微型客車氣動(dòng)阻力性能研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)

左輝輝 呂俊成

（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

1 前言

隨著微型客車體積增大和車速提高，其減阻研究越來(lái)越重要。在車輛高速行駛過(guò)程中氣動(dòng)阻力（風(fēng)阻）相當(dāng)于滾動(dòng)阻力的2～3倍，用于克服氣動(dòng)阻力的燃油消耗量占32%以上，而氣動(dòng)阻力系數(shù)降低30%可以降低油耗12%左右[1]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)轎車氣動(dòng)阻力的研究和應(yīng)用已經(jīng)非常深入[2～4]，但是對(duì)微型客車氣動(dòng)阻力的研究和應(yīng)用相對(duì)較少。吉林大學(xué)汽車汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)帶有專用貨箱的中重型廂式貨車添加減阻裝置的研究表明：加裝導(dǎo)流罩能夠有效降低氣動(dòng)阻力18.9%～44%[5]，這對(duì)微型客車添加前導(dǎo)流板具有指導(dǎo)意義。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究了某轎車后視鏡形狀和相對(duì)車身橫向距離對(duì)氣動(dòng)阻力的影響，結(jié)果表明：后視鏡占整車氣動(dòng)阻力的4.08%，經(jīng)過(guò)優(yōu)化氣動(dòng)阻力系數(shù)下降2.76%[6]。本文以某微型客車為基礎(chǔ)，以降低其氣動(dòng)阻力為目的，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)該車添加前導(dǎo)流板、優(yōu)化后視鏡等多種減阻方式進(jìn)行研究。

2 有限元模型

2.1 基本理論

本文采用的PowerFLOW是由美國(guó)EXA公司開發(fā)的基于格子玻爾茲曼方法 （Lattice Boltzmann Method）的CFD軟件，可以實(shí)現(xiàn)用全離散計(jì)算模型代替風(fēng)洞試驗(yàn)[7]。

由格子氣模型[8]對(duì)玻爾茲曼運(yùn)輸方程進(jìn)行離散求解，得到格子玻爾茲曼方程[9]：

式中，fi（x，t）為平均分布函數(shù)，下標(biāo) i表示粒子的某個(gè)運(yùn)動(dòng)方向；ei為各方向上的微觀速度矢量；Ωi為引入的碰撞項(xiàng)。

由于碰撞項(xiàng)Ωi計(jì)算量巨大，Bhatnager、Gross和Krook于1954年提出了簡(jiǎn)化的碰撞模式[10]，將玻爾茲曼方程簡(jiǎn)化為：

式中，τ為分子碰撞時(shí)間，又可稱為松弛時(shí)間；feq為局部平衡分布函數(shù)。

Higuera等人[11]將τ用一個(gè)典型的湍流松弛時(shí)間τturb代替，則格子玻爾茲曼方程可以寫為：

流體的宏觀密度 ρ（x，t）、宏觀速度 u（x，t）可根據(jù)粒子分布函數(shù) fi（x，t）由公式（4）和公式（5）確定：

2.2 建立模型

根據(jù)實(shí)車狀態(tài)建立計(jì)算模型，主要包括全細(xì)節(jié)車身及其附件（圖1a），動(dòng)力系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部氣動(dòng)阻力部件（圖1b），全細(xì)節(jié)底盤（圖1c）等。整車全細(xì)節(jié)模型在ANSA中完成面網(wǎng)格的建模，直接導(dǎo)入PowerFLOW外流場(chǎng)分析模塊。PowerFLOW包含前處理、計(jì)算求解、后處理、優(yōu)化改型等專用全自動(dòng)工具，無(wú)需借助其它軟件；同時(shí)PowerFLOW采用有限元法而非有限體積法，不需要傳統(tǒng)意義上體網(wǎng)格的劃分，導(dǎo)入面網(wǎng)格完成邊界條件的設(shè)定就可以直接提交計(jì)算。

2.3 邊界條件

仿真分析選擇三維、穩(wěn)態(tài)、定常流模型，Power-FLOW數(shù)字風(fēng)洞采用移動(dòng)地面，同時(shí)分析過(guò)程中車輪始終保持轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，與風(fēng)洞移動(dòng)地面保持同步，其它基本仿真參數(shù)如表1所列。

表1 各項(xiàng)仿真參數(shù)

3 有限元結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)模型仿真得出整車表面壓力系數(shù)云圖與軸向氣動(dòng)阻力系數(shù)發(fā)展曲線圖、整車總壓為零的等值面圖如圖2、圖3所示。

同時(shí)經(jīng)過(guò)計(jì)算得出其氣動(dòng)阻力系數(shù)Cd=0.393。經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)前保險(xiǎn)杠、后視鏡、車窗臺(tái)階等是具有潛在優(yōu)化改進(jìn)的區(qū)域，具體分析如下：

a.由圖2整車表面壓力系數(shù)云圖可知，整車前部迎風(fēng)面高壓區(qū)域較大，覆蓋了絕大多數(shù)前臉區(qū)域；整車背風(fēng)面尾門壓力分布不均勻，擾流板位置壓力梯度較大，從而形成低壓區(qū)域；底盤、備胎、車窗臺(tái)階以及雨刮等位置壓力梯度較大，氣流流動(dòng)性較差，存在一定的氣流分離。

b.由圖2整車軸向氣動(dòng)阻力系數(shù)發(fā)展曲線可知，前保險(xiǎn)杠、A柱等位置整車阻力系數(shù)上升趨勢(shì)明顯；整車尾部渦流造成尾門位置氣動(dòng)阻力系數(shù)有較大躍升；底盤前部、后視鏡、車窗臺(tái)階以及雨刮等位置，氣動(dòng)阻力系數(shù)均有不同程度的增加。

c.由圖3可知，后視鏡、輪罩、前大燈位置以及車窗臺(tái)階位置均有不同程度的較大渦流區(qū)，整車尾部渦流區(qū)偏大。減小這些位置的渦流區(qū)能有效減小整車氣動(dòng)阻力。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)整車基礎(chǔ)模型的仿真計(jì)算和結(jié)果分析，對(duì)具有潛在優(yōu)化改進(jìn)的3個(gè)區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化分析。

第1次優(yōu)化的區(qū)域是前保險(xiǎn)杠，如圖4所示。通過(guò)降低保險(xiǎn)杠橫向加強(qiáng)梁的高度，收縮前保險(xiǎn)杠（圖4a），并添加前導(dǎo)流板（圖4b）實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。保險(xiǎn)杠橫向加強(qiáng)梁隱藏于前保險(xiǎn)杠后側(cè)并且不阻礙散熱器進(jìn)氣，以改善散熱系統(tǒng)進(jìn)氣效率，減少氣流停滯；垂直向內(nèi)收斂并圓滑過(guò)渡的前保險(xiǎn)杠和與之無(wú)縫連接的導(dǎo)流板，可以減少氣流直接沖擊底盤，引導(dǎo)氣流平順通過(guò)。

第2次優(yōu)化的區(qū)域是后視鏡，即改進(jìn)后視鏡造型，如圖5所示。后視鏡造型優(yōu)化的原則是減輕氣流分離程度，推遲后視鏡邊緣氣流分離，減小后視鏡背風(fēng)面形成的渦流區(qū)，并使渦流區(qū)渦流形狀規(guī)則、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此在保證后視鏡視野要求的情況下，將后視鏡外形上半部分軸向拉伸，下半部分軸向壓縮，同時(shí)設(shè)計(jì)更加流線型（圖5b）。本次改進(jìn)以第1次改進(jìn)模型為基礎(chǔ)。

第3次優(yōu)化是進(jìn)行車窗一體化設(shè)計(jì)，如圖6所示。在車輛設(shè)計(jì)中，要避免和減少各種縫隙、臺(tái)階以及凸起等阻礙氣流流動(dòng)的零部件，因此以第2次改進(jìn)模型為基礎(chǔ)，第3次優(yōu)化的措施是移除車窗玻璃與B柱、C柱以及尾柱之間的臺(tái)階（圖6b），減少甚至避免這些區(qū)域的氣流分離。

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

3次優(yōu)化前、后對(duì)比分析如下：

a.圖7為優(yōu)化前、后中心面流線圖。由圖7b可知，優(yōu)化后的尾流渦流區(qū)渦流形狀規(guī)則、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有比較好的經(jīng)過(guò)擾流板的下壓氣流和經(jīng)過(guò)后保險(xiǎn)杠的上升氣流。

b.圖8為優(yōu)化前、后后視鏡造型表面流線圖。由圖8b可知，優(yōu)化后的后視鏡底部沒(méi)有氣流分離現(xiàn)象并且氣流平順通過(guò)，后視鏡端部氣流分離也被向后推遲，達(dá)到預(yù)期的效果。

c.圖9為優(yōu)化前、后總壓為零的等值面圖。由圖9b可知，車窗一體化之后A柱渦流區(qū)域減小，B柱、C柱和尾柱因臺(tái)階存在形成的渦流大量消失，這對(duì)整車側(cè)圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與尾流渦流區(qū)有積極影響。

整車的迎風(fēng)面積為2.595 m2，對(duì)基礎(chǔ)模型及3次優(yōu)化模型應(yīng)用仿真分析方法得出氣動(dòng)阻力系數(shù)如表2所列。

表2 仿真分析氣動(dòng)阻力系數(shù)結(jié)果

由上述對(duì)比分析及表2可知，通過(guò)修改前保險(xiǎn)杠造型、降低前保險(xiǎn)杠橫向加強(qiáng)梁與添加導(dǎo)流板，修改后視鏡造型與車窗一體化改進(jìn)設(shè)計(jì)均能較大降低整車氣動(dòng)阻力系數(shù)，3次優(yōu)化后氣動(dòng)阻力系數(shù)降低約6%。

4.3 優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表3為仿真分析與風(fēng)洞試驗(yàn)氣動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)比表。由表3可知，仿真分析結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果基本一致，誤差不大于3%，因此證明了用仿真分析進(jìn)行氣動(dòng)阻力優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的正確性，同時(shí)降低了成本及縮短了試驗(yàn)周期。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)整車全細(xì)節(jié)三維建模對(duì)某微型客車進(jìn)行CFD數(shù)值仿真分析，全面評(píng)價(jià)了該車的氣動(dòng)阻力性能，找出潛在的優(yōu)化改進(jìn)區(qū)域。同時(shí)采用優(yōu)化前保險(xiǎn)杠并添加前導(dǎo)流板、修改后視鏡造型、進(jìn)行車窗一體化設(shè)計(jì)等減阻方案減小了整車氣動(dòng)阻力系數(shù)約6%，并且在風(fēng)洞試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，其誤差小于3%。

表3 仿真分析與風(fēng)洞試驗(yàn)氣動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)比

本次優(yōu)化改型方案已經(jīng)在某量產(chǎn)微型客車上得到應(yīng)用。根據(jù)用戶的反饋，優(yōu)化后的車型在造型上更加美觀，且可降低3%～6%的油耗。

1 傅立敏.汽車空氣動(dòng)力學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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