某MPV 車型氣動外形優(yōu)化與試驗驗證

胡錫挺

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

隨著居民消費水平提高，人均汽車保有量在不斷上升，尾氣排放對環(huán)境污染越來越嚴重，全球迎來了節(jié)能減排的挑戰(zhàn)；如何降低燃油消耗率是汽車設計開發(fā)領域的難點之一，大量研究表明降低整車風阻非常有利于減少整車燃油消耗率[1-9]。Ahmed 等[10]使用整車油泥模型進行了空氣動力學方面的研究[10]，獲取不同車身外造型下的整車風阻數(shù)據(jù)，但是因整車油泥模型簡單，缺失前格柵、機艙內(nèi)部結構、底盤結構、車身尾部等的局部細小特征，導致整車油泥試驗數(shù)據(jù)與實際測試結果差異大。隨著科學技術發(fā)展與進步，電腦硬件與仿真軟件技術水平也取得飛躍發(fā)展，為更精細的汽車模型用于空氣動力學研究提供了便利條件[11-13]。在高速行駛時空氣阻力是行駛阻力的主要構成部分，因此整車設計開發(fā)初期階段需要優(yōu)化汽車外造型及附件設計開發(fā)以減少汽車行駛阻力降低燃油消耗率。優(yōu)化汽車外造型不僅有利于減低油耗而且還能增強汽車駕駛穩(wěn)定性，還給駕駛員帶來不同駕駛體驗[14，15]。開發(fā)的整車外造型既需實現(xiàn)更低的整車風阻又需滿足大眾的審美觀，這對設計開發(fā)人員提出更高的挑戰(zhàn)，因此設計開發(fā)人員需要運用CFD 仿真分析方法來迎接這一挑戰(zhàn)。

本研究采用CFD 仿真分析方法對某MPV 車型外造型進行研究，針對不同設計階段進行整車風阻仿真，向設計工程師提供優(yōu)化設計建議，經(jīng)過多輪次仿真優(yōu)化求解出滿足最低整車風阻設計目標的方案，然后按1∶1 比例試制樣車模型進行風洞試驗；風洞試驗數(shù)據(jù)表明：CFD 仿真分析的結果與試驗數(shù)據(jù)吻合，符合工程設計相關誤差要求。

1 研究方法

1.1 流體力學的基本方程

流體力學不僅需遵守流體質(zhì)量、能量和動量守恒定律，還遵守流體的熱力學定律以及其他物理特性，可表達式為流體的流動基本方程[16]。

一般汽車行駛時車外空氣流動速度遠小于1 馬赫數(shù)，通常可作為非定常的不可壓縮流體。由于汽車外造型復雜導致流過車身的氣體出現(xiàn)分離現(xiàn)象，且伴隨著強烈的湍流，故整車外流場仿真分析應按湍流現(xiàn)象來處理，其控制方程組為：

1.2 湍流模型的方程式

汽車空氣動力學涵蓋流體附著、局部分離流、邊界層轉捩等流體物理現(xiàn)象，屬于高度復雜的高雷諾數(shù)繞流的范疇。為保證對旋轉、分離等強三維流動特性的仿真精度，在兩方程框架中SSTk-ω湍流模型與Realizablek-ε湍流模型常被引入到汽車空氣動力學的仿真分析中[17]。

k-ω湍流模型的湍動能k與ω的運輸方程[18]為

式中：u為平均速度，μ為動力黏度系數(shù)，fβ*為自由剪切修正因子，fβ為渦旋拉伸修正因子，源項為Sk和Sω，抵消湍流衰減的環(huán)境湍流值為ω0和k0。

k-ε湍流模型湍動能k和耗散率ε的運輸方程[19]為

式中：u為平均速度，μ為動力粘度系數(shù)，f2為阻尼函數(shù)，Sk、Sε為源項。ε0是源項中抵消湍流衰減的環(huán)境湍流值[20]，施加環(huán)境源項對應定義了特定的時間尺度T0：

其中Ct為模化系數(shù)。

1.3 整車仿真模型建立

依據(jù)在不同設計階段設計工程師提供整車模型，采用Hypermesh 軟件對整車CAD 進行幾何前處理并，在幾何前處理過程中對外流場影響可忽略不計的特征進行簡化處理，經(jīng)處理后的整車幾何模型如圖1所示，將幾何模型導入STAR-CCM+分析軟件中進行包面并劃分面、體網(wǎng)格，同時建立仿真虛擬風洞場景（圖2），該風洞的長度為整車長度的11 倍，寬度為整車寬度5 倍，高度為整車高度5 倍，整車固定于距離洞口的3 倍車長、貼于地面且處于左右壁面的中間處，最后對接近分析特征的部分氣流區(qū)域進行網(wǎng)格加密。設定汽車行駛速度為120 km/h，采用κ-ε（Realizable K-Epsilon）湍流模型，迭代計算3000 步后達到收斂。

圖1 幾何表面

圖2 虛擬風洞

2 原始模型外流場分析

通過觀察圖3 車身壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)，前保險杠、進氣格柵與前擋風玻璃的壓力較大，呈現(xiàn)負壓區(qū)域的主要有車身尾部、大燈附近區(qū)域和A 柱附近區(qū)域。通過觀察圖4 車身周圍速度跡線圖可以發(fā)現(xiàn)：氣流經(jīng)過車尾后形成渦流，同樣在后視鏡附近也出現(xiàn)少量氣流被打亂的現(xiàn)象。

圖3 車身壓力云圖

圖4 車身周圍速度跡線圖

3 降阻方案研究

為了降低整車風阻，一般的工程手段是減少汽車的迎風面積，避免氣流分離和提升車身尾部壓力[21]。本研究通過對上一階段的幾何模型進行CFD 仿真優(yōu)化分析，給出了低整車風阻的最優(yōu)方案組合。

3.1 中間底護板后端翻邊加高

中間底護板后端翻邊對防止來流灌入后懸架與后輪有重要意義，如圖5 為中間底護板后端翻邊加高后的示意圖，圖6 為中間底護板后端翻邊加高前，截面y =0 的湍動能圖，圖7 為中間底護板后端翻邊加高后，截面y= 0 的湍動能圖，經(jīng)過兩圖對比可以看出：加高護板翻邊可以減小后懸架及后輪附近湍動能，改善整車底部流場狀態(tài)及優(yōu)化尾部壓力分布情況，非常有效降低整車風阻。

圖5 中間底護板后端翻邊加高后幾何示意圖

圖6 中間底護板后端翻邊加高前湍動能圖

圖7 中間底護板后端翻邊加后湍動能圖

3.2 后輪馬蹄加寬

后輪馬蹄的高度對阻止氣流灌入后輪輪罩內(nèi)有很大的影響，避免氣流灌入輪罩，可以采用加寬馬蹄輪罩的措施，優(yōu)化后的后輪馬蹄結構如圖8 所示，優(yōu)化前、后在z= 0 截面位置的速度矢量如圖9、10 所示，經(jīng)對比分析可發(fā)現(xiàn)流入前輪罩內(nèi)氣流減少，降低了后輪附近的壓力，減少了后輪處風阻。

圖8 后輪馬蹄優(yōu)化后示意圖

圖9 后輪馬蹄優(yōu)化前速度矢量圖

圖10 后輪馬蹄優(yōu)化后速度矢量圖

3.3 優(yōu)化進氣格柵

汽車前端冷卻氣流對于發(fā)動機和前艙各部件的冷卻至關重要，足夠的冷卻氣流才能夠保證前艙各個零部件和子系統(tǒng)在合適的溫度下正常運轉，但是冷卻氣流所帶來的前艙內(nèi)流阻力也是整車氣動阻力的主要來源之一，大約占到整車氣動阻力的12%[22]，有效控制進入前艙的氣流也是降低整車風阻的重要措施之一，因此需合理設計進氣格柵開口來滿足車輛在高速工況下進入前艙的冷卻氣流流量。進氣格柵是控制氣流進入機艙內(nèi)部的部件，優(yōu)化進氣格柵使得進入機艙內(nèi)氣流減少，有利于減小機艙內(nèi)湍動能損失。但前進氣格柵也是影響發(fā)動機散熱部件之一，進氣格柵開口大小會直接影響外部流入前艙內(nèi)的氣流量，尤其是速度相對較高的工況下，如果在這樣的工況下前端進風量無法滿足前艙散熱需求，往往需要增加格柵開口面積來增加進氣量。經(jīng)仿真分析綜合考慮得到了如圖11 的優(yōu)化結果。通過對比分析如圖12、如圖13 優(yōu)化前后的湍動能圖可以得出：減小機艙內(nèi)部湍動能，有利于降低整車風阻。

圖11 前進氣格柵優(yōu)化后示意圖

圖12 優(yōu)化前的汽車前端湍動能圖

圖13 優(yōu)化后的汽車前端湍動能圖

3.4 加大導風刃

汽車尾渦是一個主要的阻力源，通過調(diào)整汽車尾渦提升車尾部附近的背壓以實現(xiàn)整車降阻，從局部來看，控制氣流分離的位置、速度和方向，可以通過調(diào)節(jié)后擾流板的長度和角度、調(diào)節(jié)后保下邊緣的高度和方向、在D 柱處增加導風刃長度的方式來調(diào)節(jié)氣流分離時的狀態(tài)，從而調(diào)整尾渦分布，控制尾渦區(qū)的橫向和縱向尺度，使中央對稱面上的上下渦平衡分布，并且盡量遠離車身，可使背部壓力回升，利于降阻。因前部氣流流動的效果都會在尾渦分布上體現(xiàn)出來，因此MPV 車型的尾渦結構不僅受到上、下氣流的影響，也受到左、右氣流的影響，特別是受到D 柱分離的氣流及其形成的三維拖拽渦的影響，在D 柱角度下（約30°），尾渦結構會發(fā)生改變，導致背部壓力急劇降低，整車阻力上升。

加大導風刃可以減少經(jīng)過車身側面的氣流與經(jīng)過車尾的其他氣流發(fā)生碰撞，減少了尾渦的產(chǎn)生，從而使得車尾負壓區(qū)壓力提高，使車身總體阻力減少，圖14 為加大導風刃后的示意圖。圖15、圖16 分別為優(yōu)化前、后的導風刃速度矢量圖，對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的導風刃減少了尾渦，有利于降低風阻。

圖14 優(yōu)化后的導風刃幾何示意圖

圖15 優(yōu)化導風刃前的速度矢量圖

圖16 優(yōu)化導風刃后的速度矢量圖

3.5 加強導流板密封性

為了減少機艙內(nèi)流場對整車風阻的影響，需做汽車前端進氣導流與密封，以優(yōu)化機艙內(nèi)流場使散熱氣流利用率最大化，實現(xiàn)通過散熱器氣流的均勻流動，減少機艙內(nèi)的泄露，以及減少從機艙流出氣流與外部氣流的相互作用。

導流板主要作用是將進入通過主動進氣格柵的氣流導入散熱器，減少氣流竄入散熱器四周，避免氣流在主動進氣格柵與散熱器之間形成紊流。優(yōu)化后的前端密封結構如圖17 所示。通過分析對比如圖18、圖19 優(yōu)化前、后的速度矢量圖，明顯可以看出，優(yōu)化后的前端密封將氣流較為平穩(wěn)地通過散熱器，從而降低了整車風阻。

圖17 優(yōu)化后的密封圈幾何示意圖

圖18 優(yōu)化前的速度矢量圖

圖19 優(yōu)化后的速度矢量圖

3.6 平整底護板

底護板是影響車身底部氣流的一個重要部件，加裝底護板可以避免氣流撞擊油箱等車底部件發(fā)生氣流紊亂，產(chǎn)生氣動噪聲與升力，加裝底板會改善高速時整車底部流場，經(jīng)仿真分析得出如圖20 所示的優(yōu)化方案，通過觀察對比圖21、圖22 優(yōu)化前后的底護板柵湍動能圖可以發(fā)現(xiàn)：原來在油箱前部產(chǎn)生的湍動能幅值大幅降低，后懸架部分湍動能也有所下降，整車風阻下降。

圖20 優(yōu)化后的底護板幾何示意圖

圖21 優(yōu)化前的底護板柵湍動能圖

圖22 優(yōu)化后的底護板湍動能圖

以上分析研究表明在底盤中部增加平整底護板有效降低整車風阻系數(shù)。此外，當?shù)妆P流速增加時，整車上、下表面壓差減小使得車身下壓力增加，能有效改善整車高速操穩(wěn)性能。因此在進行底盤中部導流板設計時，在不影響整車通過性的盡可能去滿足底盤平整化。

4 整車優(yōu)化分析

圖23、圖24 分別為優(yōu)化前、后Y= 0 截面的整車湍動能圖，通過對比兩圖可以發(fā)現(xiàn)，前唇上的湍動能有所下降，前唇下表面氣流更加貼合表面，有利于減阻；車身底護板使得氣流更加平穩(wěn)流過車底，減少了油箱與后懸架的湍動能，對減阻起到一定作用；觀察車尾部分，后擋玻璃及車尾部后方渦旋氣流距離車尾較遠，減少了負壓對車尾的拖拽阻力。通過對影響風阻較大的6 個關鍵部件進行優(yōu)化，將原模型風阻系數(shù)為0.323 下降到0.300，同比下降7.1%。

圖23 優(yōu)化前整車湍動能圖

圖24 優(yōu)化后整車湍動能圖

5 風洞試驗

本研究所使用的風洞為中汽研汽車回流式風洞，該風洞尺寸為8 m × 4 m × 2.2 m，收縮比為5.21，風扇主機功率為1000 kW。該風洞掃描測量運用較為先進的PSI 多點壓力掃描，打破了傳統(tǒng)只能使用單點掃描的局面，同時該系統(tǒng)也支持96 通道對車身壓力測量。本次進行試驗的是試制車型，圖25 為本次風洞試驗模型。

圖25 風洞試驗模型

風洞對該車在不同車速下的風阻進行測試，通過曲線擬合得到不同車速下阻力系數(shù)變化趨勢圖，如圖26 所示。通過觀察圖26 可以得出：車速與氣動阻力成反比關系，在高車速下，氣動阻力反而下降。本次試驗取車長的1.533 m 作為特征長度，空氣動力黏度系數(shù)為17.9*10-6Pa·s，通過換算可得雷諾數(shù)為4.32*106，通過翻閱文獻[23]，文獻指出：自準區(qū)的范圍為雷諾數(shù)大于5*106，通過擬合計算得到雷諾數(shù)與氣動阻力系數(shù)如圖27 所示，在進入自準區(qū)時的整車風阻阻力系數(shù)為0.299。該車型在車速為120 km/h 時，根據(jù)經(jīng)驗可推算出整車風阻系數(shù)約為0.297。

圖26 車型在不同車速下的阻力系數(shù)變化趨勢圖

圖27 氣動阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關系圖

6 結論

通過CFD 仿真與風洞試驗相結合的模式，對某MPV 車型進行空氣動力學CFD 仿真分析，優(yōu)化了車身外形，并結合底部中間護板翻邊加高、后輪馬蹄擾流板、進氣格柵、導風刃、前端密封以及平整底護板進行了優(yōu)化。雖然該車型受造型風格限制條件優(yōu)化空間小，但通過整車CFD 仿真分析優(yōu)化后，相比第一版造型風阻系數(shù)降低了0.030，與上代車型相比，風阻優(yōu)化了0.014。經(jīng)風洞試驗驗證，可得出如下結論：

（1）單個最佳風阻部件外形組合并不能取得最佳風阻外形，各個部件相互影響，仿真與試驗值的壓力分布趨勢比較一致，結果吻合度較高，仿真分析結果值得信任。

（2）先采用CFD 仿真分析方法對氣動外形分析，再使用風洞試驗驗證，既證明了CFD 仿真分析方法的可靠性，也節(jié)約車型開發(fā)驗證費用。

（3）采用CFD 仿真分析方法得到的結果與仿真分析方法和試驗相結合分析對氣動外形進行研究得到的結果，對比兩者結果誤差為3.1%，在工程實踐誤差允許范圍之內(nèi)。因風洞集氣口結構形式存在會導致測試段后部局部壓力升高，導致仿真值與試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。另仿真時邊界條件為開放路面，不存在壁面及阻塞效應對車身后部壓力的影響，這也是導致誤差產(chǎn)生原因之一。

在整車風阻仿真優(yōu)化過程中通過仿真指導試驗，利用試驗驗證仿真，兩者在整個開發(fā)過程相輔相成。本研究所涉及的優(yōu)化方案均有試驗數(shù)據(jù)的支撐，為后續(xù)的低風阻車型開發(fā)提供理論與實踐數(shù)據(jù)支持。