某SUV空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬及優(yōu)化研究

彭立爭(zhēng)　彭婧　吳龍質(zhì)　黎謙　趙云云

摘 要：運(yùn)用STAR-CCM+軟件對(duì)某款SUV進(jìn)行整車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬分析，通過(guò)模擬分析找出影響風(fēng)阻的關(guān)鍵區(qū)域，并對(duì)霧燈、A柱、后視鏡、側(cè)尾翼進(jìn)行了風(fēng)阻優(yōu)化，優(yōu)化后整車風(fēng)阻系數(shù)降低7.5％，降阻效果顯著。試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了整車空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：suv 空氣動(dòng)力學(xué) 數(shù)值模擬 優(yōu)化

1 引言

氣動(dòng)阻力是汽車行駛時(shí)的主要阻力之一，對(duì)汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性有重要影響，降低整車風(fēng)阻是減少汽車油耗的一個(gè)重要手段[1]。目前針對(duì)氣動(dòng)阻力研究的主要手段有風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，汽車風(fēng)洞試驗(yàn)可以獲得相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但是每小時(shí)近3萬(wàn)元人民幣的試驗(yàn)費(fèi)，非常昂貴。CFD數(shù)值模擬研究以經(jīng)典力學(xué)理論為基礎(chǔ)，借助當(dāng)下先進(jìn)的計(jì)算機(jī)算力對(duì)模型進(jìn)行仿真求解，大大提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]。同時(shí)數(shù)值模擬技術(shù)憑借可靠、高效以及成本優(yōu)勢(shì)成為業(yè)內(nèi)研究氣動(dòng)阻力的重要手段。一般經(jīng)過(guò)數(shù)輪的仿真分析優(yōu)化后，再借助風(fēng)洞試驗(yàn)手段進(jìn)行方案有效性的驗(yàn)證，既保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，又能夠有效降低開(kāi)發(fā)成本。

參考國(guó)內(nèi)外汽車空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)[3-7]，本文通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)某款SUV進(jìn)行了風(fēng)阻分析，找出了影響風(fēng)阻關(guān)鍵區(qū)域，并提出了優(yōu)化方案。最后，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。

2 計(jì)算模型建立

2.1 幾何模型

在前處理軟件hypermesh中對(duì)汽車外表面和車輪等進(jìn)行幾何清理，去除了一些不影響氣流流動(dòng)的螺栓等小部件，同時(shí)為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)部分零部件進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化處理。幾何清理后，對(duì)幾何模型進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，其中對(duì)氣流敏感的區(qū)域如前臉、A柱、后視鏡、后擾流板等進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。

在hypermesh中完成幾何清理、面網(wǎng)格劃分后，把模型導(dǎo)入到Star CCM+進(jìn)行面網(wǎng)格修復(fù)優(yōu)化及局部加密區(qū)的設(shè)定，采用三棱柱加切割體填充方式，生成約4200萬(wàn)體網(wǎng)格。采用的計(jì)算區(qū)域尺寸約為車前方四倍車長(zhǎng)，上方四倍車高，側(cè)向四倍車寬，車后方八倍車長(zhǎng)。

2.2 邊界條件設(shè)定

本文采用可實(shí)現(xiàn)的K-Epsilon 湍流模型設(shè)置邊界條件，計(jì)算域的壁面參數(shù)采用STAR CCM+推薦的兩層全y+壁面設(shè)置。速度入口，風(fēng)速為120 km/h；壓力出口，壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；車身表面為壁面邊界條件，風(fēng)洞壁面為滑移壁面，風(fēng)洞地面為移動(dòng)地面，移動(dòng)速度為120 km/h；散熱器、冷凝器作多孔介質(zhì)模型處理。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 霧燈優(yōu)化分析

前保兩側(cè)的拐角位置是氣流管理的關(guān)鍵區(qū)域，設(shè)計(jì)師通常喜歡在該區(qū)域設(shè)計(jì)大而深的特征來(lái)凸顯造型特性，這給風(fēng)阻帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。霧燈處的深坑非常容易使氣流分離，分離后氣流與輪胎外側(cè)形成的渦流相互影響，風(fēng)阻增加明顯。

所以工程師要花大量的時(shí)間去做優(yōu)化，跟設(shè)計(jì)師也要進(jìn)行大量的溝通，為了降阻，在該區(qū)域一般會(huì)設(shè)計(jì)霧燈氣簾來(lái)降低深坑區(qū)域的正壓力。由于加裝氣簾需要增加成本，限于成本壓力，風(fēng)阻工程師通常需要在不加氣簾的基礎(chǔ)上進(jìn)行降阻優(yōu)化。如圖2原始方案，霧燈臺(tái)階高，高度27mm，且靠外，對(duì)風(fēng)阻不利。如圖2優(yōu)化方案，對(duì)外側(cè)臺(tái)階高度、位置進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的霧燈臺(tái)階減小至5mm，且霧燈外側(cè)面沿著y方向內(nèi)縮了20mm。由圖3可見(jiàn)，優(yōu)化前氣流在霧燈處阻滯及分離較嚴(yán)重，在該處形成的渦流較大。優(yōu)化后減小了氣流在該處的阻滯及分離，減小霧燈正壓，有效降低了汽車風(fēng)阻。

3.2 A柱方案分析

A柱與發(fā)罩搭接處屬于氣流分離敏感區(qū)域，前方高速來(lái)流流經(jīng)A柱與發(fā)罩搭接處時(shí)，由于搭接處結(jié)構(gòu)不平整，很容易引起氣流分離，影響了氣流的平順性，形成各種漩渦，造成大量的能量耗散，使整車氣動(dòng)阻力增加。如圖4，原方案發(fā)罩側(cè)邊末端凌駕于A柱上，同時(shí)與前擋間的深度大，相比之下優(yōu)化方案實(shí)現(xiàn)了A柱發(fā)罩末端無(wú)縫連接，同時(shí)減少發(fā)罩末端與前擋間的段差。由圖5可見(jiàn)，在A柱與發(fā)罩末端的搭接處引起的氣流分離明顯減弱，氣流流動(dòng)更加順暢，能量損失更小，有利于降低整車氣動(dòng)阻力。

3.3 后視鏡位置優(yōu)化

在汽車行駛時(shí)，暴露在車身表面的后視鏡會(huì)影響附近區(qū)域的氣流狀況 ，產(chǎn)生附加的氣動(dòng)阻力。后視鏡使整車氣動(dòng)阻力增加主要有兩方面的原因：一方面后視鏡突出于車身之外， 增加了整車的迎風(fēng)面積，形成了壓差阻力 ;另一方面由于其尾部出現(xiàn)了明顯的氣流分離，使側(cè)窗附近以及車尾流場(chǎng)更加紊亂，增加了整車的渦量損耗。 而這兩方面的影響是相互制約的。為了探討汽車后視鏡的安裝位置對(duì)整車風(fēng)阻系數(shù)的影響，根據(jù)后視鏡原始方案的仿真分析結(jié)果做以下改進(jìn)：將后視鏡從三角板位置移到車門上，同時(shí)調(diào)整后視鏡安裝角度，如圖6所示：

由圖7可知，優(yōu)化前的后視鏡尾部流場(chǎng)有明顯的渦旋，后視鏡自身產(chǎn)生的渦流與車身引起的渦流纏繞形成更大的混合渦流，使得側(cè)窗附近氣流紊亂，增加了整車的渦量損耗；相比之下，優(yōu)化方案可以明顯降低后視鏡尾部渦旋，可以很大程度地改善汽車空氣阻力特性，有效降低汽車的風(fēng)阻系數(shù)。

3.4 側(cè)尾翼優(yōu)化分析

汽車行駛過(guò)程中，車頭正面部分承受正壓力，車尾尾部形成大范圍的負(fù)壓區(qū)，汽車車身前后的壓力差造成了汽車的壓差阻力，這也是汽車所受的主要阻力，這部分阻力對(duì)汽車的阻力影響較大。想要減小氣動(dòng)阻力，可以通過(guò)改進(jìn)汽車尾部造型，來(lái)減小車身前后的壓力差。為了探究側(cè)尾翼對(duì)尾部氣流影響，如圖8所示，在原始方案的基礎(chǔ)上加裝了側(cè)尾翼。

由圖9可見(jiàn)，沒(méi)加側(cè)尾翼，后擋所受的負(fù)壓明顯偏大，同時(shí)經(jīng)過(guò)D柱的氣流內(nèi)卷在尾部形成渦流，渦流越大，造成的能量損耗越多，增加前后壓差阻力。在尾部增加側(cè)尾翼后，尾部氣流平順通過(guò)，沒(méi)有在尾部形成內(nèi)卷，同時(shí)減小了渦流，降低能量損失，提升背壓，減小汽車前、后壓差，達(dá)到明顯的減阻效果。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)在全尺寸汽車風(fēng)洞試驗(yàn)室中開(kāi)展，邊界層抽吸開(kāi)啟、車輪WDU旋轉(zhuǎn)、地面移動(dòng)帶CB轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)速設(shè)為120 km／h。分析仿真與試驗(yàn)的差異，從圖10可見(jiàn)，霧燈方案可降低整車風(fēng)阻約3％，A柱方案可降低整車風(fēng)阻約0.5％，后視鏡方案可降低整車風(fēng)阻約1％，D柱方案可降低整車風(fēng)阻約3％，總體降低整車風(fēng)阻約7.5％，仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試一致性較好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法對(duì)某SUV車型進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)了霧燈、A柱、后視鏡、側(cè)尾翼四個(gè)部位的優(yōu)化方案，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）側(cè)面特征淺且靠?jī)?nèi)的霧燈設(shè)計(jì)能改善前保拐角氣流的分離，減小霧燈凹坑氣流的阻滯，同時(shí)使分離的氣流很快再次附著在側(cè)面。霧燈方案通過(guò)減小霧燈凹坑的正壓與氣流分離，降低風(fēng)阻。（2）A柱與發(fā)罩末端無(wú)縫連接，同時(shí)降低發(fā)罩末端與前擋間的段差，可以減小該處氣流的分離與橫向渦流的產(chǎn)生，氣流流動(dòng)更加順暢，能量損失更小。（3）后視鏡安裝位置及角度的改變，可以明顯降低后視鏡尾部渦旋，很大程度地改善汽車空氣阻力特性，有效降低汽車風(fēng)阻。（4）增加側(cè)尾翼，可延長(zhǎng)尾部氣流分離，使渦心遠(yuǎn)離車位，同時(shí)使氣流分離干凈，不內(nèi)卷到尾部，減小尾部渦流。（5）通過(guò)優(yōu)化霧燈、A柱、后視鏡、側(cè)尾翼，整車風(fēng)阻系數(shù)降低7.5%，風(fēng)阻降低明顯，且仿真與試驗(yàn)一致性較好。（6）利用空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法能準(zhǔn)確模擬方案的有效性，節(jié)省成本，縮短工程周期。

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