汽車風(fēng)阻分析與外形優(yōu)化研究進(jìn)展

王淳正

摘 要：隨著人們生活水平的日益提高，我國(guó)汽車的保有量也是逐年增長(zhǎng)，汽車污染問(wèn)題受到越來(lái)越大的關(guān)注。由于汽車風(fēng)阻是汽車行駛阻力的主要來(lái)源，降低汽車風(fēng)阻是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要方式。本文研究了汽車阻力的來(lái)源，各外形設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)阻的影響。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣格柵，底盤(pán)等為影響整車風(fēng)阻的關(guān)鍵因素；輪眉，車門(mén)把手等為次要因素，對(duì)影響風(fēng)阻的關(guān)鍵因素加以改進(jìn)能有效降低汽車的能耗，并通過(guò)比亞迪“漢”的成功案例給出降阻方案的應(yīng)用。本文對(duì)汽車風(fēng)阻研究具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：低風(fēng)阻外形 降阻設(shè)計(jì) 汽車風(fēng)阻

Research Progress in Automobile Wind Resistance Analysis and Shape Optimization

Wang Chunzheng

Abstract：With the improvement of people's living standards， the ownership of automobiles in China is also increasing year by year， and the problem of automobile pollution has received more and more attention. Since automobile wind resistance is the main source of automobile driving resistance， reducing automobile wind resistance is an important way to achieve energy saving and emission reduction. In this paper， the sources of automobile resistance and the influence of each shape design on wind resistance are studied. Through the study， it is found that the air intake grille and chassis are the key factors affecting the wind resistance of the whole vehicle. Wheel fenders， door handles， etc. are secondary factors， and improving the key factors affecting wind resistance can effectively reduce the energy consumption of automobiles， and give the application of drag reduction scheme through the successful case of BYD "Han". This paper has certain reference value for the study of automobile wind resistance.

Key words：low wind resistance shape， drag reduction design， automotive wind resistance

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的生活水平日益提高，汽車成為家家戶戶的“必需品”，人們對(duì)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性有了更高的要求。汽車所受的風(fēng)阻是油耗高的重要因素，相關(guān)研究表明，當(dāng)汽車時(shí)速達(dá)到70km/h時(shí)，整輛車的氣動(dòng)阻力占總阻力的比率迅速提高。因此，汽車的低風(fēng)阻外觀設(shè)計(jì)不僅可以提升汽車的動(dòng)力性與舒適性，更能改善燃油經(jīng)濟(jì)性，減少能源消耗以應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的能源危機(jī)問(wèn)題。在現(xiàn)有的研究中，大致分為車前端、車身側(cè)面、底盤(pán)與車尾，每個(gè)部分都會(huì)對(duì)汽車風(fēng)阻產(chǎn)生影響，找出影響汽車風(fēng)阻的各個(gè)因素并加以改進(jìn)就能大幅降低其風(fēng)阻。

本文首先分析了汽車行駛時(shí)所受的空氣阻力的構(gòu)成和風(fēng)阻系數(shù)。通過(guò)把汽車分為四部分——車前端、車身側(cè)面、底盤(pán)以及車尾，逐個(gè)部分找出影響汽車風(fēng)阻的因素，通過(guò)對(duì)每個(gè)影響因素的研究，找出主要影響因素與次要因素。在此基礎(chǔ)上以比亞迪“漢”成功的低風(fēng)阻外觀設(shè)計(jì)為例進(jìn)行實(shí)際分析。本文對(duì)汽車的降阻設(shè)計(jì)研究具有一定的參考價(jià)值。

2 空氣阻力與風(fēng)阻系數(shù)

汽車在行駛過(guò)程中需要確保自身動(dòng)力能夠克服外界所帶來(lái)的行駛阻力。汽車行駛阻力的來(lái)源可分為：坡度阻力、加速阻力、滾動(dòng)阻力和空氣阻力。由于坡度阻力只存在于上坡行駛，加速阻力只存在于加速行駛。汽車降阻應(yīng)主要注重滾動(dòng)阻力和空氣阻力，其中空氣阻力是汽車在正常行駛過(guò)程所受的主要阻力。

空氣阻力由以下五部分構(gòu)成：

（1）摩擦阻力—根據(jù)空氣流體力學(xué)所研究的結(jié)果，汽車表面附有很薄的一層空氣，附面層與空氣流層之間存在速度梯度[1]。空氣所具有的粘性導(dǎo)致汽車表面各層空氣之間產(chǎn)生摩擦力，即摩擦阻力。

（2）壓差阻力—空氣流過(guò)汽車后，汽車前后兩端形成壓力差形成了壓差阻力。

（3）干擾阻力—因?yàn)榭諝饩哂姓承裕囁怀龅耐庥^件會(huì)產(chǎn)生分離現(xiàn)象和渦流。分離現(xiàn)象和渦流會(huì)耗散能量，產(chǎn)生了干擾阻力。

（4）內(nèi)部阻力—空氣通過(guò)進(jìn)氣格柵流入車內(nèi)，保證汽車內(nèi)部空氣流通以及滿足機(jī)艙動(dòng)力需求，這部分阻力即內(nèi)部阻力。圖1為汽車內(nèi)循環(huán)阻力圖。

（5）誘導(dǎo)阻力—誘導(dǎo)阻力主要與升力相關(guān)，由于汽車上下形狀不同，氣流流速不同所以形成升力。

以上五部分共同構(gòu)成了空氣阻力，計(jì)算空氣阻力時(shí)使用公式[1]。

其中CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ρ為空氣密度；ua為行駛速度。

在汽車高速行駛時(shí)，空氣阻力甚至占到總阻力的85%。為了提升燃油經(jīng)濟(jì)性，減少能源消耗，降低所受的空氣阻力至關(guān)重要。由公式可知，風(fēng)阻系數(shù)是決定空氣阻力最重要的因素。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)風(fēng)阻系數(shù)從0．35降低到0．26時(shí)，汽車的最高時(shí)速可以從189km／h提升到199km／h，變化趨勢(shì)如圖2。

由公式可知，降低空氣阻力主要是降低汽車的風(fēng)阻系數(shù)，可以通過(guò)改變車身形態(tài)，改善外觀件等均能減少風(fēng)阻系數(shù)。

3 影響汽車風(fēng)阻的因素

汽車的造型經(jīng)歷了巨大的轉(zhuǎn)變，早期汽車造型設(shè)計(jì)并沒(méi)有考慮汽車風(fēng)阻，最開(kāi)始的汽車造型甚至沒(méi)有車頂，經(jīng)過(guò)科技的不斷進(jìn)步，汽車空氣動(dòng)力學(xué)的不斷發(fā)展與演化，汽車造型逐漸趨向于流線型。每次汽車造型的改進(jìn)都與降低汽車風(fēng)阻系數(shù)的研究同步，從箱型、流線型、船型到魚(yú)型和契型，從最初的1.0到現(xiàn)在的0.23，汽車低風(fēng)阻化得到巨大的提升。圖3為汽車風(fēng)阻系數(shù)隨時(shí)間的變化。

根據(jù)研究顯示，作用在汽車上的空氣，有35%-40%從車身上面流過(guò)；10%-15%從底盤(pán)流過(guò)，25%從車身側(cè)面流過(guò)，還有20%作用在汽車的尾部[4]。空氣阻力作用在車身各部分，其中車前端占空氣阻力總量的25-30%；車身側(cè)面占空氣阻力總量的5%-10%；車底部占空氣阻力總量的10-15%；車后端占空氣阻力總量的55-65%。因此可以把影響汽車風(fēng)阻的因素分成四個(gè)部分進(jìn)行研究，分別是車前端，車身側(cè)面，底盤(pán)以及車尾。

3.1 車前端

3.1.1 進(jìn)氣格柵

在對(duì)各主要迎風(fēng)區(qū)域的風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，前保系統(tǒng)對(duì)整車風(fēng)阻的影響非常大。因?yàn)樵谲囕v行駛過(guò)程中，車輛最先接觸到空氣的部分是前保系統(tǒng)，其中進(jìn)氣格柵是前保系統(tǒng)的重要組成部分，進(jìn)氣格柵是為了保證機(jī)艙內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的散熱。空氣進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)流經(jīng)機(jī)艙內(nèi)零部件時(shí)產(chǎn)生能量的損失，進(jìn)而產(chǎn)生了風(fēng)阻。因?yàn)檫M(jìn)氣格柵不僅是車輛行駛時(shí)與空氣正面接觸的主要部分，還是車外與發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣壓分界點(diǎn)，所以進(jìn)氣格柵是產(chǎn)生風(fēng)阻的主要影響因素。

對(duì)于燃油車型還不能完全做到去除前保格柵，可以采用主動(dòng)進(jìn)氣格柵設(shè)計(jì)，可在需要時(shí)打開(kāi)，不需要時(shí)關(guān)閉，并能控制調(diào)節(jié)近氣大小。很多豪華品牌如奔馳C級(jí)等已經(jīng)采用了這項(xiàng)設(shè)計(jì)。對(duì)于新能源純電動(dòng)車型，除了保留必須的散熱口，應(yīng)盡可能去除進(jìn)氣格柵，使前保系統(tǒng)平整化，這將大大降低汽車的風(fēng)阻。

3.1.2 前風(fēng)窗傾角

前風(fēng)窗傾角是前風(fēng)窗與豎直面間的夾角c，如圖5所示。

增大汽車前風(fēng)窗的傾角，可以使得前風(fēng)窗和發(fā)動(dòng)機(jī)罩的夾角增大，使空氣流動(dòng)更加順暢，從而減少氣流分離的情況，從而減少汽車的氣動(dòng)阻力。此外，增大前風(fēng)窗的傾角還能夠增加前風(fēng)窗和車頂?shù)膴A角，使整個(gè)汽車的流線性更加優(yōu)化，進(jìn)一步降低氣動(dòng)阻力。

3.1.3 車頭高度優(yōu)化

為了降低汽車風(fēng)阻，除了車頭的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能倒圓角，還應(yīng)該考慮車頭高度的影響。圖6所示為車頭高度的變化對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響。根據(jù)圖6，最初車頭的設(shè)計(jì)為紫色線所示，既未倒圓角又車頭高度過(guò)高，隨著車頭的倒圓角處理與高度的不斷優(yōu)化，最終為紅色線所示，風(fēng)阻系數(shù)降低了14%。車頭作為最先接觸氣流的車身結(jié)構(gòu)，車頭的任何結(jié)構(gòu)改變都對(duì)后期的整車風(fēng)阻優(yōu)化至關(guān)重要，因此需要最先確定車頭的設(shè)計(jì)。

3.1.4 保險(xiǎn)杠

保險(xiǎn)杠會(huì)對(duì)汽車風(fēng)阻產(chǎn)生影響，主要與保險(xiǎn)杠的斷面形狀、與車身的過(guò)渡圓角、突出距離和正面投影面積四各方面。

前保險(xiǎn)杠截面形狀應(yīng)是外凸形，與車身的過(guò)渡要盡量圓滑，保障流體能成功地分流而不產(chǎn)生阻滯現(xiàn)象。當(dāng)前保險(xiǎn)杠突出距離越大，因氣流急劇轉(zhuǎn)折而產(chǎn)生的渦流就越少，因此而產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力就越小。此外，增大前保險(xiǎn)杠突出距離還有利于增強(qiáng)汽車的安全性能。當(dāng)前保險(xiǎn)杠正面投影面積越小，則氣流與其相沖突的阻力就越小，汽車的氣動(dòng)阻力就越小。

3.2 車身側(cè)面

3.2.1 輪轂

輪轂的形態(tài)是產(chǎn)生風(fēng)阻的重要因素。當(dāng)空氣流經(jīng)輪轂時(shí)，如果輪轂暴露的面積過(guò)大，將產(chǎn)生嚴(yán)重的氣流分離現(xiàn)象。所以，適當(dāng)封閉車輪輪轂是降低風(fēng)阻的好方法，可設(shè)計(jì)成開(kāi)孔面積小且表面凹凸結(jié)構(gòu)少的輪轂。

3.2.2 后視鏡、門(mén)把手、擋泥板、輪眉

后視鏡、門(mén)把手、擋泥板、輪眉這些部件均是汽車側(cè)表面的突出部件。這些部件使車身側(cè)表面氣流分離異常嚴(yán)重，同時(shí)還增強(qiáng)了車身側(cè)表面的流場(chǎng)擾動(dòng)，使得汽車風(fēng)阻明顯增加。

門(mén)把手：目前大多數(shù)汽車都對(duì)門(mén)把手采取了隱藏式設(shè)計(jì)，這樣的大大降低了汽車風(fēng)阻。

擋泥板：擋泥板在保證能達(dá)到擋泥效果的前提下，擋泥板的圓弧度越大，向外突出越小，受的空氣阻力就越小，氣流流動(dòng)越順暢，就越有利于降低汽車風(fēng)阻。

輪眉：輪眉作為裝飾外觀，并沒(méi)有實(shí)際用處，為降低風(fēng)阻可以完全取消。

后視鏡：后視鏡作為整車最突出的部件，對(duì)風(fēng)阻有較大影響，目前各大汽車廠商正在研發(fā)用攝像頭來(lái)代替后視鏡，如果實(shí)現(xiàn)將大大降低汽車風(fēng)阻。

3.3 底盤(pán)

流經(jīng)底盤(pán)的氣流受到旋轉(zhuǎn)車輪的擾動(dòng)和底盤(pán)不平整度的相互作用，氣流管理難度極大。底盤(pán)對(duì)汽車風(fēng)阻的影響分為兩個(gè)方面：一個(gè)是底盤(pán)的離地高度，另一個(gè)則是底盤(pán)的平整度。

3.3.1 離地間隙

底盤(pán)的離地間隙是影響汽車風(fēng)阻的重要因素之一。空氣流經(jīng)底盤(pán)時(shí)，如果離地間隙過(guò)高，流經(jīng)車底的氣流量會(huì)變大，對(duì)底盤(pán)凸出的暴露件就會(huì)產(chǎn)生更大的沖擊，因此會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)阻。但是并不是越低的底盤(pán)越好，不同于在專業(yè)賽車道馳騁的跑車，對(duì)于家用車，過(guò)低的離地間隙不利于通過(guò)日常道路。因此，在保證足夠通過(guò)性的前提下，盡可能的降低離地間隙是降低風(fēng)阻的有效方法。

3.3.2 暴露件隱藏

汽車的底盤(pán)遍布著各種部件，如：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)等。如何將其中的暴露件更好的隱藏，減少氣流對(duì)其的沖擊，是降低底盤(pán)風(fēng)阻的有效方法。

為將暴露件隱藏起來(lái)，需要給底盤(pán)加裝氣動(dòng)附件，氣動(dòng)附件大致分別為前保下護(hù)板及前機(jī)艙護(hù)板、前輪擾流板、電池包前端及兩側(cè)護(hù)板、后保險(xiǎn)杠下護(hù)板。譚暢等人[6]在試驗(yàn)研究中將氣動(dòng)附件組合，做了四種不同方案的試驗(yàn)，分別是1.前保下護(hù)板+機(jī)艙下護(hù)板2.前保下護(hù)板+機(jī)艙下護(hù)板+前輪擾流板3.前保下護(hù)板+機(jī)艙下護(hù)板+前輪擾流板+電池包前端及左右兩側(cè)護(hù)板4.前保下護(hù)板+機(jī)艙下護(hù)板+前輪擾流板+電池包前端及左右兩側(cè)護(hù)板+后保險(xiǎn)杠下護(hù)板

通過(guò)CFD對(duì)四種方案進(jìn)行模擬，結(jié)果表明[6]，方案四降阻效果最明顯，通過(guò)對(duì)照四個(gè)實(shí)驗(yàn)可知，每個(gè)氣動(dòng)附件均能起到減少空氣阻力的效果，其中前輪擾流板的效果最佳。因此，在允許的條件下，最大限度的將底盤(pán)暴露件隱藏將極大降低汽車風(fēng)阻。

3.4 車尾

汽車尾部的風(fēng)阻是車輛前后的壓差阻力導(dǎo)致的，降低壓差阻力需要提升車尾部的背壓。汽車尾部會(huì)受到來(lái)自渦流旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，為了提升車尾部的背壓，應(yīng)使渦流旋轉(zhuǎn)的中心盡可能遠(yuǎn)離車體。要使車尾獲得更高的背壓，車尾周圍的氣流應(yīng)分離明顯，車尾應(yīng)設(shè)計(jì)成邊緣明顯分離的“方尾”造型。

4 設(shè)計(jì)案例

4.1 概述

“漢”是比亞迪全新研制的高端旗艦轎車，采用全新造型設(shè)計(jì)語(yǔ)言。“漢”的核心目標(biāo)是高續(xù)航，而低風(fēng)阻化造型是實(shí)現(xiàn)高續(xù)航的重要途徑。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算，“漢”的風(fēng)阻系數(shù)每降低10計(jì)數(shù)單位，續(xù)駛里程可提升約8km[7]。因此，全新比亞迪“漢”特別重視低風(fēng)阻，風(fēng)阻系數(shù)低至0.233，目前風(fēng)阻系數(shù)在0.235以內(nèi)的量產(chǎn)轎車在全球不超過(guò)10款。

4.2 研究方法

比亞迪“漢”采用CFD仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法。

傳統(tǒng)汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，但隨著科技的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CFD仿真設(shè)計(jì)孕育而生。CFD根據(jù)給出的流體力學(xué)方程進(jìn)行仿真。能獲得例如溫度，速度，壓力等物理量的分布，還能得到這些物理量隨時(shí)間變化的規(guī)律。相比于傳統(tǒng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，CFD仿真設(shè)計(jì)有著許多明顯的優(yōu)勢(shì)，首先就是節(jié)約成本，CFD仿真設(shè)計(jì)耗資少，只需在電腦上就可以生成。其次，CFD仿真設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)周期短，節(jié)省時(shí)間。最后CFD仿真設(shè)計(jì)更加全面，能解決許多風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)無(wú)法解決的問(wèn)題。

當(dāng)然CFD仿真實(shí)驗(yàn)仍然不是完美的，因?yàn)樗鶕?jù)數(shù)學(xué)方程進(jìn)行計(jì)算，有時(shí)無(wú)法保證數(shù)學(xué)方程的準(zhǔn)確性，因此，現(xiàn)在測(cè)試汽車風(fēng)阻大都先采用CFD仿真設(shè)計(jì)再進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，這樣能最大限度的確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

風(fēng)洞試驗(yàn)是模擬汽車在真實(shí)空氣環(huán)境中的狀態(tài)，是研究汽車風(fēng)阻系數(shù)的主要手段，在汽車開(kāi)發(fā)與空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)主要用于研究氣體流動(dòng)及其與汽車模型之間的相互作用，將汽車模型置于人工試驗(yàn)環(huán)境中，固定后利用大型風(fēng)扇模擬真實(shí)氣體流動(dòng)環(huán)境。

4.3 外觀設(shè)計(jì)

比亞迪“漢”分別對(duì)車頭、車底、前艙內(nèi)流與低風(fēng)阻輪轂進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

4.3.1 車頭

車頭應(yīng)通過(guò)降低自身的高度來(lái)減小正壓區(qū)的面積進(jìn)而降低風(fēng)阻。“漢”通過(guò)降低車頭高度40mm，使風(fēng)阻系數(shù)減少了5個(gè)計(jì)數(shù)單位。如圖7所示。

4.3.2 車底部

車底部的風(fēng)阻設(shè)計(jì)應(yīng)做到兩方面：一是在縱向垂直截面上，氣流進(jìn)入車底后需要保持附著，一旦氣流脫離車底表面，將造成動(dòng)量損失。二是在車底的水平截面上，氣流受到車輪旋轉(zhuǎn)的干擾，在車輪處產(chǎn)生氣流分離現(xiàn)象，使車底部氣流集中，造成動(dòng)量損失。針對(duì)這兩點(diǎn)，“漢”對(duì)車底部的暴露件、前后保險(xiǎn)杠、前輪擾流板以及各導(dǎo)流板進(jìn)行了大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)優(yōu)化車底部氣流的流動(dòng)。

4.3.3 低風(fēng)阻輪轂

旋轉(zhuǎn)車輪占整車風(fēng)阻的10%左右。“漢”為追求動(dòng)力性，需要確保輪胎有足夠的抓地力，這也增大了車輪輪轂的設(shè)計(jì)難度。因此，“漢”的研發(fā)團(tuán)隊(duì)投入大量精力，通過(guò)對(duì)多種輪輞設(shè)計(jì)方案的仿真分析和優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出風(fēng)阻系數(shù)僅比全封閉狀態(tài)高出4個(gè)計(jì)數(shù)單位的低風(fēng)阻輪轂，具備極佳的降阻效果。

4.4 小結(jié)

比亞迪“漢”的空氣動(dòng)力學(xué)性能開(kāi)發(fā)過(guò)程，采用CFD仿真技術(shù)結(jié)合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，對(duì)整車風(fēng)阻進(jìn)行優(yōu)化，分別對(duì)車頭采取降低高度設(shè)計(jì)、車底部加裝護(hù)板以及暴露件隱藏、車輪選用低風(fēng)阻輪輞等，最終實(shí)現(xiàn)低風(fēng)阻化。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了汽車各個(gè)部件對(duì)整車風(fēng)阻的影響，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于汽車低風(fēng)阻外觀設(shè)計(jì)的研究進(jìn)行分析與總結(jié)，得出進(jìn)氣格柵、底盤(pán)等為主要因素，輪眉、保險(xiǎn)杠等為次要因素，對(duì)這些主要因素提出改進(jìn)方法與建議，通過(guò)對(duì)主要因素的改進(jìn)，使整車風(fēng)阻有效降低。通過(guò)比亞迪“漢”的低風(fēng)阻外觀設(shè)計(jì)案例，給出汽車降阻方法的應(yīng)用

目前汽車低風(fēng)阻CFD仿真實(shí)驗(yàn)方法仍有可提升空間，當(dāng)前大多測(cè)試汽車風(fēng)阻的方法為風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與CFD仿真相結(jié)合，而風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)需要大量的人力與財(cái)力，消耗巨大，如果CFD仿真實(shí)驗(yàn)可以完全替代風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，將大大節(jié)約時(shí)間與物質(zhì)成本。當(dāng)前的汽車造型仍然處于整車造型階段，隨著人們獨(dú)特的審美出現(xiàn)，追求個(gè)性成為主流，未來(lái)的汽車造型趨向于分體式，如何實(shí)現(xiàn)分體式造型的汽車低風(fēng)阻外觀成為未來(lái)的研究目標(biāo)。

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