左辉辉 吕俊成

（上汽通用五菱汽车股份有限公司）

1 前言

随着微型客车体积增大和车速提高，其减阻研究越来越重要。在车辆高速行驶过程中气动阻力（风阻）相当于滚动阻力的2～3倍，用于克服气动阻力的燃油消耗量占32%以上，而气动阻力系数降低30%可以降低油耗12%左右[1]。目前国内外对轿车气动阻力的研究和应用已经非常深入[2～4]，但是对微型客车气动阻力的研究和应用相对较少。吉林大学汽车汽车仿真与控制国家重点实验室对带有专用货箱的中重型厢式货车添加减阻装置的研究表明：加装导流罩能够有效降低气动阻力18.9%～44%[5]，这对微型客车添加前导流板具有指导意义。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室研究了某轿车后视镜形状和相对车身横向距离对气动阻力的影响，结果表明：后视镜占整车气动阻力的4.08%，经过优化气动阻力系数下降2.76%[6]。本文以某微型客车为基础，以降低其气动阻力为目的，通过计算流体力学（CFD）数值仿真和风洞试验，对该车添加前导流板、优化后视镜等多种减阻方式进行研究。

2 有限元模型

2.1 基本理论

本文采用的PowerFLOW是由美国EXA公司开发的基于格子玻尔兹曼方法 （Lattice Boltzmann Method）的CFD软件，可以实现用全离散计算模型代替风洞试验[7]。

由格子气模型[8]对玻尔兹曼运输方程进行离散求解，得到格子玻尔兹曼方程[9]：

式中，fi（x，t）为平均分布函数，下标 i表示粒子的某个运动方向；ei为各方向上的微观速度矢量；Ωi为引入的碰撞项。

由于碰撞项Ωi计算量巨大，Bhatnager、Gross和Krook于1954年提出了简化的碰撞模式[10]，将玻尔兹曼方程简化为：

式中，τ为分子碰撞时间，又可称为松弛时间；feq为局部平衡分布函数。

Higuera等人[11]将τ用一个典型的湍流松弛时间τturb代替，则格子玻尔兹曼方程可以写为：

流体的宏观密度 ρ（x，t）、宏观速度 u（x，t）可根据粒子分布函数 fi（x，t）由公式（4）和公式（5）确定：

2.2 建立模型

根据实车状态建立计算模型，主要包括全细节车身及其附件（图1a），动力系统、散热系统、发动机舱内部气动阻力部件（图1b），全细节底盘（图1c）等。整车全细节模型在ANSA中完成面网格的建模，直接导入PowerFLOW外流场分析模块。PowerFLOW包含前处理、计算求解、后处理、优化改型等专用全自动工具，无需借助其它软件；同时PowerFLOW采用有限元法而非有限体积法，不需要传统意义上体网格的划分，导入面网格完成边界条件的设定就可以直接提交计算。

2.3 边界条件

仿真分析选择三维、稳态、定常流模型，Power-FLOW数字风洞采用移动地面，同时分析过程中车轮始终保持转动状态，与风洞移动地面保持同步，其它基本仿真参数如表1所列。

表1 各项仿真参数

3 有限元结果及分析

通过对基础模型仿真得出整车表面压力系数云图与轴向气动阻力系数发展曲线图、整车总压为零的等值面图如图2、图3所示。

同时经过计算得出其气动阻力系数Cd=0.393。经过分析，发现前保险杠、后视镜、车窗台阶等是具有潜在优化改进的区域，具体分析如下：

a.由图2整车表面压力系数云图可知，整车前部迎风面高压区域较大，覆盖了绝大多数前脸区域；整车背风面尾门压力分布不均匀，扰流板位置压力梯度较大，从而形成低压区域；底盘、备胎、车窗台阶以及雨刮等位置压力梯度较大，气流流动性较差，存在一定的气流分离。

b.由图2整车轴向气动阻力系数发展曲线可知，前保险杠、A柱等位置整车阻力系数上升趋势明显；整车尾部涡流造成尾门位置气动阻力系数有较大跃升；底盘前部、后视镜、车窗台阶以及雨刮等位置，气动阻力系数均有不同程度的增加。

c.由图3可知，后视镜、轮罩、前大灯位置以及车窗台阶位置均有不同程度的较大涡流区，整车尾部涡流区偏大。减小这些位置的涡流区能有效减小整车气动阻力。

4 优化设计分析

4.1 优化设计

通过对整车基础模型的仿真计算和结果分析，对具有潜在优化改进的3个区域进行优化分析。

第1次优化的区域是前保险杠，如图4所示。通过降低保险杠横向加强梁的高度，收缩前保险杠（图4a），并添加前导流板（图4b）实现优化。保险杠横向加强梁隐藏于前保险杠后侧并且不阻碍散热器进气，以改善散热系统进气效率，减少气流停滞；垂直向内收敛并圆滑过渡的前保险杠和与之无缝连接的导流板，可以减少气流直接冲击底盘，引导气流平顺通过。

第2次优化的区域是后视镜，即改进后视镜造型，如图5所示。后视镜造型优化的原则是减轻气流分离程度，推迟后视镜边缘气流分离，减小后视镜背风面形成的涡流区，并使涡流区涡流形状规则、结构稳定。因此在保证后视镜视野要求的情况下，将后视镜外形上半部分轴向拉伸，下半部分轴向压缩，同时设计更加流线型（图5b）。本次改进以第1次改进模型为基础。

第3次优化是进行车窗一体化设计，如图6所示。在车辆设计中，要避免和减少各种缝隙、台阶以及凸起等阻碍气流流动的零部件，因此以第2次改进模型为基础，第3次优化的措施是移除车窗玻璃与B柱、C柱以及尾柱之间的台阶（图6b），减少甚至避免这些区域的气流分离。

4.2 优化结果分析

3次优化前、后对比分析如下：

a.图7为优化前、后中心面流线图。由图7b可知，优化后的尾流涡流区涡流形状规则、结构稳定，有比较好的经过扰流板的下压气流和经过后保险杠的上升气流。

b.图8为优化前、后后视镜造型表面流线图。由图8b可知，优化后的后视镜底部没有气流分离现象并且气流平顺通过，后视镜端部气流分离也被向后推迟，达到预期的效果。

c.图9为优化前、后总压为零的等值面图。由图9b可知，车窗一体化之后A柱涡流区域减小，B柱、C柱和尾柱因台阶存在形成的涡流大量消失，这对整车侧围流场结构与尾流涡流区有积极影响。

整车的迎风面积为2.595 m2，对基础模型及3次优化模型应用仿真分析方法得出气动阻力系数如表2所列。

表2 仿真分析气动阻力系数结果

由上述对比分析及表2可知，通过修改前保险杠造型、降低前保险杠横向加强梁与添加导流板，修改后视镜造型与车窗一体化改进设计均能较大降低整车气动阻力系数，3次优化后气动阻力系数降低约6%。

4.3 优化结果与试验结果对比

表3为仿真分析与风洞试验气动阻力系数对比表。由表3可知，仿真分析结果与风洞试验结果基本一致，误差不大于3%，因此证明了用仿真分析进行气动阻力优化设计研究的正确性，同时降低了成本及缩短了试验周期。

5 结束语

通过整车全细节三维建模对某微型客车进行CFD数值仿真分析，全面评价了该车的气动阻力性能，找出潜在的优化改进区域。同时采用优化前保险杠并添加前导流板、修改后视镜造型、进行车窗一体化设计等减阻方案减小了整车气动阻力系数约6%，并且在风洞试验中得到验证，其误差小于3%。

表3 仿真分析与风洞试验气动阻力系数对比

本次优化改型方案已经在某量产微型客车上得到应用。根据用户的反馈，优化后的车型在造型上更加美观，且可降低3%～6%的油耗。

1 傅立敏.汽车空气动力学.北京：机械工业出版社，2006.

2 高歌.概念车身局部参数化建模与CFD仿真一体化研究与应用：[学位论文].长春：吉林大学，2008.

3 Hucho W H.Aerodynamics of Road Vehicles（4th ed）.SAE International，Warrendale，Pennsylvania，1998.

4 傅立敏，蔡国华.降低国产轿车阻力的风洞试验研究.空气动力学学报，1998，16（2）：147～153.

5 王新宇，王登峰，范士杰，等.商用车空气动力学附加装置减阻技术的研究及应用.机械工程学报，2011，47（6）：107～112.

6 袁志群，谷正气，卢克龙.汽车后视镜气动干涉阻力特性的数值计算研究.湖南工业大学学报，2010，24（3）：81～85.

7 程雪玲，胡非，赵松年，等.格子玻尔兹曼方法及其在大气湍流研究中的应用.地球科学进展，2007，22（3）：249～260.

8 Hardy J，Pomeau Y，Pazzis O D.Molecular Dynamics of a Classical Lattice Gas：Transport Properties and Time Correlation Functions.Physics Review A，1976，13：1949～1960.

9 栗怀广.钝体空气动力学的格子玻尔兹曼方法：[学位论文].成都：西南交通大学，2009.

10 Bhatnager P，Gross E P，Krook M K.A Model for Collision Process in Gases.Physics Review，1954，94：511.

11 Higuera F，Jimenez J，Succi S.Lattice Gas Dynamics with Enhanced Collision.Europhysics Letters，1989，9：345.

12 王一伟，王洋，安亦然，等.基于LBM方法的高速列车空气动力学计算.中国科学，2008，38（11）：1795～1804.