1、 某经济型轿车外气动特性 优化 分析 赵婧 芦克龙 范士杰 马金英 任凤涛 付强 中国第一汽车股份有限公司技术 中心 ， 130011 【 摘 要 】 本文 以 某经济型三厢阶背式轿车一轮 造型方案 为研究对象 ， 使用数值仿真方法对无机舱平底盘模型的外气动特性进行详细分析， 寻找 对整车外流场分布影响较大的因素，并对其进行改进， 获得 低风 阻车身造型方案， 继而 使用数值仿真和风洞试验相结合的方法，对全细节模型进行分析，使用气动附件对车身底部流场进行整流，进一步降低了整车风阻系数。 结果表明，为获得低阻车身造型，设计上应尽量保证车身外形曲面之间 平滑过渡，避免出现尖锐转角 和凸起 ，以合理
2、引导气流 平滑 流过车身表面，延缓气流分离。 在一定范围内 , 抬高尾翘可有效减小车身后部真空区的面积，使整车阻力降低。使用前、后轮下扰流板，平滑底盘可优化车身底部流场，是较为有效的降阻措施。 【 关键词 】 低阻车身，车身降阻，底盘降阻 Aerodynamic Character Analysis and Optimize of An Economic Car Zhao Jing， Lu Kelong， Fan Shijie， Ma Jinying， Ren Fengtao， Fu Qiang China FAW Co., Ltd R&D Center, 130011 【 Abstract】
3、 In this paper， an aerodynamic character analysis of an economic car has been done to find out the factors which mainly influence the vehicle. Some improvements were used to optimize the character by CFD method. Then some underbody aero accessories were added to reduce the Cd value of the car. Both
4、the CFD results and wind tunnel results show that the effects are useful to reach the low drag target. It was shown that, to get a low Cd body, keep the surface change continuously is necessary. Avoiding using the sharply turning could lead the air flow passing the body logically, delay the air sepa
5、ration. Finally, by the result, both rear spoiler and wheel deflector were powerful methods to reduce the drag. 【 Key word】 low drag body， body drag reduce， chassis drag reduce 1 前言 随着全球石油储备量的不断减少 及 人们环保意识的不断增强，低能耗、低排放已成为汽车产品的重要指标。 优良的空气动力学特性已成为经济型轿车在激烈市场竞争中胜出的一大法宝 ，研究表明， 降低整车 所受 空气 阻力 是 一种 较为高效经济 的
6、 降低整车 油耗的 途径， 乘用车 气动阻力系数降低 0.01，每百公里可节省汽油 0.04L，减少 1g 碳排放 。本文 以 某经济型 三厢阶背式 轿车 一轮造型 方案 为研究对象 ，使用数值仿真方法对无机 舱平底盘模型 的 外气动特性进行 详细 分析，找到 对整车外流场分布 影响较大的 因素 ， 并对其进行 改进 ， 得到低阻车身造型方案， 进而 使用数值仿真和风洞试验相结合的方法，对全细节模型 进行 分析，使用气动附件降阻方法对车身底部流场进行整流，进一步 降低了整车 风阻系数。 2 外流场分析 2.1 分析 模型 与仿真策略 本文 使用数值仿真方法对 某经济型 三厢阶背式 轿车 一轮基
7、础 造型进行外流场分析，使用 Hypermesh 进行前处理， 用 Tgrid 软件进行体网格划分，图 1 为 使用 Tgrid 软件生成的体网格截图，在设置体网格 尺寸时 ，对车身重点 关注 部位 （如车身尾部等 ） 进行网格加密处理，最后生成体网格数量约为 13， 000， 000 左右。使用 Fluent 软件进行仿真计算，选用 Reliable k- 湍流模型，计算域入口为速度入口， 计算域 出口为压力出口，来流 速度 30m/s。经验表明，在此模拟条件下， 仿真结果与风洞试验结果的相对误差 较为稳定 。 图 1 体网格布置方案 2.2 外流场分析 2.2.1 基础 造型 分析 为更
8、准确的 分析 基础造型的 外 气动 特性， 应找到对整车外流场分布影响较大的因素， 通过观察 车身表面流场分布，发现在前轮口附近存在较为明显的气流分离现象，如图 2 所示。 分析图 2可知， 此处气流分离现象主要是由轮口外凸引起的，若 向内收缩 轮口线条，更好的引导 来 流平缓流过此处，可减少 气流分离。 图 2 车身表面 速度分布图 对 车身 后部流场特性进行分析，图 3 为 基础造型 总压为 0 的等值面图，由图 3 可知，基础造型尾部真空区面积较大，在 后尾灯 后部有 较为明显的气流分离现象。 考虑 改进尾翘和后尾灯造型可 在一定程度上 优化车身尾部流场，减小整车阻力。 对尾翘附近流场和
9、分离位置轮口分离位置轮口后尾灯附近流场进行详细分析，图 4 为尾翘附 近中央对称面速度分布图。分析图 4 可知，车尾真空区范围较大，会产生大量涡流，导致车身前后表面压力差增加，不利于车身降阻。 基础造型的后尾灯前部有较高凸起，形成一尖角结构，此结构加快了气流流经此处的流速，使气流流动状态发生扰动，诱发后部气流提前分离，故而应对此处结构进行改进，尽可能使车身表面和尾灯之间保持平滑过渡，减小后部的气流分离，从而降低整车阻力。 图 3 等值面图 图 4 中央对称面 速度分布图 2.2.2 改进 方案 分析 结合前述分析 结果 对 基础造型 进行 修改 ， 经计算，与基础造型相比， 改进 后整车 风阻
10、系数降低 了 5.8%， 车辆 外气动特性得到 明显改进。 主要修改部位有前轮口、后尾灯、尾翘等。 首先分析轮口内收效果： 图 5 为 两 方案前轮口附近车身表面速度分布 对比 图，分析图 5 可知， 与原方案相比，改进方案轮口 处有明显 内收， 保证了通过轮口 气流 的 平缓流动，有效延缓了气流分离。 基础造型 改进方案 图 5 车身表面速度分布对比图 图 6 为 两 方案车身 尾部中央对称面 速 度分布图 ， 与原方案相比， 对 尾翘 有所改进 。分析 图 6 可知， 改进后 尾部 真空区范围减小，有效降低了车身前后表面压差阻力，这是整车风阻下降的一个 主要 原因 。 图 6 中央对称面
11、速度分布对比图 基础造型 改进方案 尾翘后尾灯基础造型 改进方案改进方案淡化了后尾灯前部的明显凸起，图 7 为两方案后尾灯附近车身表面速度分布对比图，由图 7 可知，与原方案相比，改进方案的后翼子板表面和后尾灯前部表面之间的过渡更为平滑自然， 从而 降低了尾灯前后位置 气流 的速度差，有效的延缓了车尾部转角处的气流分离。 基础造型 改进方案 图 7 车身表面 速度分布对比图 如前所述，车身造型应尽量保证不同特征、不同曲面之间的 平滑过渡，避免出现尖锐棱角和突兀改变，以合理的引导气流尽可能平滑、顺畅的流过车身表面，延缓气流分离，从而降低整车阻力。 在一定范围内 抬 高尾翘 ，延伸其作用范围 可有
12、效减小车身后部真空区的面积 ，降低整车阻力。 3 底盘流场分析 3.1 仿真 与试验 方案 底盘结构复杂，外凸件多，阻碍气流的顺畅流动，增加整车阻力 。 经计算， 在真实状态下， 乘用车底盘所受空气阻力占整车所受空气总阻力的 20%40%左右。在车身造型方案确定后，对带有发动 机舱和真实底盘的全细节模型进行底部流场分析，以进一步降低整车阻力系数，优化整车空气动力学性能。 图 8 为 本文 底盘 流场 分析用数字模型。 仍使用前述软件和计算策略对全细节模型进行底盘流场的仿真分析。结合图 8 分析车身底部结构特征： 散热器底部有较大面积未封闭区域，气流在此处 流动会较为紊乱 ，影响车身底部流场品质
13、，同时也会造成内流阻力 的 增加 ； 前刹车盘冷却口会在一定程度上增加车轮附近气流流量，不利于车身降阻 ； 前保下挡板和前后轮下挡板 还有加长的空间 1。结合前述分析， 共设置 5 个降阻方案，方案内容见表 1。 表 1 降阻方案 序号 方案 1 封闭散热器底部 2 加长前保挡板 3 封闭刹车盘散热口 4 加长前轮挡板 5 加长后轮挡板 图 8 数字模型 试验模型为 1:1 全细节模型，风洞试验方案内容与表 2 相同。 图 9 为 部分 前述 方案的风洞试验布置图 。 图 9 风洞试验布置图 3.2 底盘流场分析 结果 表明 ，数值仿真和风洞试验 的 相对误差 稳定 ， 表 2 为 前述各 方
14、案降阻效果 明细表。 由表 2 可见，除加长前保挡板外，其余方案均有一定降阻效果 。需要注意的是，在分析中发现 前述减阻手段耦合作用明显，不仅降阻附件和车身之 间存在交互作用，降阻附件之间也存在明显的交互作用。因为耦合作用的存在，降阻附件的效果不能简单叠加，不恰当的 使用 降阻附件反而 会 导致整车阻力不降反升的负效果。下扰流板 的 降阻功效和扰流板尺寸之间的一般性变化规律为：在一定范围内，扰流板宽度不变时，降阻效果随扰流板的高度增加而增加；扰流板高度不变时，降阻效果随扰流板的宽度增加而增加。前轮下扰流板的效果比较稳定，后扰流板的作用规律性较差。 表 2 降阻结果 序号 方案 降阻效果（ Cd
15、） 1 封闭散热器底部 0.002 2 加长前保挡板 0.0003 3 封闭刹车 盘散热口 0.009 4 加长前轮挡板 0.002 5 加长后轮挡板 0.002 综上所述，底盘降阻措施 可 以进一步降低整车阻力， 但需 对具体车型进行具体 的 空气动力学外流场特性分析，以达到最佳降阻效果 。空气动力学 仍 是一门有待发展，未完全为人类所认识的学科，一般规律仅具有指导意义 。 4 结论 1. 车身外形 设计 应尽量保证曲面之间的平滑过渡，避免出现尖锐转角，以合理引导气流流过车身表面，延缓气流分离，从而降低整车阻力。 2. 在一定范围内，使用 尾翘可有效减小车身后部真空区的面积， 使 整车阻力 降低 。 . 使用前、后轮 下扰流板 ， 平滑底盘 可优化车身底部流场，是较为有效的降阻措施 。 【参考文献】 1 Simone Sebben. Numerical Simulations of a Car Underbody: Effect of Front-Wheel DeflectorsC/SAE Paper 2004-01-1307 刹车盘散热孔后轮下挡板基础模型 改进方案前保下挡板前保下挡板前轮下挡板方案一方案二方案三方案四方案五方案一方案二方案三方案四方案五
