某轻客整车风阻系数有限元分析与优化

张汤赟 邹亮 袁刘凯

摘  要：本文对某轻型客车进行有限元建模，开展了整车风阻系数仿真分析，并利用整车风洞试验验证了仿真模型和仿真结果的合理性和有效性。基于对原型车的外流场分析，提出了三个降低整车风阻系数的优化措施，分别为增大前挡风玻璃迎风角度、调整尾翼翘角、增大后门倾斜角度，并研究了各措施中关键参数对风阻系数的影响。对各优化措施的仿真分析表明，前挡风玻璃迎风角度增大3°可将整车风阻系数降低4.5%;尾翼下翘有利于整车风阻系数的降低;整车风阻系数随汽车后門倾斜角度的增加而降低，可根据实车需求合理设计后门倾斜角度。

关键词：风阻系数;CFD仿真;风洞试验;流场分布

中图分类号：U467.1    文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2021）01-0093-07

Finite Element Modeling and Optimization of

Drag Coefficient for a Light Bus

ZHANG Tang-yun， ZOU Liang，YUAN Liu-kai

（ Nanjing Iveco Automobile Co.， Ltd.， Nanjing 211806， China）

Abstract： The finite element model of a light bus is established and the vehicle drag coefficient is simulated and analyzed. The rationality and effectiveness of the simulation model and simulation results are verified by vehicle wind tunnel test. Based on the analysis of the external flow field of the prototype vehicle， three optimization measures are proposed to reduce the vehicle drag coefficient， which are increasing the windward angle of the front windshield， adjusting the warping angle of the rear wing， and increasing the tilt angle of the rear door. The influence of key parameters in each measure on the drag coefficient is also studied. The simulation results show that the vehicle drag coefficient can be reduced by 4.5% by increasing the windward angle of the front windshield by 3°. The downward warping of the rear wing is beneficial to the reduction of the vehicle drag coefficient. The vehicle drag coefficient decreases with the increase of rear door tilt angle. The rear door tilt angle can be reasonably designed according to the actual vehicle demand.

Key Words： Drag Coefficient; CFD Simulation; Wind Tunnel Test; Flow Field Distribution

张汤赟

毕业于清华大学，工程硕士，现就职于南京依维柯汽车有限公司产品工程部，任整车集成科高级经理，高级工程师。

1    引言

空气动力学特性是汽车的重要特性之一，它直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性与安全性[1]。汽车风阻系数是判断汽车动力学特性的指标之一，风阻系数每降低 10%，汽车可以节省燃油 7%。因此，降低汽车风阻系数越来越受到各汽车厂家的重视。对车身造型的优化是改善汽车空气动力学特性，降低整车风阻系数的重要手段。汽车空气动力学研究方法主要有理论分析、试验研究和数值模拟[2]。汽车空气动力学的数值模拟方法一般称为计算流体力学（CFD），具有耗时短、操作简便、结果不受实验条件影响等优势，在汽车空气动力学性能的研究中应用最为广泛[3]。

本文以某轻型客车为研究对象，利用CFD仿真分析的方式研究了汽车外流场分布，并利用整车风洞试验验证了仿真模型的有效性。提出了三种优化车身造型、降低整车风阻系数的措施，并分析了各措施中关键参数对风阻系数的影响。

2    整车有限元建模与仿真分析

2.1   有限元模型建立

考虑CFD分析计算的经济性，在不影响整车流场特性的前提下，利用Hypermesh软件对轻客CAD模型进行几何清理和简化处理。整车简化处理包括：去掉雨刮器、车门把手等部件，简化底盘零件等。进气格栅的开放与否对整车风阻系数的影响较小[4-5]，将进气格栅封闭可大大减少计算不收敛的情况出现，因此将整车几何模型中的进气格栅封闭。图1为简化处理后的整车几何模型。

考虑到汽车在行驶过程中，尾部气流在汽车尾部很长一段距离内存在，对汽车的空气动力特性影响较大。因此在计算区域设定时，将汽车尾部取较长的距离。根据文献[1-2]中的经验，将计算域取为长方体，以整车为中心，车前方约为 2 倍车长，上方约为 4 倍车高，侧向约为 4.5倍车宽，后方约为 4倍车长。图2为CFD仿真计算域模型。

利用Hypermesh软件对计算域模型整体进行网格划分，网格为四面体单元，划分好的网格数量为470万，计算域实体网格如图3所示：

2.2   湍流模型

由于汽车外流场马赫数较低，因此可以将其看作三维不可压缩粘性等温流场。汽车由于外形复杂，在行驶过程中容易引起气流分离，因此汽车外围流场属于粘性、不可压缩流，可按湍流处理[4]。CFD仿真中常用的湍流模型有Reynolds Stress模型、标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型等。标准k-ε模型收敛性好，残差值低，具有较好的稳定性、经济性和较高的计算精度，应用较为广泛。本文选取标准k-ε模型作为湍流计算模型。湍动能k和湍流耗散率 的输运方程如下：

其中，    为湍流动能;    为由浮力产生的湍流动能;YM为过渡扩散产生的波动;    、     为k方程和   方程中出现的湍流普朗特数，         ，              ;

， 为定义的原项，对于不可压缩流体，Gb=0，YM=0，   =0，   =0;    为湍流粘性系数，表达式为                       ，     =0.09，    =1.44 ，      =1.92，

=1。

2.3   边界条件设置

将划分好的CFD网格导入到Fluent软件中进行仿真计算，计算空间离散格式为二阶迎风格式，计算方法采用Coupled算法。空气密度设置为1.18kg/m3，空气动力粘度为1.7894×10-5Pa×s。设置边界条件如表1所示：

2.4   仿真結果与分析

原型车的整车CFD仿真结果如表2所示。由表2可知原型车的整车风阻为991.75N，整车风阻系数为0.4528。根据车身表面压力云图和汽车对称面流速云图等信息分析整车风阻分布并确定风阻系数优化方向。

由图4所示的整车压力云图可以看出，气流对汽车前挡风玻璃造成冲击，并在此处消耗大量能量，造成汽车形状阻力，从而增加了汽车的风阻系数。由图5所示的流速云图可知，汽车行驶时，迎面而来的气流流速较快，一部分气流沿着引擎盖、前挡风玻璃、顶盖离开汽车，另一部分气流流经汽车底部而离开汽车，两部分气流在汽车后部速度减缓并形成负压区。汽车前部与后部的流速差异造成了整车的压差阻力，增加了整车风阻系数。

3    整车风洞试验验证

为验证整车风阻系数仿真模拟的准确性，开展整车风洞试验，在进气格栅封闭和开放两种状态下测试原型车的整车风阻系数，格栅开放与封闭情况如图6所示。风洞试验在上海地面交通工具风洞中心的气动声学风洞中进行。为了保持试验和仿真的一致性，在试验中，保持车轮和移动带静止。整车风洞试验试验工况如表3所示。

试验开始前进行必要的试验准备工作，包括检查整车车辆状态、清洁车辆并准备车辆和风洞天平之间的连接部件;根据实测轮轴距调节天平，如图7、图8所示对中并安装车辆;试运转，确保安全后开始试验。整车风洞试验状态如图9所示。

由表4所示的原型车风洞试验结果可知：1）随着风速增加，风阻系数略微下降，并且保持在0.42左右。2）不同风速下，格栅开放和封闭状态的风阻系数最大相对变化在0.17%以内，因而风洞试验进一步证明了格栅封闭与开放对整车的风阻系数几乎没有影响。

由表5可知，在格栅封闭状态下，整车风阻系数风洞试验值为0.4199（v=100km/h），与仿真结果之间的误差为7.8%，处于可接受的误差范围。整车风洞试验验证了该仿真模型和仿真结果的有效性和合理性，该仿真模型可用于后续整车风阻系数优化分析。

4    整车风阻系数优化

基于对原型车的风阻来源分析，为降低整车风阻系数，需从两个方向优化整车气动性能：1）优化车身造型，减小气流对车身的正面冲击;2）减少汽车前部与后部的流速差异，即减小汽车尾部负压区，降低压差阻力。

针对第一个优化方向，本文提出增大汽车前挡风玻璃迎风角度以减小气流的正面冲击;针对第二个优化方向，本文在对流场特性进行分析的基础上，分别研究调整车厢后上部造型和增大后车门倾斜角度对减小车身后部负压区的影响。图10为三种优化措施在整车上实施的位置。表6总结了三种优化措施具体的优化策略及相应目的。

4.1   增大挡风玻璃迎风角度

汽车行驶过程中，气流在前挡风玻璃与引擎盖间形成高压区，因此需优化前挡风玻璃迎风角度以降低汽车形状阻力。基于对现有实车模型最小更改的原则，将前挡风玻璃上边缘和侧边缘与车窗外框连接，前挡风玻璃下边缘与引擎盖相连接，此时前挡风玻璃迎风角度增大～3°，即前挡风玻璃由原迎风角度（～134°）增大为～137°。图11为增大前挡风玻璃迎风角度前后对比。

图12为增大挡风玻璃迎风角度后风阻系数相对变化。由图9可知，将前挡风玻璃迎风角度增大3°可显著降低整车风阻系数，整车风阻系数下降量为4.5%。

图13为增大前挡风玻璃迎风角度后的整车压力分布情况，由图13可以看出，增大前挡风玻璃迎风角度后，前挡风玻璃与引擎盖间的高压区相对原模型明显减小，因此气流对前挡风玻璃的正面冲击减弱，使整车阻力降低。

4.2   调整尾翼翘角

车厢后上部的尾翼形状影响车后涡流的尺寸和强度，进而影响整车压差阻力。尾翼翘角是尾翼上部与水平面的夹角，小于90°。尾翼翘角分为在水平面之上和之下两种情况，在水平面之上记作+（例如+1°），在水平线之下不做标记（例如1°）[6]。由于原车型的风阻问题是在尾翼上翘时出现的，因此本文只研究尾翼下翘对风阻系数的影响。根据对现有车型最小修改原则，设计2种尾翼下翘角度：1）尾翼翘角16°;2）尾翼翘角28°。尾翼翘角调整前后对比如图14所示：

通过图15所示的整车风阻系数仿真结果可知，随着尾翼下翘角度的增大，整车风阻系数减小。尾翼翘角16°和尾翼翘角28°的优化策略分别可使整车风阻系数降低2.1%和4.0%。

图16为调整车尾翼翘角后的流速云图，对比原型车的流速云图可以看出，尾翼翘角为16°时，车后存在两个深蓝色区域，即形成两个负压区，对降低整车压差阻力的效果并不显著，整车风阻下降量仅为2.1%;当尾翼翘角增大为28°时，汽车尾部的深蓝色区域面积相对原型车缩小，负压区减小，汽车压差阻力降低，整车风阻系数下降量达到4.0%。

4.3   增大后门倾斜角度

大量来自汽车顶部和底部的气流卷入车身尾流中，致使气流在车身尾部产生气流分离而产生真空区。为使气流流经汽车尾部时更加平顺，减少尾部涡流和负压区域的产生，将后车门倾斜角度在原车基础上分别增大5°、7°和10°（以下简称后门倾斜角度+5°、后门倾斜角度+7°和后门倾斜角度+10°），研究后门倾斜角度对风阻系数的影响。图17为增大后门倾斜角度前后对比。

图18为不同后门倾斜角度的整车风阻系数仿真结果，由图15可知，随着后门倾斜角度的增加，整车风阻系数依次降低。

图19为增大后门倾斜角度后对称面流速云图，由图19可知，车体后部真空区随后门倾斜角度的增加而减小，这是因为增大后門倾斜角度使气流流动更加顺畅，减少了车后部涡流和真空区的产生，真空区的减小使整车压差阻力减小，从而使整车风阻系数降低。

5    结论

本文针对某轻型客车开展了整车风阻系数仿真分析，并利用整车风洞试验验证了仿真模型的有效性。在对原型车外流场进行分析的基础上，提出了降低整车风阻系数的优化措施，并分析了各措施中关键参数对整车风阻系数的影响。通过对优化措施的仿真分析，得出以下几点结论：

（1）增大挡风玻璃迎风角度可减弱气流对汽车的正面冲击，降低整车风阻系数。本文将前挡风玻璃迎风角度增大3°后，整车风阻系数降低4.5%。

（2）增大尾翼下翘角有利于车体后部气流的收敛和抑制车后负压区的形成，可有效降低整车风阻系数。

（3）整车风阻系数随后门倾斜角度的增大而降低。设计合理的后门倾斜角度，可有效改善车体后部流场，提升整车气动性能。

参考文献：

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