某輕客整車風(fēng)阻系數(shù)有限元分析與優(yōu)化

張湯赟 鄒亮 袁劉凱

摘 ?要：本文對某輕型客車進(jìn)行有限元建模，開展了整車風(fēng)阻系數(shù)仿真分析，并利用整車風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型和仿真結(jié)果的合理性和有效性?；趯υ蛙嚨耐饬鲌龇治觯岢隽巳齻€降低整車風(fēng)阻系數(shù)的優(yōu)化措施，分別為增大前擋風(fēng)玻璃迎風(fēng)角度、調(diào)整尾翼翹角、增大后門傾斜角度，并研究了各措施中關(guān)鍵參數(shù)對風(fēng)阻系數(shù)的影響。對各優(yōu)化措施的仿真分析表明，前擋風(fēng)玻璃迎風(fēng)角度增大3°可將整車風(fēng)阻系數(shù)降低4.5%;尾翼下翹有利于整車風(fēng)阻系數(shù)的降低;整車風(fēng)阻系數(shù)隨汽車后門傾斜角度的增加而降低，可根據(jù)實(shí)車需求合理設(shè)計(jì)后門傾斜角度。

關(guān)鍵詞：風(fēng)阻系數(shù);CFD仿真;風(fēng)洞試驗(yàn);流場分布

中圖分類號：U467.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2021）01-0093-07

Finite Element Modeling and Optimization of

Drag Coefficient for a Light Bus

ZHANG Tang-yun， ZOU Liang，YUAN Liu-kai

（ Nanjing Iveco Automobile Co.， Ltd.， Nanjing 211806， China）

Abstract： The finite element model of a light bus is established and the vehicle drag coefficient is simulated and analyzed. The rationality and effectiveness of the simulation model and simulation results are verified by vehicle wind tunnel test. Based on the analysis of the external flow field of the prototype vehicle， three optimization measures are proposed to reduce the vehicle drag coefficient， which are increasing the windward angle of the front windshield， adjusting the warping angle of the rear wing， and increasing the tilt angle of the rear door. The influence of key parameters in each measure on the drag coefficient is also studied. The simulation results show that the vehicle drag coefficient can be reduced by 4.5% by increasing the windward angle of the front windshield by 3°. The downward warping of the rear wing is beneficial to the reduction of the vehicle drag coefficient. The vehicle drag coefficient decreases with the increase of rear door tilt angle. The rear door tilt angle can be reasonably designed according to the actual vehicle demand.

Key Words： Drag Coefficient; CFD Simulation; Wind Tunnel Test; Flow Field Distribution

張湯赟

畢業(yè)于清華大學(xué)，工程碩士，現(xiàn)就職于南京依維柯汽車有限公司產(chǎn)品工程部，任整車集成科高級經(jīng)理，高級工程師。

1 ? ?引言

空氣動力學(xué)特性是汽車的重要特性之一，它直接影響汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、舒適性與安全性[1]。汽車風(fēng)阻系數(shù)是判斷汽車動力學(xué)特性的指標(biāo)之一，風(fēng)阻系數(shù)每降低 10%，汽車可以節(jié)省燃油 7%。因此，降低汽車風(fēng)阻系數(shù)越來越受到各汽車廠家的重視。對車身造型的優(yōu)化是改善汽車空氣動力學(xué)特性，降低整車風(fēng)阻系數(shù)的重要手段。汽車空氣動力學(xué)研究方法主要有理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[2]。汽車空氣動力學(xué)的數(shù)值模擬方法一般稱為計(jì)算流體力學(xué)（CFD），具有耗時(shí)短、操作簡便、結(jié)果不受實(shí)驗(yàn)條件影響等優(yōu)勢，在汽車空氣動力學(xué)性能的研究中應(yīng)用最為廣泛[3]。

本文以某輕型客車為研究對象，利用CFD仿真分析的方式研究了汽車外流場分布，并利用整車風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的有效性。提出了三種優(yōu)化車身造型、降低整車風(fēng)阻系數(shù)的措施，并分析了各措施中關(guān)鍵參數(shù)對風(fēng)阻系數(shù)的影響。

2 ? ?整車有限元建模與仿真分析

2.1 ? 有限元模型建立

考慮CFD分析計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，在不影響整車流場特性的前提下，利用Hypermesh軟件對輕客CAD模型進(jìn)行幾何清理和簡化處理。整車簡化處理包括：去掉雨刮器、車門把手等部件，簡化底盤零件等。進(jìn)氣格柵的開放與否對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響較小[4-5]，將進(jìn)氣格柵封閉可大大減少計(jì)算不收斂的情況出現(xiàn)，因此將整車幾何模型中的進(jìn)氣格柵封閉。圖1為簡化處理后的整車幾何模型。

考慮到汽車在行駛過程中，尾部氣流在汽車尾部很長一段距離內(nèi)存在，對汽車的空氣動力特性影響較大。因此在計(jì)算區(qū)域設(shè)定時(shí)，將汽車尾部取較長的距離。根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]中的經(jīng)驗(yàn)，將計(jì)算域取為長方體，以整車為中心，車前方約為 2 倍車長，上方約為 4 倍車高，側(cè)向約為 4.5倍車寬，后方約為 4倍車長。圖2為CFD仿真計(jì)算域模型。

利用Hypermesh軟件對計(jì)算域模型整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格為四面體單元，劃分好的網(wǎng)格數(shù)量為470萬，計(jì)算域?qū)嶓w網(wǎng)格如圖3所示：

2.2 ? 湍流模型

由于汽車外流場馬赫數(shù)較低，因此可以將其看作三維不可壓縮粘性等溫流場。汽車由于外形復(fù)雜，在行駛過程中容易引起氣流分離，因此汽車外圍流場屬于粘性、不可壓縮流，可按湍流處理[4]。CFD仿真中常用的湍流模型有Reynolds Stress模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型等。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型收斂性好，殘差值低，具有較好的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和較高的計(jì)算精度，應(yīng)用較為廣泛。本文選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為湍流計(jì)算模型。湍動能k和湍流耗散率 的輸運(yùn)方程如下：

其中， ? ?為湍流動能; ? ?為由浮力產(chǎn)生的湍流動能;YM為過渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動; ? ?、 ? ? 為k方程和 ? 方程中出現(xiàn)的湍流普朗特?cái)?shù)， ? ? ? ? ， ? ? ? ? ? ? ?;

， 為定義的原項(xiàng)，對于不可壓縮流體，Gb=0，YM=0， ? =0， ? =0; ? ?為湍流粘性系數(shù)，表達(dá)式為 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ， ? ? =0.09， ? ?=1.44 ， ? ? ?=1.92，

=1。

2.3 ? 邊界條件設(shè)置

將劃分好的CFD網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算空間離散格式為二階迎風(fēng)格式，計(jì)算方法采用Coupled算法。空氣密度設(shè)置為1.18kg/m3，空氣動力粘度為1.7894×10-5Pa×s。設(shè)置邊界條件如表1所示：

2.4 ? 仿真結(jié)果與分析

原型車的整車CFD仿真結(jié)果如表2所示。由表2可知原型車的整車風(fēng)阻為991.75N，整車風(fēng)阻系數(shù)為0.4528。根據(jù)車身表面壓力云圖和汽車對稱面流速云圖等信息分析整車風(fēng)阻分布并確定風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化方向。

由圖4所示的整車壓力云圖可以看出，氣流對汽車前擋風(fēng)玻璃造成沖擊，并在此處消耗大量能量，造成汽車形狀阻力，從而增加了汽車的風(fēng)阻系數(shù)。由圖5所示的流速云圖可知，汽車行駛時(shí)，迎面而來的氣流流速較快，一部分氣流沿著引擎蓋、前擋風(fēng)玻璃、頂蓋離開汽車，另一部分氣流流經(jīng)汽車底部而離開汽車，兩部分氣流在汽車后部速度減緩并形成負(fù)壓區(qū)。汽車前部與后部的流速差異造成了整車的壓差阻力，增加了整車風(fēng)阻系數(shù)。

3 ? ?整車風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證整車風(fēng)阻系數(shù)仿真模擬的準(zhǔn)確性，開展整車風(fēng)洞試驗(yàn)，在進(jìn)氣格柵封閉和開放兩種狀態(tài)下測試原型車的整車風(fēng)阻系數(shù)，格柵開放與封閉情況如圖6所示。風(fēng)洞試驗(yàn)在上海地面交通工具風(fēng)洞中心的氣動聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行。為了保持試驗(yàn)和仿真的一致性，在試驗(yàn)中，保持車輪和移動帶靜止。整車風(fēng)洞試驗(yàn)試驗(yàn)工況如表3所示。

試驗(yàn)開始前進(jìn)行必要的試驗(yàn)準(zhǔn)備工作，包括檢查整車車輛狀態(tài)、清潔車輛并準(zhǔn)備車輛和風(fēng)洞天平之間的連接部件;根據(jù)實(shí)測輪軸距調(diào)節(jié)天平，如圖7、圖8所示對中并安裝車輛;試運(yùn)轉(zhuǎn)，確保安全后開始試驗(yàn)。整車風(fēng)洞試驗(yàn)狀態(tài)如圖9所示。

由表4所示的原型車風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可知：1）隨著風(fēng)速增加，風(fēng)阻系數(shù)略微下降，并且保持在0.42左右。2）不同風(fēng)速下，格柵開放和封閉狀態(tài)的風(fēng)阻系數(shù)最大相對變化在0.17%以內(nèi)，因而風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)一步證明了格柵封閉與開放對整車的風(fēng)阻系數(shù)幾乎沒有影響。

由表5可知，在格柵封閉狀態(tài)下，整車風(fēng)阻系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)值為0.4199（v=100km/h），與仿真結(jié)果之間的誤差為7.8%，處于可接受的誤差范圍。整車風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了該仿真模型和仿真結(jié)果的有效性和合理性，該仿真模型可用于后續(xù)整車風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化分析。

4 ? ?整車風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化

基于對原型車的風(fēng)阻來源分析，為降低整車風(fēng)阻系數(shù)，需從兩個方向優(yōu)化整車氣動性能：1）優(yōu)化車身造型，減小氣流對車身的正面沖擊;2）減少汽車前部與后部的流速差異，即減小汽車尾部負(fù)壓區(qū)，降低壓差阻力。

針對第一個優(yōu)化方向，本文提出增大汽車前擋風(fēng)玻璃迎風(fēng)角度以減小氣流的正面沖擊;針對第二個優(yōu)化方向，本文在對流場特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，分別研究調(diào)整車廂后上部造型和增大后車門傾斜角度對減小車身后部負(fù)壓區(qū)的影響。圖10為三種優(yōu)化措施在整車上實(shí)施的位置。表6總結(jié)了三種優(yōu)化措施具體的優(yōu)化策略及相應(yīng)目的。

4.1 ? 增大擋風(fēng)玻璃迎風(fēng)角度

汽車行駛過程中，氣流在前擋風(fēng)玻璃與引擎蓋間形成高壓區(qū)，因此需優(yōu)化前擋風(fēng)玻璃迎風(fēng)角度以降低汽車形狀阻力?；趯ΜF(xiàn)有實(shí)車模型最小更改的原則，將前擋風(fēng)玻璃上邊緣和側(cè)邊緣與車窗外框連接，前擋風(fēng)玻璃下邊緣與引擎蓋相連接，此時(shí)前擋風(fēng)玻璃迎風(fēng)角度增大～3°，即前擋風(fēng)玻璃由原迎風(fēng)角度（～134°）增大為～137°。圖11為增大前擋風(fēng)玻璃迎風(fēng)角度前后對比。

圖12為增大擋風(fēng)玻璃迎風(fēng)角度后風(fēng)阻系數(shù)相對變化。由圖9可知，將前擋風(fēng)玻璃迎風(fēng)角度增大3°可顯著降低整車風(fēng)阻系數(shù)，整車風(fēng)阻系數(shù)下降量為4.5%。

圖13為增大前擋風(fēng)玻璃迎風(fēng)角度后的整車壓力分布情況，由圖13可以看出，增大前擋風(fēng)玻璃迎風(fēng)角度后，前擋風(fēng)玻璃與引擎蓋間的高壓區(qū)相對原模型明顯減小，因此氣流對前擋風(fēng)玻璃的正面沖擊減弱，使整車阻力降低。

4.2 ? 調(diào)整尾翼翹角

車廂后上部的尾翼形狀影響車后渦流的尺寸和強(qiáng)度，進(jìn)而影響整車壓差阻力。尾翼翹角是尾翼上部與水平面的夾角，小于90°。尾翼翹角分為在水平面之上和之下兩種情況，在水平面之上記作+（例如+1°），在水平線之下不做標(biāo)記（例如1°）[6]。由于原車型的風(fēng)阻問題是在尾翼上翹時(shí)出現(xiàn)的，因此本文只研究尾翼下翹對風(fēng)阻系數(shù)的影響。根據(jù)對現(xiàn)有車型最小修改原則，設(shè)計(jì)2種尾翼下翹角度：1）尾翼翹角16°;2）尾翼翹角28°。尾翼翹角調(diào)整前后對比如圖14所示：

通過圖15所示的整車風(fēng)阻系數(shù)仿真結(jié)果可知，隨著尾翼下翹角度的增大，整車風(fēng)阻系數(shù)減小。尾翼翹角16°和尾翼翹角28°的優(yōu)化策略分別可使整車風(fēng)阻系數(shù)降低2.1%和4.0%。

圖16為調(diào)整車尾翼翹角后的流速云圖，對比原型車的流速云圖可以看出，尾翼翹角為16°時(shí)，車后存在兩個深藍(lán)色區(qū)域，即形成兩個負(fù)壓區(qū)，對降低整車壓差阻力的效果并不顯著，整車風(fēng)阻下降量僅為2.1%;當(dāng)尾翼翹角增大為28°時(shí)，汽車尾部的深藍(lán)色區(qū)域面積相對原型車縮小，負(fù)壓區(qū)減小，汽車壓差阻力降低，整車風(fēng)阻系數(shù)下降量達(dá)到4.0%。

4.3 ? 增大后門傾斜角度

大量來自汽車頂部和底部的氣流卷入車身尾流中，致使氣流在車身尾部產(chǎn)生氣流分離而產(chǎn)生真空區(qū)。為使氣流流經(jīng)汽車尾部時(shí)更加平順，減少尾部渦流和負(fù)壓區(qū)域的產(chǎn)生，將后車門傾斜角度在原車基礎(chǔ)上分別增大5°、7°和10°（以下簡稱后門傾斜角度+5°、后門傾斜角度+7°和后門傾斜角度+10°），研究后門傾斜角度對風(fēng)阻系數(shù)的影響。圖17為增大后門傾斜角度前后對比。

圖18為不同后門傾斜角度的整車風(fēng)阻系數(shù)仿真結(jié)果，由圖15可知，隨著后門傾斜角度的增加，整車風(fēng)阻系數(shù)依次降低。

圖19為增大后門傾斜角度后對稱面流速云圖，由圖19可知，車體后部真空區(qū)隨后門傾斜角度的增加而減小，這是因?yàn)樵龃蠛箝T傾斜角度使氣流流動更加順暢，減少了車后部渦流和真空區(qū)的產(chǎn)生，真空區(qū)的減小使整車壓差阻力減小，從而使整車風(fēng)阻系數(shù)降低。

5 ? ?結(jié)論

本文針對某輕型客車開展了整車風(fēng)阻系數(shù)仿真分析，并利用整車風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的有效性。在對原型車外流場進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了降低整車風(fēng)阻系數(shù)的優(yōu)化措施，并分析了各措施中關(guān)鍵參數(shù)對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響。通過對優(yōu)化措施的仿真分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）增大擋風(fēng)玻璃迎風(fēng)角度可減弱氣流對汽車的正面沖擊，降低整車風(fēng)阻系數(shù)。本文將前擋風(fēng)玻璃迎風(fēng)角度增大3°后，整車風(fēng)阻系數(shù)降低4.5%。

（2）增大尾翼下翹角有利于車體后部氣流的收斂和抑制車后負(fù)壓區(qū)的形成，可有效降低整車風(fēng)阻系數(shù)。

（3）整車風(fēng)阻系數(shù)隨后門傾斜角度的增大而降低。設(shè)計(jì)合理的后門傾斜角度，可有效改善車體后部流場，提升整車氣動性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙會芳，李小梅，楊文娟，等. CFD數(shù)值模擬的整車降風(fēng)阻技術(shù)研究[J]. 汽車零部件， 2018，000（009）：38-43.

[2]張懷華，容江磊，郭建成. 某轎車氣動特性的CFD分析及優(yōu)化[J]. 陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012， 30（002）：56-61.

[3]谷正氣.汽車空氣動力學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2005：111-140.

[4]李勝琴，趙銀寶. 前輪擋板對前輪外流場性能影響分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電子測量技術(shù)， 2019（11）.

[5]熊翠軍，趙龍慶. 汽車后視鏡和門把手內(nèi)置的風(fēng)阻仿真研究[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2012，000（007）：12-16.

[6]劉學(xué)龍， 閆曉曉，黃森仁. 汽車底部流場對氣動阻力性能影響的研究[J]. 新型工業(yè)化， 2015， 000（003）：35-41.

[7]曾艷. 某MPV車型氣動造型改進(jìn)設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué)，2016.

[8]趙銀寶. 基子外流場的某SUV車身局部幾何參數(shù)優(yōu)化[D].東北林業(yè)大學(xué)，2019.

[9]彭婧，李小梅，張光亞，王偉.基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的某MPV整車外氣動特性優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2017，26（02）：14-19.

[10]趙振宗，趙曉明，徐林，李曉璐.某SUV造型優(yōu)化仿真分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2016（03）：83-84.

[11]黃偉. 汽車空氣動力特性的計(jì)算機(jī)輔助分析[D].重慶大學(xué)， 2005.

[12]陳明，陳釗.某型商務(wù)車風(fēng)阻的分析及優(yōu)化[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2014（03）：23-24.

[13]薛繼國.基于造型優(yōu)化降風(fēng)阻技術(shù)研究與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2016，54（12）：45-50.