某輕客整車風阻系數有限元分析與優化

張湯赟 鄒亮 袁劉凱

摘 ?要：本文對某輕型客車進行有限元建模，開展了整車風阻系數仿真分析，并利用整車風洞試驗驗證了仿真模型和仿真結果的合理性和有效性?；趯υ蛙嚨耐饬鲌龇治?，提出了三個降低整車風阻系數的優化措施，分別為增大前擋風玻璃迎風角度、調整尾翼翹角、增大后門傾斜角度，并研究了各措施中關鍵參數對風阻系數的影響。對各優化措施的仿真分析表明，前擋風玻璃迎風角度增大3°可將整車風阻系數降低4.5%;尾翼下翹有利于整車風阻系數的降低;整車風阻系數隨汽車后門傾斜角度的增加而降低，可根據實車需求合理設計后門傾斜角度。

關鍵詞：風阻系數;CFD仿真;風洞試驗;流場分布

中圖分類號：U467.1 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：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

張湯赟

畢業于清華大學，工程碩士，現就職于南京依維柯汽車有限公司產品工程部，任整車集成科高級經理，高級工程師。

1 ? ?引言

空氣動力學特性是汽車的重要特性之一，它直接影響汽車的動力性、燃油經濟性、操縱穩定性、舒適性與安全性[1]。汽車風阻系數是判斷汽車動力學特性的指標之一，風阻系數每降低 10%，汽車可以節省燃油 7%。因此，降低汽車風阻系數越來越受到各汽車廠家的重視。對車身造型的優化是改善汽車空氣動力學特性，降低整車風阻系數的重要手段。汽車空氣動力學研究方法主要有理論分析、試驗研究和數值模擬[2]。汽車空氣動力學的數值模擬方法一般稱為計算流體力學（CFD），具有耗時短、操作簡便、結果不受實驗條件影響等優勢，在汽車空氣動力學性能的研究中應用最為廣泛[3]。

本文以某輕型客車為研究對象，利用CFD仿真分析的方式研究了汽車外流場分布，并利用整車風洞試驗驗證了仿真模型的有效性。提出了三種優化車身造型、降低整車風阻系數的措施，并分析了各措施中關鍵參數對風阻系數的影響。

2 ? ?整車有限元建模與仿真分析

2.1 ? 有限元模型建立

考慮CFD分析計算的經濟性，在不影響整車流場特性的前提下，利用Hypermesh軟件對輕客CAD模型進行幾何清理和簡化處理。整車簡化處理包括：去掉雨刮器、車門把手等部件，簡化底盤零件等。進氣格柵的開放與否對整車風阻系數的影響較小[4-5]，將進氣格柵封閉可大大減少計算不收斂的情況出現，因此將整車幾何模型中的進氣格柵封閉。圖1為簡化處理后的整車幾何模型。

考慮到汽車在行駛過程中，尾部氣流在汽車尾部很長一段距離內存在，對汽車的空氣動力特性影響較大。因此在計算區域設定時，將汽車尾部取較長的距離。根據文獻[1-2]中的經驗，將計算域取為長方體，以整車為中心，車前方約為 2 倍車長，上方約為 4 倍車高，側向約為 4.5倍車寬，后方約為 4倍車長。圖2為CFD仿真計算域模型。

利用Hypermesh軟件對計算域模型整體進行網格劃分，網格為四面體單元，劃分好的網格數量為470萬，計算域實體網格如圖3所示：

2.2 ? 湍流模型

由于汽車外流場馬赫數較低，因此可以將其看作三維不可壓縮粘性等溫流場。汽車由于外形復雜，在行駛過程中容易引起氣流分離，因此汽車外圍流場屬于粘性、不可壓縮流，可按湍流處理[4]。CFD仿真中常用的湍流模型有Reynolds Stress模型、標準k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型等。標準k-ε模型收斂性好，殘差值低，具有較好的穩定性、經濟性和較高的計算精度，應用較為廣泛。本文選取標準k-ε模型作為湍流計算模型。湍動能k和湍流耗散率 的輸運方程如下：

其中， ? ?為湍流動能; ? ?為由浮力產生的湍流動能;YM為過渡擴散產生的波動; ? ?、 ? ? 為k方程和 ? 方程中出現的湍流普朗特數， ? ? ? ? ， ? ? ? ? ? ? ?;

， 為定義的原項，對于不可壓縮流體，Gb=0，YM=0， ? =0， ? =0; ? ?為湍流粘性系數，表達式為 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ， ? ? =0.09， ? ?=1.44 ， ? ? ?=1.92，

=1。

2.3 ? 邊界條件設置

將劃分好的CFD網格導入到Fluent軟件中進行仿真計算，計算空間離散格式為二階迎風格式，計算方法采用Coupled算法?？諝饷芏仍O置為1.18kg/m3，空氣動力粘度為1.7894×10-5Pa×s。設置邊界條件如表1所示：

2.4 ? 仿真結果與分析

原型車的整車CFD仿真結果如表2所示。由表2可知原型車的整車風阻為991.75N，整車風阻系數為0.4528。根據車身表面壓力云圖和汽車對稱面流速云圖等信息分析整車風阻分布并確定風阻系數優化方向。

由圖4所示的整車壓力云圖可以看出，氣流對汽車前擋風玻璃造成沖擊，并在此處消耗大量能量，造成汽車形狀阻力，從而增加了汽車的風阻系數。由圖5所示的流速云圖可知，汽車行駛時，迎面而來的氣流流速較快，一部分氣流沿著引擎蓋、前擋風玻璃、頂蓋離開汽車，另一部分氣流流經汽車底部而離開汽車，兩部分氣流在汽車后部速度減緩并形成負壓區。汽車前部與后部的流速差異造成了整車的壓差阻力，增加了整車風阻系數。

3 ? ?整車風洞試驗驗證

為驗證整車風阻系數仿真模擬的準確性，開展整車風洞試驗，在進氣格柵封閉和開放兩種狀態下測試原型車的整車風阻系數，格柵開放與封閉情況如圖6所示。風洞試驗在上海地面交通工具風洞中心的氣動聲學風洞中進行。為了保持試驗和仿真的一致性，在試驗中，保持車輪和移動帶靜止。整車風洞試驗試驗工況如表3所示。

試驗開始前進行必要的試驗準備工作，包括檢查整車車輛狀態、清潔車輛并準備車輛和風洞天平之間的連接部件;根據實測輪軸距調節天平，如圖7、圖8所示對中并安裝車輛;試運轉，確保安全后開始試驗。整車風洞試驗狀態如圖9所示。

由表4所示的原型車風洞試驗結果可知：1）隨著風速增加，風阻系數略微下降，并且保持在0.42左右。2）不同風速下，格柵開放和封閉狀態的風阻系數最大相對變化在0.17%以內，因而風洞試驗進一步證明了格柵封閉與開放對整車的風阻系數幾乎沒有影響。

由表5可知，在格柵封閉狀態下，整車風阻系數風洞試驗值為0.4199（v=100km/h），與仿真結果之間的誤差為7.8%，處于可接受的誤差范圍。整車風洞試驗驗證了該仿真模型和仿真結果的有效性和合理性，該仿真模型可用于后續整車風阻系數優化分析。

4 ? ?整車風阻系數優化

基于對原型車的風阻來源分析，為降低整車風阻系數，需從兩個方向優化整車氣動性能：1）優化車身造型，減小氣流對車身的正面沖擊;2）減少汽車前部與后部的流速差異，即減小汽車尾部負壓區，降低壓差阻力。

針對第一個優化方向，本文提出增大汽車前擋風玻璃迎風角度以減小氣流的正面沖擊;針對第二個優化方向，本文在對流場特性進行分析的基礎上，分別研究調整車廂后上部造型和增大后車門傾斜角度對減小車身后部負壓區的影響。圖10為三種優化措施在整車上實施的位置。表6總結了三種優化措施具體的優化策略及相應目的。

4.1 ? 增大擋風玻璃迎風角度

汽車行駛過程中，氣流在前擋風玻璃與引擎蓋間形成高壓區，因此需優化前擋風玻璃迎風角度以降低汽車形狀阻力?；趯ΜF有實車模型最小更改的原則，將前擋風玻璃上邊緣和側邊緣與車窗外框連接，前擋風玻璃下邊緣與引擎蓋相連接，此時前擋風玻璃迎風角度增大～3°，即前擋風玻璃由原迎風角度（～134°）增大為～137°。圖11為增大前擋風玻璃迎風角度前后對比。

圖12為增大擋風玻璃迎風角度后風阻系數相對變化。由圖9可知，將前擋風玻璃迎風角度增大3°可顯著降低整車風阻系數，整車風阻系數下降量為4.5%。

圖13為增大前擋風玻璃迎風角度后的整車壓力分布情況，由圖13可以看出，增大前擋風玻璃迎風角度后，前擋風玻璃與引擎蓋間的高壓區相對原模型明顯減小，因此氣流對前擋風玻璃的正面沖擊減弱，使整車阻力降低。

4.2 ? 調整尾翼翹角

車廂后上部的尾翼形狀影響車后渦流的尺寸和強度，進而影響整車壓差阻力。尾翼翹角是尾翼上部與水平面的夾角，小于90°。尾翼翹角分為在水平面之上和之下兩種情況，在水平面之上記作+（例如+1°），在水平線之下不做標記（例如1°）[6]。由于原車型的風阻問題是在尾翼上翹時出現的，因此本文只研究尾翼下翹對風阻系數的影響。根據對現有車型最小修改原則，設計2種尾翼下翹角度：1）尾翼翹角16°;2）尾翼翹角28°。尾翼翹角調整前后對比如圖14所示：

通過圖15所示的整車風阻系數仿真結果可知，隨著尾翼下翹角度的增大，整車風阻系數減小。尾翼翹角16°和尾翼翹角28°的優化策略分別可使整車風阻系數降低2.1%和4.0%。

圖16為調整車尾翼翹角后的流速云圖，對比原型車的流速云圖可以看出，尾翼翹角為16°時，車后存在兩個深藍色區域，即形成兩個負壓區，對降低整車壓差阻力的效果并不顯著，整車風阻下降量僅為2.1%;當尾翼翹角增大為28°時，汽車尾部的深藍色區域面積相對原型車縮小，負壓區減小，汽車壓差阻力降低，整車風阻系數下降量達到4.0%。

4.3 ? 增大后門傾斜角度

大量來自汽車頂部和底部的氣流卷入車身尾流中，致使氣流在車身尾部產生氣流分離而產生真空區。為使氣流流經汽車尾部時更加平順，減少尾部渦流和負壓區域的產生，將后車門傾斜角度在原車基礎上分別增大5°、7°和10°（以下簡稱后門傾斜角度+5°、后門傾斜角度+7°和后門傾斜角度+10°），研究后門傾斜角度對風阻系數的影響。圖17為增大后門傾斜角度前后對比。

圖18為不同后門傾斜角度的整車風阻系數仿真結果，由圖15可知，隨著后門傾斜角度的增加，整車風阻系數依次降低。

圖19為增大后門傾斜角度后對稱面流速云圖，由圖19可知，車體后部真空區隨后門傾斜角度的增加而減小，這是因為增大后門傾斜角度使氣流流動更加順暢，減少了車后部渦流和真空區的產生，真空區的減小使整車壓差阻力減小，從而使整車風阻系數降低。

5 ? ?結論

本文針對某輕型客車開展了整車風阻系數仿真分析，并利用整車風洞試驗驗證了仿真模型的有效性。在對原型車外流場進行分析的基礎上，提出了降低整車風阻系數的優化措施，并分析了各措施中關鍵參數對整車風阻系數的影響。通過對優化措施的仿真分析，得出以下幾點結論：

（1）增大擋風玻璃迎風角度可減弱氣流對汽車的正面沖擊，降低整車風阻系數。本文將前擋風玻璃迎風角度增大3°后，整車風阻系數降低4.5%。

（2）增大尾翼下翹角有利于車體后部氣流的收斂和抑制車后負壓區的形成，可有效降低整車風阻系數。

（3）整車風阻系數隨后門傾斜角度的增大而降低。設計合理的后門傾斜角度，可有效改善車體后部流場，提升整車氣動性能。

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