某SUV車型輪眉裝飾件凸出結構對局部氣流及整車氣動阻力影響的研究

孫逸昊，付 森，家治拓哉，李思遠，趙 鐸

(一汽豐田汽車有限公司技術研發分公司 天津 300457)

1 研究背景

1.1 概述

汽車的空氣動力特性直接影響著汽車的動力性能、操作穩定性、燃油經濟性和氣動噪聲等性能，有時甚至會直接影響汽車的行駛安全[1-2]。因此，近年來各大汽車廠商越來越重視汽車空氣動力學特性的開發，其中重點研究方向包含以下幾個方面[3]：

①車輛行駛阻力、升力和側向力3個方向的氣動分力，以及側傾力矩、縱傾力矩和橫擺力矩 3個氣動分力矩，它們共同作用，對車輛的燃油經濟性、動力性能、操作穩性能等產生重要影響；

②汽車發動機艙冷卻模塊及制動器剎車盤的通風量冷卻研究；

③汽車表面壓力分布和車身表面污染物附著的研究，如傳統兩廂車和 SUV比三廂車后風窗更易沾染灰塵，需要設置后雨刷器進行清理；

④汽車氣動噪聲、口哨音等異音的產生傳播機理，如汽車后視鏡、雨刷器和天窗的風噪研究。

隨著汽車保有量的大幅增加，節能環保的理念也越來越深入人心。在車輛行駛過程中，發動機產生的動能需要克服傳動過程的相對運動摩擦力(機械損失)、輪胎與地面的滾動阻力和空氣作用于車輛的氣動阻力。當一輛轎車以高速行駛時(80km/h以上)，氣動阻力約占總阻力的一半以上，而且隨著車速的增加，氣動阻力也急劇增大?；诿绹鴩噎h保局提供的城市道路工況和高速駕駛工況進行測試，輕型轎車因克服氣動阻力所消耗的燃油占總油耗的13%，并且對于 SUV車型來講這種影響更為明顯，為此所消耗的燃油占總油耗的 22%[4]。近年來，隨著電動汽車的高速發展，降低整車風阻系數也成為提高續航里程的重要手段之一。

1.2 造型需求

為凸顯 SUV車型的越野感和硬派感，除了提升車輛動力性能和通過性能以外，在外觀造型方面也可以在顧客心中營造出相應的性能感受。例如使用如圖1所示的黑色輪眉凸顯輪胎與輪罩之間的距離，增強車輛通過性強的越野感，同時在輪眉處設計凸出結構增強硬派感，但輪眉處外觀結構的變化也會影響整車氣動阻力。輪眉處的氣流除了受車輛外形影響外，由于輪胎旋轉所產生的大量擾動氣流與主流匯合的不確定性，使得這一部分的結構對整車氣動阻力的影響也變得難以預測[5]。

圖1 SUV車輛輪眉Fig.1 SUV wheel arch

1.3 研究方案

相比較于原型車，本文從輪眉凸出量、輪眉導流斜面 2個維度對輪眉裝飾件在整車氣動阻力中的影響進行了研究，研究方案如表1所示。圖2展示了各方案在A-A斷面處的結構。

圖2 輪眉結構示意圖Fig.2 Wheel arch structure

表1 研究方案模型結構參數Tab.1 Structure parameter of study model cases

2 數值模擬仿真計算

2.1 整車計算模型

本次 CFD仿真計算使用 ANSA軟件建模提取整車外表面處各部分結構細節特征，包含前后保險杠、進氣格柵、上部車身、底護板，車輪等零部件，如圖 3所示。因為本次研究對象為車身側面的零部件，發動機艙內的流場對其影響較小，所以封閉格柵已減小建模及計算復雜度[6]。

圖3 原型車ANSA模型Fig.3 ANSA model of prototype vehicle

針對氣動阻力敏感的車身表面及尾流區設置局部網格加密域，并在車身表面設置6層邊界層以減小車身表面網格Y+值，滿足Y+值≤2的網格尺寸要求。計算域中的網格截面如圖4所示。

圖4 數值仿真模型中W0截面網格Fig.4 W0 section grid in numerical simulation model

2.2 物理模型及邊界條件

使用 StarCCM+軟件進行 CFD數值仿真模擬。選用k-ε湍流仿真模型進行穩態求解。計算中的物理模型條件及邊界條件參見表2。

表2 計算物理模型條件及邊界條件Tab.2 Physical conditions and boundary conditions

由于車輪的旋轉對整車阻力也有十分明顯的影響，故本次建模在車輪區域通過設置多重坐標系的方法(MRF)模擬車輪在道路行駛時的旋轉狀態。設置輪胎轉速時，輪胎接地面的等效線速度與地面移動速度相同[7]。

CFD數值風洞為在軟件中所確定的流體計算域，為了確保除地面以外的計算邊界不影響車輛周邊的流動狀態，應保證有足夠大的計算域范圍。本文使用的 CFD數值風洞尺寸為 55m×21m×16m，如圖5所示。

圖5 數值風洞模型示意圖Fig.5 Digital wind tunnel model

3 汽車空氣動力學風洞試驗

3.1 汽車風洞

為驗證各方案對氣動阻力真實的影響效果，對以上全部方案均進行了實車風洞試驗。試驗在中國汽車技術研究中心汽車氣動-聲學風洞實驗室進行。該風洞實驗室擁有包含中央移動帶和輪胎轉帶的五帶系統用于模擬車輛在實際道路上地面效應、車輪旋轉對整車氣動阻力的影響。與此同時，在移動帶前方及風洞入口的地面處特別設計了邊界層抽吸系統，以降低風洞出口的地面邊界層。該風洞的流場品質及六分力檢測設備精度均滿足車輛開發要求。

3.2 試驗車輛及試驗模型

在造型開發初期，為了快速驗證各方案對整車氣動阻力的影響，同時降低研究開發費用，風洞中使用的試驗模型采用泡沫紙板為材料，通過使用 1∶1圖紙制作模型骨架，再利用泡沫紙板制作表面形狀，并貼附在骨架上完成外表面實物建模。為確保重復拆裝時模型強度，使用熱熔膠將骨架與表面泡沫板進行固定，并在模型外表處使用膠布進一步增加模型強度。模型制作樣例如圖6所示。

圖6 試驗模型制作樣例(前保險杠下部結構)Fig.6 Test model example(front bumper lower structure)

在項目驗收階段最終確定造型方案后使用精度更高的快速樣件進行風洞試驗驗證。

3.3 風洞試驗條件

風洞試驗在 140km/h的入口風速條件下進行測定，同時開啟與入口風速相同的五帶模擬系統和入口邊界層抽吸系統?？刂骑L洞環境氣溫在(21±1)℃的空氣條件下完成所有方案的測定試驗。

4 CFD仿真及風洞試驗結果及分析

風阻系數CFD仿真結果與風洞試驗結果對比見表3，表中數據表示各方案與原型方案0風阻系數的差值?？梢杂^察到數據中風阻系數變化量的 CFD仿真結果比試驗結果大，說明在此 CFD計算模型下，風阻系數對輪眉結構的變化更加敏感。從圖 7可知，此模型的仿真與試驗結果高度線性相關，相關性R2= 0 .9989。所以可用此CFD仿真模型結果換算出風洞試驗結果代替風洞試驗，以對輪眉結構進行風阻系數變化量做出準確預測。

表3 風阻系數變化量仿真和試驗結果Tab.3 Simulation and test results of drag coefficient

通過圖 8觀察對比輪眉凸出量與輪眉導流斜面這2個參數對阻力系數的影響，發現輪眉凸出車身表面是導致整車氣動阻力惡化的主要原因，雖然加入導流斜面后可改善局部流動，但惡化程度依然嚴重。

通過觀察車身表面壓力系數的變化分析導致氣動阻力惡化的原因，當輪眉凸出車身表面時，氣流在凸出部位改變原有流動狀態，流動方向向車身外側偏轉并被加速，導致在輪眉倒角處局部壓力減小，見圖9中框內區域。由于原本氣流在霧燈處發生偏轉，原型輪眉結構處的氣流“隱藏”在偏轉氣流后沒有影響氣流主流流動，但輪眉凸出后該部分氣流不能繼續沿著車身表面流動，而是向車身側后方流出，導致車輛“等效正投影面積”增加，進而使得整車氣動阻力惡化，如圖 10所示。盡管加入導流斜面后可稍稍改善局部流動和減小負壓區，但由于整體導流效果的存在，其改善效果并不明顯。

圖9 前輪輪眉處壓力系數分布側視圖Fig.9 Side view of pressure coefficient distribution at front wheel arch

圖10 前輪輪眉處流線俯視圖Fig.10 Top view of streamline at front wheel arch

5 結論及展望

應用 CFD仿真建模及風洞試驗方法對某 SUV輪眉處結構對氣動阻力影響進行分析，得到了輪眉不同凸出量及導流斜面對車輛風阻系數的影響結果，結論如下：

①本文所用CFD仿真模型在預測輪眉處結構對風阻系數變化量時的結果與風洞試驗結果相關性很高，R2＝0.9989，這表明可以使用該模型進行相應性能預測；

②輪眉凸出車身表面后，由于局部氣流被導向側后方使等效“正面投影面積”增加，導致整車風阻系數急劇惡化，加入導流斜面可減小惡化量，但改善效果有限。

風洞試驗方法雖然可以更接近實際道路效果，同時也是驗證仿真結果精度的必要手段，但受風洞試驗費用大、實車模型制作周期長等因素的影響，未來可先通過 CFD仿真手段進行減阻研究，再使用風洞對方案進行驗證，以利于開發車輛空氣動力學性能。