郭軍朝，史建鵬，陳 贛，朱永勝，陳世旺

(東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心,武漢 430058)

2016083

某SUV車底氣動附件的仿真與試驗研究

郭軍朝，史建鵬，陳 贛，朱永勝，陳世旺

(東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心,武漢 430058)

在汽車主造型凍結(jié)后，進(jìn)一步改善整車風(fēng)阻特性的主要途徑是在車底增加氣動附件。本文中運(yùn)用計算流體動力學(xué)仿真和試驗技術(shù)分析了某SUV車型在車底不同狀態(tài)下的風(fēng)阻特性。結(jié)果表明，車底布置氣動附件不但能降低整車的氣動阻力系數(shù)，而且能降低整車高速行駛時的升力。另外，文中還通過試驗數(shù)據(jù)分析，研究了SUV車型在來流風(fēng)速為120km/h時的氣動六分力特性。

SUV；氣動附件；氣動特性

前言

隨著生活節(jié)奏越來越快，汽車的行駛速度也日益提高，降低汽車的燃油消耗也愈加迫切。對于大排量的SUV車型而言，為降低其高速行駛時的油耗，改善其外氣動特性是有效的方法之一[1]。氣動特性不僅影響著整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性，而且影響著車輛的操縱穩(wěn)定性。在車輛主體造型凍結(jié)的前提下，通過優(yōu)化車輛底部結(jié)構(gòu)進(jìn)而降低整車風(fēng)阻特性顯得尤為重要[2]。文獻(xiàn)[3]中雖然研究了車底不同結(jié)構(gòu)對風(fēng)阻的影響，但它僅限于比例模型階段風(fēng)阻特性的研究，沒有從實車角度開展氣動特性的仿真和試驗研究，因此對認(rèn)識實車的氣動特性具有一定的局限性。文獻(xiàn)[4]中開展了SUV車型在高速行駛時側(cè)風(fēng)對整車操穩(wěn)特性影響的研究，但它未考慮車底附件對實車氣動特性的影響。文獻(xiàn)[5]中將1∶1的油泥模型車底區(qū)域處理成平面(flat floor)的形式，研究了特斯拉造型未凍結(jié)前的風(fēng)阻和升力特性。

本文中以東風(fēng)某款SUV車型為研究對象，以降低實車風(fēng)阻系數(shù)Cd為目標(biāo)，最終通過運(yùn)用虛擬風(fēng)洞仿真和物理風(fēng)洞試驗兩種方法達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。具體方式是在車底增加氣動附件，它不但降低了SUV車型Cd值，也改善了實車高速行駛時的升力特性。同時，進(jìn)行SUV初始狀態(tài)Cd值的仿真和風(fēng)速為120km/h時氣動六分力特性的試驗。這些工作對今后車型的氣動開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

1 不同車底護(hù)板布置狀態(tài)

1.1 不同車底的狀態(tài)

為比較車底護(hù)板對實車風(fēng)阻特性的貢獻(xiàn)，設(shè)置了5種不同車底結(jié)構(gòu)，如圖1所示，對前4種狀態(tài)均開展了實車仿真和風(fēng)洞試驗。

圖1 不同車底護(hù)板布置狀態(tài)

1.2 風(fēng)阻系數(shù)仿真與試驗結(jié)果的對比

運(yùn)用仿真和試驗方法比較了前述5種狀態(tài)下的風(fēng)阻系數(shù)，結(jié)果如表1所示。為突出車底不同狀態(tài)結(jié)構(gòu)對氣動特性的影響，試驗數(shù)據(jù)以車底護(hù)板初始狀態(tài)(b)為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理。

表1 SUV不同車底狀態(tài)對Cd值的影響

從流場角度分析，格柵全封閉后，前方來流進(jìn)入到機(jī)艙內(nèi)的內(nèi)流阻力變小，從而降低了整車在X軸正向受到的阻力[6]。機(jī)艙內(nèi)流阻力對實車風(fēng)阻的貢獻(xiàn)為0.02。

同理可得，油箱前護(hù)板相對實車對Cd值的貢獻(xiàn)比例增加了0.02，達(dá)到了7個counts。無發(fā)動機(jī)下護(hù)板狀態(tài)相對無油箱前護(hù)板狀態(tài)，Cd值的貢獻(xiàn)歸一化后為0.04，達(dá)到了16個counts。由此定量分析可得，發(fā)動機(jī)下護(hù)板更有利于降低Cd，并且發(fā)動機(jī)下護(hù)板和油箱前護(hù)板兩者降低Cd值歸一化后為0.06，達(dá)到23個counts。兩者對降低SUV風(fēng)阻的影響不能忽略[7]。

同理可得，在SUV進(jìn)氣格柵、車底護(hù)板不同狀態(tài)下，其風(fēng)阻系數(shù)不同。前進(jìn)氣格柵封閉狀態(tài)相對實車狀態(tài)，Cd值比例減小了0.052。

1.3 風(fēng)阻系數(shù)分解

為了研究整車各主要零件對整車風(fēng)阻系數(shù)的貢獻(xiàn)，對圖1(b)初始狀態(tài)的整車進(jìn)行風(fēng)阻系數(shù)的仿真分解工作，而這種分析彌補(bǔ)了風(fēng)洞試驗的不足。在流體仿真軟件star—ccm+中的后處理輸出報告功能里可以捕捉實車的各主要部件對風(fēng)阻系數(shù)的貢獻(xiàn)，如表2所示。

表2中主體造型的風(fēng)阻系數(shù)為0.199，對整車貢獻(xiàn)量最大。風(fēng)阻系數(shù)數(shù)量級為10-2的部件有上格柵、輪胎、前懸系統(tǒng)、下格柵、后懸系統(tǒng)、后視鏡、輪輞和發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的散熱器上下水室與周邊管路。風(fēng)阻系數(shù)數(shù)量級為10-3的部件有缸體、前保下護(hù)板、前大燈、變速器、油底殼、冷凝器周圍支架、發(fā)動機(jī)罩內(nèi)板、空濾、發(fā)動機(jī)機(jī)罩、油箱前護(hù)板、排氣管等。其它部件風(fēng)阻系數(shù)的貢獻(xiàn)數(shù)量級為10-4。

2 實車風(fēng)洞試驗

對初始狀態(tài)的SUV整車進(jìn)行風(fēng)洞試驗，如圖2所示。根據(jù)工程經(jīng)驗，汽車空氣動力坐標(biāo)系原點設(shè)在車輛縱向?qū)ΨQ面與地面的交線上，前后軸中點處。規(guī)定3個力和3個力矩方向如圖3所示，整車在來流風(fēng)速作用下所受到的3個力(氣動阻力、氣動升力和氣動側(cè)向力)和3個力矩(縱傾力矩、側(cè)傾力矩和偏航力矩)統(tǒng)稱為6分力，6分力的數(shù)值就是氣動力合力在這個坐標(biāo)系上的分解。其中，偏航角β是指自由來流方向與車身縱軸X的夾角，車頭右擺為正，空氣動力學(xué)坐標(biāo)系各符號如表3所示。

圖2 SUV風(fēng)洞試驗

圖3 SUV風(fēng)洞試驗坐標(biāo)系

符號含義符號含義FX氣動阻力Cd風(fēng)阻系數(shù)FY氣動側(cè)向力CS側(cè)向力系數(shù)FZ氣動升力CL升力系數(shù)MRM側(cè)傾力矩CRM側(cè)傾力矩系數(shù)MPM俯仰力矩CPM俯仰力矩系數(shù)MYM偏航力矩CYM偏航力矩系數(shù)

3 SUV車型氣動特性研究

以東風(fēng)某款SUV整車為對象進(jìn)行試驗，試驗數(shù)據(jù)以車底護(hù)板初始狀態(tài)圖1(b)為基準(zhǔn)做了歸一化處理。

3.1 氣動側(cè)向力特性

在120km/h來流風(fēng)速時，SUV車底不同狀態(tài)下側(cè)向力系數(shù)歸一化后的比較如表4所示。

表4 車底不同狀態(tài)下對氣動側(cè)向力特性的影響

分析表4數(shù)據(jù)可得，實車狀態(tài)和去除油箱護(hù)板狀態(tài)下，整車受到側(cè)向力的合力是指向Y軸正方向；去除油箱和發(fā)動機(jī)兩塊板子狀態(tài)下，側(cè)向力合力是指向Y軸負(fù)方向。從受力角度分析，整車在實車、去除油箱護(hù)板和去除油箱與發(fā)動機(jī)下護(hù)板3種狀態(tài)下受到的側(cè)向力歸一化后依次減小，并且力的方向從指向Y軸正向到指向Y軸負(fù)向。

3.2 氣動升力特性

120km/h來流風(fēng)速時，SUV車型在前格柵、下護(hù)板不同狀態(tài)時的氣動升力系數(shù)歸一化后的比較如表5所示。

表5 車底不同狀態(tài)對氣動升力特性的影響

分析表5升力系數(shù)可得，總的升力系數(shù)等于前后軸的升力系數(shù)之和。從實車狀態(tài)，到去除油箱前下護(hù)板狀態(tài)、去除發(fā)動機(jī)下護(hù)板和油箱前護(hù)板狀態(tài)，升力系數(shù)歸一化后依次增加了0.127，0.230。

上下格柵全封閉時，升力系數(shù)歸一化后，從實車的1，減小到0.548，減小了45.23%，也即格柵全封閉后，不但降低了整車在高速下的風(fēng)阻，而且也降低了整車在高速行駛時受到的升力。

從流場角度分析可得，從實車狀態(tài)、去除油箱下護(hù)板和去除油箱與發(fā)動機(jī)下護(hù)板3種狀態(tài)，前軸底部所受到的靜壓基本不變，而后軸底部流場在護(hù)板的作用下，靜壓依次增大，因而后軸受到的升力逐次增大。

3.3 氣動側(cè)傾特性

車底增加護(hù)板使氣流經(jīng)過時，外翻到左右側(cè)圍區(qū)域的氣流會受到影響[8]。120km/h來流風(fēng)速時，SUV車型在前格柵、下護(hù)板不同狀態(tài)時的氣動側(cè)傾系數(shù)歸一化后的比較，如表6所示。

表6 車底不同狀態(tài)對側(cè)傾特性的影響

參考?xì)鈩幼鴺?biāo)系，分析側(cè)傾力矩系數(shù)可得實車初始狀態(tài)相對來流方向，有順時針翻轉(zhuǎn)的可能性。去掉油箱護(hù)板后，側(cè)傾力矩系數(shù)為0，車輛無翻轉(zhuǎn)的傾向。去掉油箱、發(fā)動機(jī)兩塊下護(hù)板后，相對來流實車受到逆時針反轉(zhuǎn)的力矩。

3.4 氣動縱傾特性

120km/h來流風(fēng)速時，SUV車型在前格柵、下護(hù)板不同狀態(tài)時的氣動縱傾系數(shù)歸一化后的比較，如表7所示。

車底護(hù)板會改變車底的流場，進(jìn)而影響汽車前后軸所受到的升力[9]。參考?xì)鈩幼鴺?biāo)系，整車在實車初始狀態(tài)、去除油箱護(hù)板和去除油箱與發(fā)動機(jī)護(hù)板3狀態(tài)下，整車受到的繞Y軸的俯仰力矩依次逐漸減小，這與4.3節(jié)描述前軸受到升力不變，而后軸受到的升力依次減小相一致。

表7 車底不同狀態(tài)對縱傾特性的影響

3.5 氣動偏航特性

氣動偏航特性是研究汽車在高速行駛時，在運(yùn)動空氣作用下實車在水平面發(fā)生左右偏擺運(yùn)動的可能性。偏擺的產(chǎn)生與前后受到的升力，左右車身側(cè)圍受到的側(cè)向力都有關(guān)系[10]。120km/h來流風(fēng)速時，SUV車型在前格柵、下護(hù)板不同狀態(tài)時的氣動偏航系數(shù)歸一化的比較，如表8所示。

表8 車底不同狀態(tài)對偏航特性的影響

參考坐標(biāo)系，整車在初始狀態(tài)、去掉油箱前護(hù)板、去掉油箱和發(fā)動機(jī)護(hù)板3狀態(tài)下，車輛受到的偏航力矩越來越大，繞Z軸正向偏擺的趨勢逐漸增強(qiáng)。格柵全封時，整車也具有繞Z軸正向偏擺的定性跡象。

4 結(jié)論

本文是以東風(fēng)某款SUV車型為研究對象，以降低整車的風(fēng)阻特性為研究目標(biāo)，從仿真和試驗兩個角度研究了車底不同氣動附件布置狀態(tài)對實車氣動特性的影響。同時，運(yùn)用仿真方法對實車風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)行分解，進(jìn)而研究了主要部件對風(fēng)阻的貢獻(xiàn)。

(1) 車底增加氣動附件有利于降低實車的風(fēng)阻系數(shù)。例如，增加油箱前護(hù)板、發(fā)動機(jī)下護(hù)板使得整車Cd值降低了0.013。

(2) 車底增加氣動附件使得車底流場更加流暢，使得流速增加，車底受到的靜壓減小，從而降低了實車在高速行駛時受到的升力。

(3) 定量研究汽車前臉進(jìn)氣格柵全封閉時風(fēng)阻系數(shù)的變化進(jìn)氣格柵全封閉時，風(fēng)阻系數(shù)降低了0.02。

(4) 從定性角度分析，油箱前護(hù)板、發(fā)動機(jī)下護(hù)板的安裝減小了整車的側(cè)傾與偏航特性，改善了整車的俯仰特性。

(5) 仿真分解主要區(qū)域?qū)︼L(fēng)阻的貢獻(xiàn)，可得表2中前22個部件的影響在將來車型開發(fā)中應(yīng)重點關(guān)注。

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Simulation and Experimental Study on the AerodynamicAccessories on the Underbody of a SUV

Guo Junchao, Shi Jianpeng, Chen Gan, Zhu Yongsheng & Chen Shiwang

TechnologyCenterofDongfengMotorCorporation,Wuhan430058

The main approach to the further improvement of vehicle aerodynamic drag characteristic after vehicle styling is frozen is adding aerodynamic accessories on underbody. In this paper, the drag characteristics of a SUV with different aerodynamic accessories are analyzed by both CFD simulation and experiments. The results show that the aerodynamic accessories on underbody can not only reduce the aerodynamic drag of vehicle, but also lower the lift force in high speed driving. In addition, the six-component aerodynamic characteristics of a SUV under a wind velocity of 120km/h are also studied by analyzing test data.

SUV; aerodynamic accessories; aerodynamic characteristics

原稿收到日期為2014年12月11日，修改稿收到日期為2015年2月4日。