降低了28%，NEDC純電續航里程提升56 km，該車型達成風阻目標，如圖12所示。

圖12 ET風洞試驗現場

5 結論

文章采用CFD仿真和風洞試驗方法分析了某純電車型不同開發階段對氣動阻力的優化改進，經過外造型和氣動附件優化，整車風阻系數降低28%，結論如下：

1）等比例模型試驗能夠評估對氣動阻力影響較大的區域，如擾流板、氣壩和后底護板，獲得影響風阻系數的有效位置；

2）造型概念設計階段采用FVM空氣動力學仿真，評估不同造型方案的風阻性能，詳細設計階段增加LBM仿真和等比例模型風洞試驗評估造型細節與氣動附件等，不同的優化區域采用不同的評估方法較好地預測方案的有效性；

3）以評估后底護板為例，對比了2種仿真方法與試驗的風阻值和尾部壓力分布，發現LBM可以較好地評估后底護板形狀及位置的變化對風阻的影響，變化趨勢更為一致，FVM則與試驗結果絕對值更加接近，可以更好地評估整車風阻水平；

4）提供了一種外造型及氣動附件優化的風阻開發方法，積累了模型風洞試驗經驗，為后續純電車型的風阻開發提供借鑒。