基于外流场分析的汽车车身空气动力学性能改进

夏小均，赖诗洋，丁良旭，陈德兵，何大军

(1.重庆车辆检测研究院 国家客车质量监督检验中心， 重庆 401122；2.重庆工程职业技术学院 机械工程学院， 重庆 402260)

汽车的空气动力学特性直接影响着行驶阻力与升力[1]，行驶阻力很大程度上决定了汽车的燃油经济性和动力性，而气动升力影响着汽车的操纵稳定性与安全性。汽车行驶时，通常要求其具有反向升力，使得汽车在高速行驶时有较大的抓地力[2]。利用CFD (Computed Fluid Dynamics)技术研究汽车的空气动力特性，可节约时间和成本，为汽车研发设计提供高效的手段和思路[3-4]。

文中结合某电动汽车的开发过程，基于CAS (Concept A Surface)造型，分析该车高速下的空气动力学特性，提出空气动力学性能改进方案并验证其可行性。

1 计算模型的建立

1.1 几何清理及网格划分

基于整车三维几何模型，对一些有尖角突出与不连续的部件进行简化与圆滑处理后，在Hypermesh中划分汽车外形网格。为使气流充分运动，不受模拟风洞边界层的影响，体现汽车实际行驶时的外部条件，需在汽车四周建立一个能够模拟风洞以监测流场状态的区域，即流场计算域[5]。建立的计算域为长方体，其尺寸越大，越能准确模拟汽车周边环境，但尺寸过大会导致计算成本提升和效率降低[6]，因此计算域尺寸取为：汽车前部为4倍车长，左右侧面皆为4倍车宽，上部为5倍车高，后部为8倍车长。本次分析的汽车整车尺寸长(L)、宽(W)、高(H)分别为3 690 mm、1 620 mm、1 527 mm。

对车身周围(车身前部1倍车长、左右两侧各1倍车宽、上部1倍车高、后部2倍车长组成的区域)进行网格加密处理；对曲率变化相对较大的地方，如车头圆弧处等进行了网格加密；在具有强粘性、湍流、分离等特征的地方也进行了网格加密。使这些地方的流动特点得以体现，也保证了计算的精度。而在远离车身的区域则采用较稀疏的网格，离车身越远，网格尺寸就越大，以减少计算量。建立的CFD模型如图1所示。

图1 整车及计算域CFD模型

1.2 边界及工况

完成CFD计算需设定合理的边界条件，才能实现控制方程的迭代求解。选用Realizableκ-ε湍流模式，计算时选择二阶格式[7]。经计算得湍动能κ=0.424 0，湍动能耗散率ε= 0.075 4。

设置风洞进口为速度边界，速度为100 km/h；出口边界条件为压力出口，相对压力0 Pa；地面边界与入口速度一致，为来流方向100 km/h移动壁面；风洞顶部及外侧壁为滑移壁面；轮胎为旋转边界，角速度ω=v/r=95.14 rad/s(车速v= 100 km/h，轮胎半径r为292 mm)。

2 仿真结果

评价汽车空气动力学特性的重要指标包括空气阻力系数CD和升力系数CL[8]。仿真计算得到CD和CL的收敛曲线分别如2和图3所示。经过250步迭代后收敛，CD为0.342 6，CL为0.020 7。

图4和图5分别为汽车外流场速度分布和外流场气压分布云图。从图4可看出，整个区域中气流稳定、均匀、流畅；由于车头位置对气流进行了阻挡，气流在此处速度降低形成滞止区域，而后气流一部分沿车身流向车顶，还有一部分流向车底和侧面。向上的气流先经过发动机罩，速度逐渐增加，到达发动机罩与风窗玻璃分界的位置时，由于受到阻挡，速度再次降低，随后流速迅速增加并以较高的速度经过风窗玻璃、汽车顶部直至后风窗。而流向汽车底部的气流，速度增大，但明显低于车顶气流流速，随后流至轮胎后部区域，速度逐渐减小接近于0。正是由于汽车顶部的气流流速明显大于汽车底部的气流流速，从而产生了向上的空气升力，这与计算得到的空气升力系数取值为正相符。产生向上的升力对行驶的稳定性和安全性产生不良影响，汽车空气动力学性能较差。

图2 空气阻力系数CD曲线

图3 空气升力系数CL曲线

图4 汽车外流场速度分布云图

图5 汽车外流场气压分布云图

从图5可进一步看出，汽车前端进气格栅和前保险杠处压力最大，存在明显的正高压区域，向上的气流流经发动机舱盖，压力逐渐减小，到达挡风玻璃下端时，出现一个高压区域，该区域主要由挡风玻璃引起，而后压力逐渐降低；由车底与车顶的气压分布可以看出，汽车底部所受气压大于顶部所受气压，因此形成向上的空气升力。

3 性能改进

原车CD基本满足现代轿车的空气阻力系数要求[9]；但原车的CL为正，行驶时受到向上的空气升力，使原车不能较好地紧贴地面，高速行驶时容易产生“发飘”现象，对汽车安全稳定性的影响十分明显。因此需对原车空气动力学性能进行改进，以控制汽车的空气升力，使汽车在高速下行驶时具有良好的稳定性。

3.1 车身改进方案

加后扰流板是一种常用的空气动力学优化手段。加装后扰流板后可使汽车顶部气流受到阻滞，速度迅速降低，甚至改变气流流动方向，从而使顶部压力增加，汽车的升力系数得到有效降低[10]。因此在原车顶尾部增加一扰流板，整车及其计算域模型的建立，以及边界条件的确定与原车型建模方法一致。

3.2 改进结果分析

改进后的汽车CD和CL曲线如图6和图7所示。

图6 改进后的阻力系数CD曲线

图7 改进后的升力系数CL曲线

带扰流板的汽车CD为0.394 4，有少量增加，但仍小于0.4，满足要求[9]；而CL为-0.389 1，变为负值，即汽车受到了向下的空气压力，说明改进后高速情况下汽车抓地力明显提升，改善了汽车的空气动力学性能。

图8为改进后气流速度分布云图，与不带扰流板情况相比，汽车尾部上方区域流速明显降低，且范围较大，为此产生的下压力也相应增大，空气动力学性能得到提升。

图8 带扰流板汽车速度分布云图

图9为带扰流板模型的外流场气压分布云图，安装扰流板后，汽车顶部及尾部上方产生了较大的下压力，而底部及尾部下方的气压有所下降，由此形成了向下的空气压力。实现了改进目标，优化了汽车在高速行驶时的空气动力学特性，稳定性得到改善。

图9 带扰流板整车外流场气压分布云图

4 结束语

建立某电动汽车整车及其计算域的仿真模型，对该车外流场进行CFD分析，得到汽车外部流场的压力、速度分布和空气动力学指标。结果表明，原车所受空气升力不利于高速时的安全稳定性，为此提出在汽车尾部加设扰流板的改进方案。加装扰流板后的仿真分析结果显示，汽车空气升力系数为负，所受向下的压力增加，汽车抓地力增大，改善了汽车的空气动力学性能，有利于提高安全稳定性。