某純電動SUV的空氣動力學開發

【歡迎引用】 陳永良， 周建川. 某純電動SUV的空氣動力學開發[J]. 汽車文摘，2024（XX）： X-XX.

【Cite this paper】 CHEN Z L， ZHOU J C. The Aerodynamic Development of an Electric SUV[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（XX）： X-XX.

【摘要】為了提升汽車續航能力，以降低整車風阻車型、優化空氣動力學性能為目標，以整車空氣動力學開發流程為切入點，運用流體分析軟件STAR-CCM+對某純電SUV車型進行空氣動力學性能仿真，兼顧整車空氣動力學設計原則、造型風格定義、工程可行性，從外觀造型及底部護板兩個方向提出多種降阻優化方案。（1）基于“前圓”原則，將前保險杠區域的氣流分離優化成更加貼體流動的型面，降低了前部正壓和能量耗散；（2）基于“后方”原則，通過尾翼封堵、頂棚局部下壓、側翼Y向內收、尾燈區域局部上抬及后保險杠底端型面優化方案，有效改善尾部氣流流動狀態，增大了尾部負壓，進一步降低了整車風阻；（3）通過對氣動輪輞、平整化的全覆蓋式底護板及其他局部細節優化，有效提高了輪腔區域渦流形態及底部氣流的流動，最終實現SUV的降阻率超過30%，風阻系數控制在0.28以內，有效降低了整車風阻系數，滿足了整車性能的開發需求，提升了該SUV車型的續航能力。

關鍵詞：SUV；空氣動力學；風阻系數

中圖分類號：U461.1" "文獻標志碼：A" DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20230288

The Aerodynamic Development of an Electric SUV

Chen Yongliang， Zhou Jianchuan

（Technical Center， Great Wall Motor Company Limited， Baoding 071000））

【Abstract】 In order to improve the endurance of the vehicle， with the goal of reducing the vehicle’s wind resistance and optimizing its aerodynamic performance， taking the vehicle’s aerodynamic development process as the starting point， the fluid analysis software STAR-CCM+ is used to simulate the aerodynamic performance of a certain pure electric SUV model. Taking into account the principles of overall aerodynamic design， the definition of styling style， and engineering feasibility， multiple drag reduction optimization schemes are proposed from the perspectives of exterior styling and bottom guard plate. （1） Based on the principle of “front circle”， the airflow in the front bumper area is separated and optimized into a more body fitting surface， reducing the positive pressure and energy dissipation at the front; （2） Based on the “behind rear” principle， effective improvement of the airflow state at the rear end is achieved through tail wing sealing， partial downward pressure on the roof， inward retraction of the side wings in Y direction， partial upward movement of the tail light area， and optimization of the bottom profile of the rear bumper， which increased the negative pressure at the rear and further reduced the overall wind resistance of the vehicle; （3） By optimizing the aerodynamic wheel rims， flattened full coverage bottom guard plates， and other local details， the vortex shape in the wheel cavity area and the flow of bottom airflow are effectively improved， ultimately resulting in a drag reduction rate of over 30% for the SUV. The drag coefficient is controlled within 0.28， effectively reducing the overall drag coefficient of the vehicle， meeting the development needs of vehicle performance， and improving the endurance of the SUV model.

Key words： SUV， Aerodynamics， Drag Coefficient

0 引言

隨著汽車行業的高速蓬勃發展，新能源汽車已成為全球各大車企重點研發方向，然而新能源汽車續航能力一直是用戶關注的焦點。解決純電動汽車續航能力的方式主要有2種：（1）提高整車電池容量及其密度，但基于現有動力電池儲能技術瓶頸限制，突破技術難關道阻且長；（2）降低行駛阻力中的整車風阻。整車風阻主要受風阻系數Cd和迎風面積A的影響，迎面面積A受整車尺寸的影響一般不進行特別控制。一般意義上來說，降低整車風阻就是降低風阻系數。當整車風阻每降低10%，續航能力就會相應地提升7%，甚至更多[1]。余鳳梅等[2]介紹了小改款車型的空氣動力學設計方法，沒有從全局系統性介紹全新整車空氣動力學開發情況；陳明等[3]介紹了前保險杠上大深度的降阻設計方法，沒有從整體考慮是否適用該車型造型風格；Xiao等[4]對簡化的概念車型進行分析，未全面考慮工程可行性。故本文以全新整車空氣動力學開發流程作為切入點，對某純電動SUV車型運用流體分析軟件STAR-CCM+進行空氣動力學性能仿真，兼顧造型風格及底部護板工程提出可實施性開發降阻優化方案。通過與造型設計師及工程技術人員的協同、驗證，進行系統化開發，使得大部分方案得以落實，旨在有效降低整車風阻系數，提升整車續航能力。

1 空氣動力學性能分析流程

汽車空氣動力學分析方法主要有2種：一種是風洞試驗測試，風洞試驗測試結果精度比較高，但有許多局限性（如成本高、周期性長等）；另一種是運用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics， CFD）方法進行仿真分析，CFD方法彌補了風洞試驗的諸多缺點。因此，運用CFD方法對汽車空氣動力學性能進行分析與優化改善是一種比較有效的途徑[5]。整車外流場分析與整車空氣動力學性能協同交互流程見圖1。

2 計算模型建立

2.1 幾何仿真模型

首先，通過有限元分析前處理軟件ANSA對某純電動SUV進行外觀計算機輔助造型（Computer-Aided Styling， CAS）和車身地板、前/后懸架、機艙等零部件數據幾何處理、網格化和零部件名稱劃分；然后，將整車網格文件以（.nas）格式導入分析軟件STAR-CCM+中；最后，對整車周圍區域設置一級網格加密，并生成Trimmer流體網格。同時創建一個足夠大的虛擬風洞計算域模擬車輛行駛情景。

2.2 物理模型

流體計算域設為穩態定常（在流體力學或傳熱學中，速度、壓力、溫度等不隨時間變化的狀態）、三維不可壓縮，采用雷諾時均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型，離散格式為二階迎風差分。

車頭前部：整車計算域的進口設為速度進口，同整車行駛速度，一般設為120 km/h；車位后部：出口設為壓力出口，設為0 MPa。仿真模型中需將地面設為滑移地面，模擬路面效應，大小與入口速度保持一致；周圍3個面均設置為非滑移壁面；車身表面設為壁面，將車輪設為局部旋轉；散熱器及冷凝器均設為多孔介質。仿真計算中已忽略空氣溫度及濕度的影響，整車計算域見圖2。

3 降阻方案研究

風阻系數表征整車外形的氣動特性，其整體設計原則為“前圓后方”，即車頭區域圓潤減小風阻，車尾四周趨于鋒銳設計。氣流被前保險杠承接至前保險杠兩側及機蓋區域，低矮的車頭及前保險杠圓滑過渡能夠減小車輛的正向迎風沖擊。在車輛的后部，鋒銳的造型設計有助于氣流的分離，核心渦流區遠離后背門及后保險杠區域，減小尾部渦流對該區域的負壓拖拽。

底盤配置全覆蓋平整底護板，引導氣流更加平順地通過，減少氣流直接沖擊底盤，降低車底的渦流耗散。前、后輪擾流板可阻擋氣流直接沖擊車輪，可降低輪腔周圍處的渦流耗散。

3.1 車身造型對整車風阻的影響

參照Adjoint Solver[6]外表面敏感度分析技術，梳理了純電動SUV車型開發中外造型位置對整車風阻的影響及降阻量區間，見表1。同時，根據車身造型和底護板設計兩方面進行相應的降阻優化，更好地提高空氣動力學性能和開發效率。

3.1.1 前保險杠兩側型面優化方案

造型設計師在創作車身造型初稿效果時將前保險杠兩側型面設計為凹槽特征，用來增加SUV三維立體層次的視覺效果。但在空氣動力性能設計方面，前方來流沖擊車頭產生正壓后，氣流一方面流向前保險杠兩側凹槽使其表面產生局部正壓，另一方面來流會在凹槽側面發生氣流分離，增加能量耗散，增大整車風阻。

兼顧“前圓后方”設計理念、整車造型需求并考慮行人安全等因素，首先將前保險杠凹槽外側的棱線特征進行倒圓角處理，作為仿真模型的基礎狀態為后續仿真分析作參考標準，其中Z為車高方向某高度的橫截面，見圖3。

對前保險杠凹槽區域進行流體仿真分析，見圖4。從圖4可知，原始狀態時前保險杠兩側與霧燈拐角處X向存在50 mm的深度段差（X向為車長方向某長度的橫截面，下同）。前方高速來流首先直接沖擊其內側面形成局部正壓，隨后在拐角棱線外側發生較大的氣流分離，同時在前輪側面形成了較大的拖拽渦，導致大量的能量耗散不利于其后方車身的貼體性。從圖4基礎狀態可以看出，前保險杠兩側凹槽棱線處進行R6 mm倒角后，前保險杠兩側凹槽外側處的氣流分離在一定范圍上有明顯減少，使其在Y向上的分離邊界更加靠近車身（Y向為車寬方向某寬度的橫截面，下同），可使Cd降低2.4%。

3.1.1.1 前保險杠兩側型面優化方案1

從前保險杠棱線倒角后的凹槽內側面區域開前后貫通孔式氣簾到前防濺墊上，氣簾結構形式如圖5所示。一般情況下，氣簾入口越大，風阻越小[2]。

從圖5可知，氣簾b比a入口寬度大，進入氣簾通道的氣流多，前保險杠側面的分離就越小，風阻也越小。同時氣簾前端氣流入口流速變緩、尾端出口速度變快，進一步減少周圍氣流的紊亂度。經仿真分析發現，當氣簾出口Y向寬度在10～20 mm內，氣簾出口越寬，氣簾通道內氣流流速就越快，凹槽側面的分離區就越小，降阻效果越明顯（圖6）。但由于受前輪眉工程周圍邊界限制，氣簾出口Y向寬度為20 mm后再加寬只能向Y向內側加寬，導致氣流直接沖擊前輪，產生更高更大的正壓力區域，反而會增大風阻，最終Cd降低3.2%。

3.1.1.2 前保險杠兩側型面優化方案2

前保險杠凹槽型面Y向內收，幾何截面如圖7所示。雖然在前保險杠兩側凹槽處添加了前后通孔式氣簾通道，使棱線內外側氣流得到了一定改善，但由于要強調前輪眉區域的造型立體層次效果，其與前保險杠以小折線方式進行搭接，該型面前保險杠輪眉末端氣流分離區域仍然較大。

基礎狀態、優化方案1和優化方案2氣流速度矢量對比如圖8所示。從圖8c可以看出，在添加氣簾的基礎上使前保險杠凹槽型面向中心面Y0內收，氣流在前保險杠凹槽倒角處分離后又重新附著在前輪眉的搭接區域，使得高速來流在該區域分離進一步減弱，貼體性更好，最終Cd降低0.8%。

3.1.1.3 前保險杠兩側型面優化方案3

前保險杠兩側下端型面Y向外擴，以便遮擋更多的前輪，同時此方案兼顧風阻性能以及造型越野風格，Y向仍有40 mm未遮擋，如圖9所示。

圖10為基礎狀態與優化方案3車身表面壓力系數對比圖。相對于基礎狀態，前保險杠兩側下端型面Y向外擴方案優化后遮擋前輪部分更多，既減少了氣流對前輪的正壓力，又減少了氣流進入輪腔引起的紊亂，最終Cd降低0.6%。

3.1.2 尾部區域優化

因車尾受渦流旋轉的離心作用，渦流中心處的負壓較小，所以應使渦流中心的位置盡可能遠離車尾。通常來說，尾部采用圓弧狀時，氣流受壁面康達效應（Coanda Effect）和尾渦區內負壓共同作用時，易使車尾氣流沿車身外表面貼體流動，從而使尾渦中心更加靠近車尾。而對帶有明顯分離邊緣的車尾來說，氣流會在邊緣處迅速提前分離，會推遲氣流向尾渦中心區內卷，因而車尾的尾渦中心就會更加遠離車身表面。另一方面，圓弧形狀的車尾型面在不同雷諾數狀態下氣流的分離位置也不斷變化，但是相比于尖銳邊緣的車尾，其分離位置相對固定不變，使尾渦的形態和風阻系數更穩定[6]。

3.1.2.1 尾部區域優化方案1

鏤空尾翼型面優化。由于初版尾翼采用鏤空式設計，從機蓋、前風擋、頂棚流過的大部分氣流最終會沿著頂棚末端的切線直接從尾翼鏤空區間中流過，相比封閉式尾翼，多了一股強度大的下洗氣流，使其以更加貼近車身的形式流入車尾，增大了前后壓差阻力。

為了減小從鏤空處流過的氣流，使尾部氣流遠離車尾，初步設計了4種的氣流方案，幾何截面如圖11所示。方案a在頂棚末端區域局部上抬，基本上保留了原造型風格；方案b在鏤空處前方添加Y向擾流板，類似轎車尾部末端降阻常用的小鴨尾構造；方案c將尾翼末端X向延長；方案d完全封堵為非鏤空尾翼。前2種方案只要調整到合適的尺寸降阻量幾乎相當，Cd降低1%；方案c和方案d組合后效果最為明顯。與造型及工程部門協同，確定尾翼進行封堵且X向延長30 mm，最終Cd降低1.5%。

圖12表明，鏤空尾翼進行封堵后，原來從鏤空處流經的氣流必須調整為從尾翼上表面流過，這樣后方形成的尾渦中心也相應的遠離車尾，使背部恢復壓力得以提升，最終Cd降低1%。

3.1.2.2 尾部區域優化方案2

頂棚型面優化，B柱以后的頂棚及尾翼部分需旋轉下壓，結合后排乘員頭部空間的邊界限制，Z向最大位置可下壓25 mm，見圖13。

圖14表明，將頂棚及尾翼部分旋轉下壓后，使上部氣流向斜下后方流動，會吸引下部氣流向斜上方流動，上、下氣流總體達到均衡態，使總壓力系數為0的等值面的上、下端X向距離差[X1gt;X2]變小，減小了能量耗散，最終Cd降低0.8%。

3.1.2.3 尾部區域優化方案3

側翼沿車寬Y向內收，且末端呈平面狀并與后風擋存在一定垂直段差，幾何截面如圖15所示。

圖16表明，優化后氣流從側翼末端棱線處分離并向后方流動，改變原先沿著內收型面進入車尾的氣流，降低了尾部氣流紊亂度，最終Cd降低1.2%。

3.1.2.4 尾部區域優化方案4

尾燈區域局部上抬增大曲率，使其向“后方”方向調整型面，幾何截面如圖17所示。

圖18表明，尾燈區域“后方”優化后，從圓弧狀尾燈表面貼體進入車尾的氣流有所減少，增加了等值面規則性，最終Cd降低0.8%。

3.1.2.5 尾部區域優化方案5

對后保險杠底端型面進行優化，后保險杠底端向斜上后方調整，過渡處采用明顯的棱線特征，且正好滿足離去角極限邊界，幾何截面如圖19所示。

從圖20可知，基礎狀態由于后保險杠底部采用大圓弧曲率過渡，氣流會沿著外表面向后上方流動，導致尾部靜壓恢復變差，進而增大整車壓差阻力。優化后會迫使氣流在棱線處果斷提前分離，進而達到抑制氣流上洗的目的，也為上、下兩個準二維渦互相平衡能量提供條件，以此增大恢復背壓力，最終Cd降低0.8%。

對尾翼、側翼、尾燈進行優化后，對后保險杠底端型面進行優化，整個尾部四周形成了造型風格內可接受的“后方”鋒利設計，綜合提高了車身尾部區域壓力恢復，降低整車風阻。

3.1.3 氣動輪輞優化

研究表明，車輪/輪腔區域引起的風阻約占整車風阻的25%左右。故車輪的氣動輪輞優化在整車空氣動力學性能開發過程中非常重要。輪輞總體設計要求包括：（1）輪輞封堵多、鏤空少，避免輪腔附近氣流橫向向內或向外流動，減少擾動。（2）輪輞側面Y向平整度高，引導氣流貼體流動，減少車輪側面及其附近的氣流分離。在確保制動散熱需求的條件下，對主銷車型配置的18寸輪輞通過減小鏤空面積、增加側面平整等方式來梳理紊流、減小分離區，輪輞造型及幾何截面如圖21、圖22所示。

從圖23可知，相對于輪輞造型a，造型b的主要變化是降低了鏤空率，減少了輪輞內外氣流的彼此擾動，使側面氣流更加貼體流動；相對于輪輞造型b，造型c的主要變化是減小Y向段差、增加輪輞側面平整度，進一步使側面氣流貼近輪輞外側面。由表2輪輞的鏤空比與降阻率可知，對整車風阻而言，輪輞Y向平整度比鏤空率更具敏感度，最終Cd降低2.4%。

3.2 底護板對整車的風阻影響

車身底部氣流受地面和車身下地板的擠壓效應、旋轉車輪的擾動以及整車底部凹凸不平整度的交互作用，掌控氣流難度非常大。總體原則是盡量降低氣流的動量損失，具體包括：（1）在縱向垂直截面上，氣流從前保險杠下方受到壓縮后進入底部，需控制氣流在車底表面附著，因為氣流脫體嚴重后就很容易直接沖擊地面，造成巨大的動量損失；（2）在車身底部的水平截面上，氣流受到旋轉車輪的影響，會在其后方產生大的氣流分離區，擠壓車身底部氣流向中間Y0面區域流動，造成大的動量損失。綜上所述，要在車身底部布置全覆蓋式底護板，使氣流更加平順地從前向后貼體流動。對標該SUV車型競品車型，發現其一般包括前/后輪擾流板、前保險杠下導流板、機艙下護板、電池包前/后護板、車身側護板、后懸架護板和后保險杠下護板等，底護板布置形式如圖24所示。通過對前/后保險杠的離地高度和布置形式、前/后輪擾流板的高度和形狀等因素進行了大量的仿真驗證，進一步降低動量損失。

從圖25可知，添加全覆蓋底護板后，氣流貼著底護板下表面流動，減少了優化前氣流對底盤零部件的直接沖擊和渦流，最終Cd降低15.6%。

3.3 其他位置優化

對SUV車型其他外造型和底護板區域進行了許多細節優化，如：機蓋前端倒圓角、前保險杠翻邊與前保險杠下導流圓滑過渡、車身側面外擴（減少內凹）、A柱加寬及增加飽滿度、門檻下飾板末端外擴、前/后輪眉型面內收、尾翼末端型面尖角化、護板安裝孔槽形式、前保險杠下護板兩側反凹設計、后保險杠護板兩側導流筋等。以上方案均能有效改善車身相應區域細節位置的氣流流動，對降阻有一定的貢獻，如表3所示。

4 結束語

通過流體仿真分析軟件STAR-CCM+，完成對某純電動SUV車型CFD建模模擬與降阻優化分析。兼顧整車空氣動力學設計原則與造型風格定義、工程可行性等內容，先后推動并落實了近30項降阻方案。

（1）基于“前圓”原則，在前保險杠兩側氣流分離明顯的情況下，通過局部倒圓角、添加前后通孔式氣簾、前保險杠兩側凹槽Y向內收等優化方案，將前保險杠區域的氣流分離優化成更加貼體流動的型面，降低了前部正壓和能量耗散。

（2）基于“后方”原則，在保證造型風格的前提下，通過尾翼封堵、頂棚局部下壓、側翼Y向內收、尾燈區域局部上抬及后保險杠底端型面優化等方案，有效改善尾部氣流流動狀態，增大了尾部負壓，進一步降低了整車風阻。

（3）通過對氣動輪輞、平整化的全覆蓋式底護板及其他局部細節優化，有效提高了輪腔區域渦流形態及底部氣流的流動，最終使SUV的降阻率超過30%，將其風阻系數控制在0.275以內，達成了項目預期指標。

參 考 文 獻

[1] 雷榮華. 基于CFD的某汽車外流場數值模擬與分析[J].機械研究與應用， 2015， 28（4）： 24-25.

[2] 余鳳梅， 任超， 陳蒨， 等. 某轎車的空氣動力學開發[C]//2021中國汽車工程學會汽車空氣動力學分會學術年會論文集， 2021： 79-95.

[3] 陳明， 蘆克龍， 胡丹， 等. 大深度霧燈造型減阻優化設計研究[C]//2020中國汽車工程學會汽車空氣動力學分會學術年會論文集， 2020： 16-23.

[4] XIAO L， LEUNG J Y， YUAN X， et al. Aerodynamic Development of the GAC ENO.146 Concept[J/OL]. SAE Technical Paper. [2021-09-30]（2024-07-08）. https：//doi.org/10.4271/2021-01-5093.

[5] 嚴鵬， 吳光強， 傅立敏， 等. 轎車外流場數值模擬[J].同濟大學學報， 2003， 31（9）： 1082-1086.

[6] CHEN C H， NADARAJAH S， CASTONGUAY P， et al. A Dynamically Deflated Gmres Adjoint Solver for Aerodynamic Shape Optimization[J/OL]. Computers amp; Fluids. [2019-01-01]（2024-07-08）. https：//www.x-mol.com/paper/902593.

[7] HUCHO W H. Aerodynamics of Road Vehicles[M]. Elsevier， 1998： 70-71.

（責任編輯 明慧）