楊靜

摘 要：文章對(duì)某SUV空氣動(dòng)力學(xué)性能開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行了闡述。通過(guò)前期調(diào)研，當(dāng)前傳統(tǒng)燃油SUV車(chē)型優(yōu)秀的風(fēng)阻系數(shù)水平為0.33上下，為使開(kāi)發(fā)車(chē)型的氣動(dòng)性能達(dá)到先進(jìn)水平，結(jié)合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)目標(biāo)成本，確定整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)目標(biāo)值為0.34，該目標(biāo)值屬于同級(jí)車(chē)型中的較高水平。為保證最終實(shí)車(chē)風(fēng)阻系數(shù)水平達(dá)標(biāo)，空氣動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)工作貫穿于車(chē)型設(shè)計(jì)的每個(gè)階段。重點(diǎn)在造型階段和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，通過(guò)仿真分析和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)該車(chē)型進(jìn)行降阻開(kāi)發(fā)，最終使風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化達(dá)成預(yù)期目標(biāo)并在同級(jí)別車(chē)型中處于較優(yōu)水平。

關(guān)鍵詞：star-ccm+;空氣動(dòng)力學(xué);風(fēng)洞試驗(yàn);SUV

中圖分類(lèi)號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）21-109-04

Abstract： In this paper， the development process of aerodynamic performance of a SUV is described. Through the preliminary investigation， the excellent drag coefficient level of the current traditional fuel SUV is about 0.33. In order to make the aerodynamic performance of the development model reach the advanced level， combined with the target cost of product development， the target value of the drag coefficient of the whole vehicle is determined to be 0.34， which belongs to the higher level of the same type of vehicles. In order to ensure that the final drag coefficient of the real vehicle reaches the standard， the aerodynamic development work runs through each stage of vehicle design. In the modeling stage and product development stage， the drag reduction development of the vehicle is carried out by combining simulation analysis and wind tunnel test. Finally， the drag coefficient optimization achieves the expected goal and is in a better level in the same class of vehicles.

Keywords： Star-ccm+; Aerodynamics; Wind tunnel; SUV

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）21-109-04

前言

近年來(lái)自主品牌汽車(chē)取得的了長(zhǎng)足的進(jìn)步，市場(chǎng)份額持續(xù)提升，主要是借助于 SUV 熱銷(xiāo)的東風(fēng)，自2014年以來(lái)，消費(fèi)者對(duì)于 SUV 的需求呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。在此背景下，越來(lái)越多的車(chē)企都開(kāi)始加大 SUV 車(chē)型研發(fā)的投入。精品小型 SUV 作為入門(mén)級(jí)車(chē)型產(chǎn)品，價(jià)格門(mén)檻低功能性強(qiáng)，受到很多年輕消費(fèi)者的青睞。小型 SUV 車(chē)長(zhǎng)較短，前后懸長(zhǎng)度不大，從空氣動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看并不具有較好的風(fēng)阻系數(shù)[1]。

圖1我們對(duì)市場(chǎng)同級(jí)別車(chē)型的風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)行了調(diào)研，大部分車(chē)型的風(fēng)阻系數(shù)在0.35以上，最低的車(chē)型風(fēng)阻系數(shù)為0.33，該車(chē)型主要配備主動(dòng)進(jìn)氣格柵及底部平整度較高。本文開(kāi)發(fā)的小型SUV車(chē)型，由于成本原因項(xiàng)目之初就明確不配備主動(dòng)格柵，最終我們的風(fēng)阻系數(shù)開(kāi)發(fā)目標(biāo)設(shè)定為0.34。

1 開(kāi)發(fā)流程

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)之初，根據(jù)產(chǎn)品定位、尺寸信息及布置可行性分析，結(jié)合調(diào)研競(jìng)品標(biāo)桿數(shù)據(jù)，確認(rèn)風(fēng)阻系數(shù)開(kāi)發(fā)目標(biāo)，并對(duì)整車(chē)開(kāi)發(fā)目標(biāo)進(jìn)行分解。通常整車(chē)目標(biāo)按照造型、底盤(pán)、內(nèi)艙阻力來(lái)分解，并對(duì)分解目標(biāo)制定優(yōu)化策略。針對(duì)造型通常是控制氣流的分離，減小車(chē)頭的正壓及提升尾部壓力。底盤(pán)布置初期即考慮平整化，便于添加一體式護(hù)板。機(jī)艙主要考慮冷卻模塊密封，減少泄漏提升冷卻效率。發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板采用整體密封，并考慮有效出氣孔，用于考慮機(jī)艙內(nèi)的熱害問(wèn)題。機(jī)艙內(nèi)的部件增加必要的導(dǎo)流板，用于特殊部件的導(dǎo)流優(yōu)化。

在造型早期，由于沒(méi)有機(jī)艙和底盤(pán)數(shù)據(jù)，主要采用將格柵封閉和底盤(pán)封平的方式進(jìn)行模擬，以評(píng)估造型的風(fēng)阻水平，模型示意如圖2所示。此階段在一些關(guān)鍵部位評(píng)估須謹(jǐn)慎，特別是尾部要考慮后期增加實(shí)際底盤(pán)帶來(lái)的影響。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)階段，整車(chē)降阻工作主要集中在機(jī)艙和底盤(pán)，在整車(chē)幾何建模中，造型上格柵為打開(kāi)狀態(tài)，保留機(jī)艙和底盤(pán)的主要特征，整車(chē)建模如圖3所示。

在產(chǎn)品數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的中后期，外造型A面凍結(jié)前，利用MULE車(chē)進(jìn)行整車(chē)油泥模型的制作，用以保障實(shí)物達(dá)標(biāo)，風(fēng)洞油泥模型如圖4所示。通常開(kāi)發(fā)時(shí)MULE車(chē)試制節(jié)點(diǎn)不滿(mǎn)足，可利用同類(lèi)平臺(tái)底盤(pán)進(jìn)行改制。此階段制作的模型需要與CFD模型一致，便于后期開(kāi)展對(duì)標(biāo)工作。同時(shí)CFD的優(yōu)化驗(yàn)證方案，需要在模型設(shè)計(jì)制作時(shí)同時(shí)考慮，便于在風(fēng)洞中折裝。必要時(shí)還要對(duì)造型優(yōu)化的方案進(jìn)行掃描，輸出給工程部門(mén)設(shè)計(jì)。項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的后期，利于P0階段的工程樣車(chē)進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)性能驗(yàn)證及底盤(pán)細(xì)節(jié)方案確認(rèn)，確保實(shí)物達(dá)成目標(biāo)。

2 造型開(kāi)發(fā)階段

在造型早期，通過(guò)對(duì)造型外流場(chǎng)的分析，找出以下不利于風(fēng)阻優(yōu)化的部位，包括霧燈、A柱、后擾流板、后保等。經(jīng)過(guò)多輪造型優(yōu)化后，如圖5所示造型CAS面的風(fēng)阻系數(shù)由最初的0.322降低至0.296。

如圖6所示，優(yōu)化前，初始的霧燈造型在霧燈邊緣處有較大的氣流分離，由于氣流在此處已提前分離，導(dǎo)致該處局部阻力增大，且影響到車(chē)身兩側(cè)整體氣流的流動(dòng)，不利于氣流緊貼車(chē)身進(jìn)行流動(dòng)，優(yōu)化后，可看到霧燈處的氣流分離明顯減小。

在圖7中，優(yōu)化前，當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)A柱后，在側(cè)窗上部形成較為復(fù)雜混亂的渦流，而這種流動(dòng)狀態(tài)不是有利于降阻的理想流動(dòng)。優(yōu)化后，流經(jīng)A柱的氣流得到很好的導(dǎo)流，避免了復(fù)雜渦流的產(chǎn)生。

汽車(chē)尾部的氣流流動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜，也是決定整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)水平的重要部位，在圖8中，優(yōu)化前，汽車(chē)尾部氣流上下渦流分布不均，下部高速氣流區(qū)域較小，對(duì)上部氣體渦流的抵消作用較弱。優(yōu)化后，可明顯看出尾部下方的高速氣流區(qū)域面積增大，可有效降低整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)。

在圖9中，優(yōu)化前，汽車(chē)后保處存在一定的負(fù)壓區(qū)域，氣流流經(jīng)該處后，不能快速?gòu)奈膊刻幏蛛x，導(dǎo)致帶較多渦流的氣流進(jìn)入尾部，增大整車(chē)的氣動(dòng)阻力。優(yōu)化后，可看到在后保處的負(fù)壓區(qū)域明顯減小，有利于氣流在該處提前分離，避免較多流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜的氣流進(jìn)入汽車(chē)尾部。

3 整車(chē)開(kāi)發(fā)階段

3.1 整車(chē)CFD分析

在整車(chē)仿真階段，通過(guò)對(duì)整車(chē)外流場(chǎng)的分析，優(yōu)化方案主要集中在底盤(pán)，包括增加前后輪阻風(fēng)板和機(jī)艙底盤(pán)護(hù)板。經(jīng)過(guò)多輪仿真優(yōu)化后，整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)降為0.332。

針對(duì)底盤(pán)設(shè)計(jì)的四種方案，主要是中部和尾部的遮蔽面積和護(hù)板自身形狀略有不同，在以上四種方案中，方案二護(hù)板遮蔽面積最大且自身形狀較為平整，可引導(dǎo)氣流緊貼車(chē)身底部進(jìn)行流動(dòng)，為四套方案中降阻效果最佳的方案。在最終版數(shù)據(jù)中，采用的為方案一的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，且去掉尾部護(hù)板，方案效果同樣降阻明顯。

如圖11所示，將底盤(pán)護(hù)板優(yōu)化改型后，尾部高速氣流有明顯上揚(yáng)趨勢(shì)，對(duì)尾部上方的氣流具有一定抵消作用，使尾部上下兩個(gè)渦流盡量對(duì)稱(chēng)[2]，降低了整車(chē)氣動(dòng)阻力。

在整車(chē)前后輪阻風(fēng)板的優(yōu)化過(guò)程中，通過(guò)對(duì)阻風(fēng)板的寬度、高度和形狀進(jìn)行組合優(yōu)化。從圖12可看出，優(yōu)化后的前輪阻風(fēng)板，前輪處氣流分離明顯減小，在車(chē)輪處的氣流未形成較大的分離渦。優(yōu)化后的后輪阻風(fēng)板，后輪表面正壓區(qū)域明顯減小，可使局部阻力減小。

3.2 整車(chē)油泥模型試驗(yàn)

在整車(chē)階段仿真分析的同時(shí)，開(kāi)展整車(chē)油泥模型的制作，制作過(guò)程如圖13所示。

本次風(fēng)洞試驗(yàn)共進(jìn)行了46輪的方案驗(yàn)證，最終風(fēng)洞方案做到0.335，達(dá)成前期設(shè)定目標(biāo)，本文列舉一些典型方案的驗(yàn)證說(shuō)明。

針對(duì)后視鏡提前制作了兩種安裝樣式，分別為安裝在三角窗外上和門(mén)板上。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)安裝在門(mén)板上單個(gè)后視鏡風(fēng)阻系數(shù)8.8count，而三角窗上的后視鏡有12.7count，主要為三角窗外安裝的后視鏡鏡柄與鏡殼處有明顯的凹槽，造成氣流阻滯。通過(guò)風(fēng)洞對(duì)油泥優(yōu)化，兩種形式的后視鏡均有不同程度的下降。

前期通過(guò)仿真分析，尾翼兩側(cè)氣流分離點(diǎn)不穩(wěn)定，使尾渦區(qū)增加。通過(guò)增加兩側(cè)擾流板可以使氣流快速的分離，提升尾部背壓[3]。但同時(shí)考慮項(xiàng)目成本，在風(fēng)洞中對(duì)不同尺寸的擾流板進(jìn)行驗(yàn)證，最終采用設(shè)計(jì)狀態(tài)的側(cè)尾翼可以下降10.1count。

如圖16所示，在風(fēng)洞使用油泥，對(duì)尾燈側(cè)面輪廓添加分離棱，使通過(guò)此處的氣流能夠干凈的分離，最終試驗(yàn)下降了1.2count，與CFD分析結(jié)論基本一致。

前后輪擾流板通過(guò)對(duì)比風(fēng)洞試驗(yàn)，仿真分析存在較大的誤差。前期通過(guò)CFD分析得到的最優(yōu)尺寸，在風(fēng)洞試驗(yàn)卻效果并不理想，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)優(yōu)化，前輪擾流板達(dá)到降阻12.5count。分析原因主要是因?yàn)?，旋轉(zhuǎn)輪胎仿真采用旋轉(zhuǎn)壁面和旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系的方法來(lái)近似模擬車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，與真實(shí)的狀態(tài)存在較大差異[4]，且實(shí)際旋轉(zhuǎn)輪胎周期的氣流流動(dòng)較為復(fù)雜。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)優(yōu)化霧燈、A柱、尾翼、后保、后視鏡等區(qū)域，可有效提升造型的空氣動(dòng)力學(xué)水平，同時(shí)需要考慮造型美學(xué)及項(xiàng)目成本。

（2）整車(chē)仿真分析階段，由于復(fù)雜底盤(pán)與旋轉(zhuǎn)輪胎帶來(lái)的影響，優(yōu)化方案效果需要謹(jǐn)慎評(píng)估，特別像輪胎擾流板等，建議在風(fēng)洞中實(shí)測(cè)選型。

參考文獻(xiàn)

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