01-07某SUV气动阻力分析与优化

东风汽车公司技术中心；整车部仿真应用技术开发室；电话：[phone]某SUV气动阻力分析与优化陈雷王小碧肖能郭军朝程露（东风汽车公司技术中心，武汉，430056）（Tel：[phone]；Email：[e-mail]）摘要:整车气动阻力优化分析是提升汽车动力性和经济性的有效手段。本文利用CFD方法对某SUV外流场进行仿真分析，探讨气动阻力优化方法，主要对上部格栅、后扰流、底盘附件和前轮扰流进行优化分析，整车风阻值降低8.9%，提升燃油经济性，为整车空气动力学分析提供参考。关键词：SUVCFD空气动力学分析降低风阻0前言随着能源问题的日益突出，低油耗汽车有助于提高市场竞争力，节能减排已成为各大汽车公司工作的核心内容。控制风阻作为汽车行业中降低油耗的重要手段之一，越来越引起人们的重视。近年来，SUV车型越来越受到广大消费者的青睐，人们在享受SUV车带来的更大的驾乘空间的同时对动力性和经济性有了更高的要求，作为一项提升动力性和经济性的重要措施，风阻系数的控制在整车项目开发中占据越来越重要的位置。本文从整车空气动力学角度出发，对某SUV车外流场进行分析，并对进气格栅、后扰流、下护板、前轮扰流等部件进行优化，降低了整车风阻系数，为整车空气动力学设计提供参考。1模型建立：1.1几何模型由于CFD仿真计算的精度与计算网格的大小密切相关，但受到硬件的限制，只能对模型进行局部细化处理来控制网格数量，例如机舱内冷却系统部件、进气格栅和门把手等进行细化，其他对计算精度影响不大的区域设置较粗的网格尺寸。在STARCCM+中首先进行包面处理，消除细小的边和干涉等错误，保留模型的几个特征，提取计算模型最大的外表面。然后建立计算域，计算域尺寸：10m(高)*10m(宽)*40m(长)，入口距离车体10m。在车身周围进行三个区域的网格加密，最后进行局部网格加密后划分的1400万的trim体网格如图1所示。图1计算区域网格模型1.2初始边界条件汽车在行驶时，作用在车身表面的流体是空气，仿真的状况是标准大气压下。研究气动阻力的车速为一定值，120km/h，由于该速度远小于声速，此时可以把空气当做不可压缩气体进行处理。计算域的边界条件如表1所示。东风汽车公司技术中心；整车部仿真应用技术开发室；电话：[phone]表1计算域初始边界条件位置边界条件入口Velocityinlet，120km/h出口Pressureoutlet车身Wall（noslip）车前地面Wall（slip）车后地面Wall（noslip）顶面和侧面Wall（slip）2SUV原车流场分析如图2.1所示的原车各部件风阻值柱状图,从图中看出整车风阻占比较大的部件集中在前保和后背门附近,如轮胎、格栅、前保蒙皮、后背门、前后挡风玻璃等，在风阻优化时重点关注这些位置。图2.1原车各部件风阻值原车尾部速度云图和底部流线图分别如图2.2和图2.3所示。从速度云图可以看出，车尾部出现大面积涡流，距离车身较近，说明气流在距离车身很近的位置即发生了分离，这将导致较大的气动阻力。因此，可以通过优化后扰流延迟气流的分离，使尾涡远离车身，同时降低流速，提高尾部压力，从而减小气动阻力。从底部流线图可以看出，车底气流紊乱涡流较多，可以在车底增加下护板或扰流等附件来梳理底盘气流，减少气流对底盘件冲击，降低风阻。图2.2原车尾部中截面速度云图图2.3原车底部流线图3优化方案3.1进气格栅优化发动机舱冷却系统对整车风阻的贡献约6%-10%[4]，通过合理的设计进气格栅和冷却系统挡风板，能够在保证散热器和冷凝器进风量不变的前提下有效降低风阻。经研究,整车风阻值和冷却系统进风量都随着格栅进风面积的减小而减小,如图3.1所示,为了保证冷却系统进风量同时兼顾整车造型风格，本文将进风格栅上端封闭44.6%，同时加装冷却系统挡风板，东风汽车公司技术中心；整车部仿真应用技术开发室；电话：[phone]如图3.2所示。图3.1格栅封闭对风阻和进风量的影响图3.2加装冷却系统挡风板如图3.3所示，优化后机舱内涡流范围变小，机舱进风更加顺畅，图3.4所示的压云图看出机舱内压力明显降低，表明格栅封闭和加装挡风板共同作用减少了气流对机舱内部件的冲击，降低机舱压力。优化后风阻降低0.008，同时，由于冷却系统挡风板密封和导流作用，冷却系统进风量增加2.9%。图3.3优化前机舱速度矢量图图3.4优化后机舱压力云图3.2后扰流优化合理的设计后扰流板能够梳理尾涡结构,降低风阻。后扰流设计参数主要由弦长和攻角，如图3.5所示，D是弦长，A是攻角。图3.5后扰流弦长攻角示意图本文对后扰流的弦长和攻角进行如下优化分析：分别将后扰流攻角和弦长作为单一变量，攻角在-6.4°到+6.4°内均匀取值，弦长在-30mm到+30mm内均匀取值，得到由这两个参数组成的样本空间，在样本空间内选取12个样本点，通过这12个样本点进行仿真计算，得到的风阻系数如图3.6和图3.7所示。图3.6后扰流攻角优化方案图3.7后扰流弦长优化方案经分析,选择攻角提高5.3°,弦长不变的方案为风阻最小的方案,优化前后车身速度矢量图和湍动能图如图3.8和图3.9所示:东风汽车公司技术中心；整车部仿真应用技术开发室；电话：[phone]图3.8汽车车身压力云图图3.9汽车尾部湍动能图从压力云图和湍动能图中可以看出，优化后顶盖和后扰流板压力有明显提高，后扰流两侧也没有出现负压峰值区域，车尾涡湍动能强度和范围都有减小。攻角增大后减缓了顶盖气流分离速度，气流较柔和的向车尾流动，与尾涡融合，给分离后的气流补充了合适的能量，减少能量损失。风阻值比优化前降低0.007。3.3底盘附件优化底盘结构的复杂性，会对气流流动形成较大的阻碍作用。对底盘研究表明：底盘阻力占汽车总气动阻力的比例较大，汽车底部外形越复杂，气动阻力因数越大。底部的结构得到优化，对于减小汽车受到的压差阻力、诱导阻力和摩擦阻力都是十分有利的。因此,可以通过优化发动机下护板、加装导流板等措施梳理底部紊乱的气流。如图2.10和图3.11所示的底盘优化方案。图3.10发动机下护板优化图3.11加装底板导流板如图3.12所示，优化后发动机下护板、前悬架、后悬架、后地板等底盘件的表面压力明显减小。优化后地板结构平整,气流在悬架和油箱等地方受到的阻力小,流速加快,底部压力降低,减小了整车底部和顶部的压差,降低风阻。从土3.13尾部速度矢量图中可以看出，优化后底部气流流速加快，尾部气流向上翻卷状况得到改善，尾部涡流数量和范围都减小，气流紊流程度降低，说明优化后底盘结构变得平整，能量损耗减少，降低了诱导阻力和压差阻力。底盘优化后风阻值降低0.011。3.12地板压力云图图3.13尾部速度矢量图3.4前轮扰流优化优化车轮附近流场，一方面可以减小气流对轮胎的直接冲击，另一方面减少车身侧面气东风汽车公司技术中心；整车部仿真应用技术开发室；电话：[phone]流和底部气流在轮胎和轮罩之间汇聚形成涡流。增加轮胎扰流是一种常见的降低风阻方案，前轮扰流板如图3.14所示：图3.14加装前轮扰流如图3.15所示，加装前轮扰流后，车轮上的正压区明显减小，这表明直接冲击到前轮上的气流减少，前轮扰流阻挡了气流对车轮的正面冲击。从图3.16车轮附近流线图看出，进入车轮和轮罩之间的气流减少，从车轮侧面流过的气流增加，前轮扰流削弱了汽车轮腔内和底部气流的紊乱程度，优化流场状况的作用,风阻值降低了0.003。图3.15前轮压力云图3.16前轮附近流线图4优化结果优化后各部件风阻值如图4.1所示，从图中看出，优化后轮胎和轮罩风阻大幅降低，表明前轮扰流有效阻挡了气流对前轮冲击。后背门、后保、后挡风玻璃处风阻也有所下降，说明后扰流梳理了尾部涡流结构，提高了尾部压力，降低了尾部附近风阻值。后悬、油箱等部件风阻也因底盘附件的优化而风阻降低。前保、前挡风玻璃等部件风阻值增大，这是因为底盘和后扰流优化后车身周围气流流速加快，导致气流滞止区压力增大，分离区压力减小，前保、前风挡玻璃风阻增大。优化后风阻比原车降低8.9%。图4.1优化前后各部件风阻值对比5结论本文运用CFD方法，对某SUV车外流场进行了仿真分析，并通过优化方案降低整车风阻系数，得到以下结论：1、减小进风格栅开口面积，增加冷却系统挡风板，能够降低风阻同时增加冷却系统进风量。东风汽车公司技术中心；整车部仿真应用技术开发室；电话：[phone]、后扰流攻角的提高可以减缓气流分离速度，减少尾涡能量损失。SUV车身较高，对顶部的优化效果更为显著，应重点进行设计。3、底盘护板和导流板等底盘气动附件不仅能够梳理底盘气流，同时能够改善尾涡流结构，是重要的降低风阻的措施。4、轮胎扰流能够有效减少气流对轮胎冲击，其高度和安装位置需要进一步优化。参考文献[1]谷正气．汽车空气动力学［Ｍ］．北京：人民交通出版社，2005:116—140[2]KambizJahaniandSajjadBeigmoradiUnder-HoodAirFlowEvaluationofPedestrian-FriendlyFront-EndStyleUsingCFDSimulationSAETechnicalPaper2014,doi:10.4271/2014-01-0762.[3]Sterken,L.,Sebben,S.,Lofdahl.WakeandUnsteadySurface-PressureMeasurementsonanSUVwithRear-EndExtensions,SAETechnicalPaper2015-01-1545,2015,doi:10.4271/2015-01-1545.[4]AndreasKremheller.TheAerodynamicsDevelopmentoftheNewNissanQashqai.SAETechnicalPaper.2014;