前保險(xiǎn)杠導(dǎo)流板迎風(fēng)角度對輕型客車風(fēng)阻的影響

李爽爽，宋 偉，鄒 亮，閔峻英，3，林建平

（1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2.南京依維柯汽車有限公司，南京 210028；3.上海市金屬功能材料開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

前言

目前針對降低整車空氣阻力的研究主要聚焦于對汽車上部或下部流場的改善方面。對汽車前臉、后視鏡、尾翼等進(jìn)行合理的形狀設(shè)計(jì)可優(yōu)化汽車上部流場［1-4］。而對于改善汽車下部流場的研究主要集中在汽車底部添加氣動(dòng)附加裝置。汽車導(dǎo)流板是安裝在車體底部的氣動(dòng)附加裝置，其作用是引導(dǎo)和組織氣流，通過對導(dǎo)流板進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可減小輕型客車整車空氣阻力［5-6］。學(xué)者對該裝置的稱謂并不統(tǒng)一，除導(dǎo)流板外還有阻流板［6-7］、阻風(fēng)板［8］、氣壩［9］等名稱。Ilea等［5］通過在汽車前輪處加裝導(dǎo)流板，減少了輪胎前的壓力值，實(shí)現(xiàn)了汽車氣動(dòng)性能的改善。他們提出導(dǎo)流板最佳高度須根據(jù)車輛的形狀進(jìn)行調(diào)整。為減少導(dǎo)流板本身產(chǎn)生的阻力，Lee等［10］提出了噴氣式導(dǎo)流板的概念，該概念取消了傳統(tǒng)導(dǎo)流板。當(dāng)車輛的行駛速度超過某一定值時(shí)，噴氣系統(tǒng)沿與來流垂直的方向噴射空氣并形成氣幕，使前方來流遠(yuǎn)離輪胎，從而減小車輛空氣阻力。此外，不少學(xué)者研究了將導(dǎo)流板加裝在汽車前保險(xiǎn)杠下部對降低整車風(fēng)阻的影響。如徐鵬等［11］研究發(fā)現(xiàn)SUV前保險(xiǎn)杠導(dǎo)流板（氣壩）使氣流平穩(wěn)通過車輛底部，避免了氣流與底盤部件的沖擊，使整車風(fēng)阻系數(shù)降低近0.01。劉學(xué)龍等［6］研究了前保險(xiǎn)杠導(dǎo)流板（阻流板）對轎車氣動(dòng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板可有效改善整車氣流狀態(tài)，降低整車風(fēng)阻系數(shù)，但并未進(jìn)行導(dǎo)流板形狀和位置的優(yōu)化以及試驗(yàn)驗(yàn)證。通過以上研究可知，在前保險(xiǎn)杠下方添加導(dǎo)流板是提升整車氣動(dòng)性能和降低空氣阻力的有效方法。在輕型客車前保險(xiǎn)杠下方加裝導(dǎo)流板，并探究導(dǎo)流板迎風(fēng)角度對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響具有重要的工程應(yīng)用意義。

本文中以某輕型客車為研究對象，建立整車有限元模型，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法分析仿真模型的流場分布和整車風(fēng)阻系數(shù)。在該仿真模型前保險(xiǎn)杠下方分別加裝不同迎風(fēng)角度的導(dǎo)流板，探究整車風(fēng)阻系數(shù)在不同導(dǎo)流板迎風(fēng)角度下的變化規(guī)律，確定相對最優(yōu)的迎風(fēng)角度。借助整車風(fēng)洞試驗(yàn)探討了格柵封閉與開放對原型車和加裝導(dǎo)流板的整車風(fēng)阻系數(shù)的影響，為輕型客車車身減阻設(shè)計(jì)提供具有參考價(jià)值的方案。

1 整車CFD仿真

1.1 整車幾何模型與網(wǎng)格劃分

圖1示出根據(jù)某輕型客車建立的整車幾何模型。車輛長寬高分別為6 075、2 011和2 711 mm。為提高仿真計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，對整車幾何模型進(jìn)行簡化。忽略對整車風(fēng)阻影響較小的車門把手、雨刮器、側(cè)面車窗輪廓等部件或結(jié)構(gòu)特征；考慮到汽車底盤零件對汽車底部流場分布具有直接影響，因此在簡化底盤零件的同時(shí)，保留了發(fā)動(dòng)機(jī)底部護(hù)板、前懸架、車架、傳動(dòng)軸、排氣管、水箱、風(fēng)扇、備胎等零部件；進(jìn)氣格柵是否開放對整車風(fēng)阻具有一定影響［12］，考慮到將進(jìn)氣格柵封閉可縮減計(jì)算成本，并有利于計(jì)算收斂，因此在有限元模型中對進(jìn)氣格柵做封閉處理，但在后續(xù)的整車風(fēng)洞試驗(yàn)中將考慮格柵封閉與開放對整車氣動(dòng)性能的影響。

圖1 整車幾何模型

為達(dá)到降低整車風(fēng)阻系數(shù)的目的，針對原始整車模型，設(shè)計(jì)如圖2所示的前保險(xiǎn)杠導(dǎo)流板（以下簡稱導(dǎo)流板）。對導(dǎo)流板仿真模型做適當(dāng)簡化，去除迎風(fēng)面和安裝面的加強(qiáng)肋板以及影響后續(xù)網(wǎng)格質(zhì)量的倒角、通孔等。將簡化處理的導(dǎo)流板加裝在汽車的前保險(xiǎn)杠下部。

圖2 導(dǎo)流板模型及其安裝位置

為盡可能地實(shí)現(xiàn)加裝導(dǎo)流板的有效性，需要對導(dǎo)流板的迎風(fēng)角展開分析。如圖3所示。定義導(dǎo)流板迎風(fēng)面的對稱線與汽車行進(jìn)方向的夾角為迎風(fēng)角度θ，迎風(fēng)角度是影響導(dǎo)流板有效性的關(guān)鍵，也是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。由于導(dǎo)流板的高度H受整車底盤高度的限制，本車僅分析保持導(dǎo)流板高度（H=43.5 mm）不變的情況下，迎風(fēng)角度θ分別取35°、40°、45°、60°和90°時(shí)的整車風(fēng)阻系數(shù)。

圖3 導(dǎo)流板迎風(fēng)角度調(diào)整示意

建立計(jì)算域并定義汽車行駛時(shí)氣流的進(jìn)出口、流場的邊界以及氣體密度、壓力等外部條件，本文中研究采用的計(jì)算域長、寬、高分別為42 525、12 066和13 555 mm。在計(jì)算域內(nèi)，整車前方和后方的長度分別為車體長度的2倍和4倍，上方高度是車體高度的4倍，側(cè)向?qū)挾仁擒圀w寬度的4.5倍。圖4為整車計(jì)算域模型。

圖4 計(jì)算域模型

四面體單元網(wǎng)格具有良好的適應(yīng)性，因此利用四面體網(wǎng)格將計(jì)算域模型進(jìn)行劃分。汽車表面單元尺寸為20 mm，外圍計(jì)算域單元尺寸為100 mm。對前保險(xiǎn)杠和導(dǎo)流板附近區(qū)域的網(wǎng)格單元進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格尺寸為10 mm。每種算例的網(wǎng)格數(shù)量均保持在470萬左右。

1.2 湍流模型與邊界條件的確定

汽車外流場馬赫數(shù)較低，一般認(rèn)為車體周圍的氣流為不隨時(shí)間變化的定常、恒溫流動(dòng)，是具有一定黏性且不可壓縮的三維湍流流場［13-14］。在CFD數(shù)值仿真中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε、Realizablek-ε、Reynolds Stress和RNGk-ε等是常用湍流模型。其中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計(jì)算穩(wěn)定，具有較高的計(jì)算精度的同時(shí)兼?zhèn)漭^高的計(jì)算效率。另外本研究還比較了標(biāo)準(zhǔn)k-ε和Realizablek-ε湍流模型的差別，通過與試驗(yàn)獲得的整車風(fēng)阻系數(shù)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的誤差比Realizablek-ε模型更小。故最終采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型描述汽車外部流場。數(shù)學(xué)模型不再具體贅述。

利用CFD仿真軟件FLUENT進(jìn)行仿真求解，計(jì)算空間迎風(fēng)格式為2階，采用Coupled計(jì)算方法?？諝饷芏群宛ざ确謩e為1.18 kg∕m3和1.7894×10-5Pa·s，汽車迎風(fēng)面積為4.803 47 m2，判斷結(jié)果收斂的所有物理量的容差為10-3。表1給出邊界條件設(shè)置情況。

表1 邊界條件設(shè)定

汽車所受空氣阻力主要利用整車風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)汽車受到空氣阻力的影響越小時(shí)，整車風(fēng)阻系數(shù)越低，該情況下汽車油耗也越低。風(fēng)阻系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：F為沿車體縱向受到的風(fēng)阻；ρ為空氣密度；v為風(fēng)速；A為迎風(fēng)面積。

2 CFD仿真結(jié)果分析

2.1 原型車CFD仿真分析

由式（1）計(jì)算得到原型車的整車風(fēng)阻系數(shù)為0.452 8。

圖5所示為原型車對稱面流速云圖?？梢钥闯觯嚽胺絹砹魇芷嚽澳樧钃跛俣冉档?，一部分氣流從車體上方離開汽車，另一部分氣流經(jīng)過汽車前保險(xiǎn)杠下部從汽車底盤以較快流速流過。氣流在汽車尾部區(qū)域速度明顯降低，并在汽車尾部形成了拖拽渦，而拖拽渦的產(chǎn)生會(huì)消耗能量。由能量守恒定律可知，汽車后部能量的消耗直接導(dǎo)致整車的空氣阻力增大，這是造成整車空氣阻力的一個(gè)重要因素。該部分空氣阻力與車體形狀密切相關(guān)，通過添加車體氣動(dòng)附屬裝置以改善車體流場分布是實(shí)現(xiàn)整車降阻的一個(gè)簡單并易實(shí)現(xiàn)的辦法。

圖5 汽車對稱面流速云圖

圖6所示為車底前部壓力云圖。可以看到，發(fā)動(dòng)機(jī)艙護(hù)板底部和前懸架總成前部存在兩處高壓區(qū)，產(chǎn)生車底阻力。車底阻力主要是由車底前部的高速氣流對底盤零件沖擊引起的。因此，改善車底氣流以降低氣流對車底零件的正面沖擊阻力也是降低整車風(fēng)阻系數(shù)的一個(gè)途徑。

圖6 原型車車底前部壓力云圖

2.2 加裝導(dǎo)流板的整車CFD仿真分析

整車風(fēng)阻系數(shù)與導(dǎo)流板迎風(fēng)角度的關(guān)系分析結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，在汽車前保險(xiǎn)杠下方加裝不同迎風(fēng)角度的導(dǎo)流板均可降低整車風(fēng)阻系數(shù)。且隨著導(dǎo)流板迎風(fēng)角度的增大，整車風(fēng)阻系數(shù)呈現(xiàn)急劇減小趨勢，45°導(dǎo)流板模型的風(fēng)阻系數(shù)最小，整車模型的風(fēng)阻系數(shù)下降1.9%。隨著迎風(fēng)角度進(jìn)一步增加（60°和90°），整車風(fēng)阻系數(shù)稍有增加。

圖7 不同導(dǎo)流板迎風(fēng)角度下整車風(fēng)阻系數(shù)

圖8為加裝45°導(dǎo)流板前后的整車對稱面流速云圖。從圖8可以看出，相比原車模型，加裝45°導(dǎo)流板后，汽車后部的拖拽渦旋明顯減小，汽車流場特性得到改善，從而降低了整車的前后氣流的壓差造成的空氣阻力。

圖8 整車對稱面流速云圖對比

圖9為加裝不同迎風(fēng)角度的導(dǎo)流板后車底前部壓力云圖。在未加裝導(dǎo)流板時(shí)，汽車前方的氣流進(jìn)入汽車底部，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部的凸起部位和懸架前部（區(qū)域A）形成較大的正面風(fēng)阻壓力，給整車帶來較大的車底形狀阻力。加裝導(dǎo)流板后，由于導(dǎo)流板對氣流的阻擋和疏導(dǎo)作用，氣流對發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部和懸架前部（區(qū)域A）的沖擊明顯減弱，氣流高壓區(qū)主要集中在導(dǎo)流板的迎風(fēng)面（區(qū)域B）。隨著導(dǎo)流板迎風(fēng)角度的增加，導(dǎo)流板迎風(fēng)面上的壓力集中區(qū)域（區(qū)域B）逐漸加大，而發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部和懸架總成前部（區(qū)域A）的壓力則逐漸減小。實(shí)際上，加裝導(dǎo)流板所引入的（區(qū)域B）新的阻力與減少（區(qū)域A）的阻力相互抗衡，導(dǎo)流板迎風(fēng)角度越大其本身產(chǎn)生的正面壓力越大，迎風(fēng)角度越小，前保險(xiǎn)杠與發(fā)動(dòng)機(jī)底部間的氣流流速越大，對發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部零件以及懸架總成前部的沖擊氣流風(fēng)壓也越大。在所仿真的5種迎風(fēng)角度的導(dǎo)流板中，45°的導(dǎo)流板風(fēng)阻系數(shù)最小，說明45°的導(dǎo)流板可實(shí)現(xiàn)在降低氣流對發(fā)動(dòng)機(jī)底部沖擊的同時(shí)承受較小的正面壓力。

圖9 車底前部壓力云圖對比

3 整車風(fēng)洞試驗(yàn)

3.1 風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)置

為驗(yàn)證整車有限元模型和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別在實(shí)車的進(jìn)氣格柵封閉與開放條件下開展整車風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)在上海地面交通工具風(fēng)洞中心進(jìn)行。圖10為風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)整車狀態(tài)照片。整車放置于風(fēng)洞試驗(yàn)段的轉(zhuǎn)盤上方，并采用固定裝置將車體與轉(zhuǎn)盤相連接，保證試驗(yàn)過程中車體不發(fā)生位移或搖晃。為與仿真模型中的邊界條件保持一致，在風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行過程中車輪和移動(dòng)帶均保持靜止。利用六分量天平測定整車氣動(dòng)阻力，并根據(jù)式（1）計(jì)算風(fēng)阻系數(shù)。

圖10 整車風(fēng)洞試驗(yàn)

通過前文可知，加裝45°導(dǎo)流板時(shí)降低整車風(fēng)阻系數(shù)的效果最好，因此在汽車前保險(xiǎn)杠處加裝45°導(dǎo)流板并進(jìn)行整車風(fēng)洞試驗(yàn)以驗(yàn)證其對于實(shí)車降阻的有效性。圖11為45°導(dǎo)流板樣件在實(shí)車中的安裝情況。

圖11 45°導(dǎo)流板樣件安裝情況

借助風(fēng)洞試驗(yàn)探究原型車和加裝45°導(dǎo)流板的整車在不同風(fēng)速條件下的風(fēng)阻系數(shù)。整車風(fēng)洞試驗(yàn)工況如表2所示。

表2 原型車和加裝45°導(dǎo)流板的整車風(fēng)洞試驗(yàn)工況

3.2 原型車風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

圖12示出原型車整車風(fēng)阻系數(shù)在不同風(fēng)速下的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，隨著風(fēng)速增加，原型車的風(fēng)阻系數(shù)變化不大，約為0.42，風(fēng)阻系數(shù)最大相對變化量約為0.7%（格柵封閉時(shí)），說明風(fēng)速對汽車風(fēng)阻系數(shù)影響不大。此外，整車風(fēng)阻系數(shù)在格柵開放和封閉時(shí)的相對變化小于0.17%，表明原型車的整車風(fēng)阻系數(shù)基本不受進(jìn)氣格柵是否封閉的影響。

圖12 原型車各工況下風(fēng)阻系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

在車速為100 km∕h且格柵封閉時(shí)，整車風(fēng)阻系數(shù)試驗(yàn)與仿真結(jié)果的相對誤差為8%以內(nèi)，為工程應(yīng)用中可容許的誤差，從而驗(yàn)證了有限元模型的合理性和仿真結(jié)果的有效性。

3.3 加裝導(dǎo)流板的整車風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

圖13為進(jìn)氣格柵封閉和開放狀態(tài)下，加裝45°導(dǎo)流板的整車與原型車在不同風(fēng)速下的整車風(fēng)阻系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果對比。由圖可知，在格柵封閉與開放兩種狀態(tài)下，加裝導(dǎo)流板后整車風(fēng)阻系數(shù)會(huì)隨著風(fēng)速增加而略有下降，格柵封閉和開放時(shí)風(fēng)阻系數(shù)相對變化分別為0.9%和1.3%。當(dāng)格柵封閉時(shí)，加裝45°導(dǎo)流板整車風(fēng)阻系數(shù)最大可降低3.9%（風(fēng)速120 km∕h），而當(dāng)格柵開放時(shí)加裝45°導(dǎo)流板對降低整車風(fēng)阻系數(shù)效果不明顯，最大下降量僅為0.5%（風(fēng)速120 km∕h）。由加裝導(dǎo)流板的整車CFD仿真結(jié)果可知，在格柵封閉的狀態(tài)下，導(dǎo)流板通過減少并引導(dǎo)氣流遠(yuǎn)離底盤，從而減小氣流對底盤尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部的沖擊，進(jìn)而減小汽車底部氣動(dòng)阻力。在實(shí)車進(jìn)氣格柵開放的狀態(tài)下，氣流通過格柵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙并經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)前部空間流向底盤，這部分氣流不僅會(huì)補(bǔ)充導(dǎo)流板所減少的氣流，且更貼近發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部，對發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部產(chǎn)生風(fēng)壓沖擊，造成導(dǎo)流板對流場的疏導(dǎo)作用降低，導(dǎo)致整車風(fēng)阻系數(shù)下降較少［15］。

將圖13的試驗(yàn)結(jié)果與圖7的仿真結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，在車速為100 km∕h且格柵封閉的工況下，加裝45°導(dǎo)流板后的整車風(fēng)阻系數(shù)試驗(yàn)值與仿真值分別較原型車下降3.3%和1.9%，一致的下降趨勢表明仿真的有效性。車底流場的復(fù)雜性、對幾何模型中底盤零件的簡化以及實(shí)車在流場中的位姿與仿真模型的差異等是誤差產(chǎn)生的原因。

圖13 各工況下加裝導(dǎo)流板的整車與原型車風(fēng)阻系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果對比

基于以上分析可以得出，加裝45°導(dǎo)流板在格柵開放和封閉狀態(tài)下均具有降低整車風(fēng)阻的效果，而格柵封閉狀態(tài)下的降阻效果更為顯著。因此，本文提出的在汽車前保險(xiǎn)杠下方加裝導(dǎo)流板的做法可為進(jìn)氣格柵封閉的新能源汽車（如電動(dòng)汽車）的車身減阻設(shè)計(jì)提供重要參考，從而有利于提高能源利用率。

4 結(jié)論

（1）在車速為100 km∕h且進(jìn)氣格柵封閉的工況下，仿真分析分別加裝5種迎風(fēng)角度導(dǎo)流板的整車風(fēng)阻系數(shù)。結(jié)果顯示，不同迎風(fēng)角度的導(dǎo)流板均可降低整車風(fēng)阻系數(shù)，其中45°導(dǎo)流板的降阻效果最佳，可將整車風(fēng)阻系數(shù)降低1.9%。

（2）相比于其他迎風(fēng)角度的導(dǎo)流板，45°導(dǎo)流板在降低氣流對底盤前部零件沖擊的同時(shí)承受較小的正面壓力，且車身尾部拖拽渦旋的減小有利于整車前后氣流壓差造成的空氣阻力的降低，因而獲得最好的減阻效果。

（3）風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，整車風(fēng)阻系數(shù)受風(fēng)速的影響較小，80～120 km∕h的風(fēng)速下原型車和加裝導(dǎo)流板的整車風(fēng)阻系數(shù)最大相對變化分別為0.7%和1.3%。

（4）對于原型車，整車風(fēng)阻系數(shù)不受進(jìn)氣格柵開放與否的影響。而對于加裝45°導(dǎo)流板的整車，整車風(fēng)阻系數(shù)在格柵開放時(shí)下降0.5%（120 km∕h），而在格柵封閉時(shí)可下降3.9%（120 km∕h），這為格柵封閉類型新能源汽車（如電動(dòng)汽車）的車身降阻設(shè)計(jì)提供了重要參考。