赵亚芳，尹章顺，居小敏，秦 鹏

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

前言

根据文献资料，空气阻力是除燃烧散热和机械摩擦损失之外能量消耗的第三主因，占据整个车辆能耗约22%[1-3]。利用空气动力学理论可以有效提高整车的气动性能，设计出风阻更低的车型，而且研发费用比其它方法低很多，所以越来越受到各整车厂的重视[4]。通常情况下，整车底部的布置由于不同零件有不同的准则，使整车底部的各部件底部高低不平，这会使整车底部的流动变得很复杂且不稳定，对整车的风阻系数有很大的影响，增大整车的风阻系数和油耗。

各大汽车厂商都在寻找有效而低成本的方案来解决该问题，据此，近年来成本低且有效的air dam方案获得了广泛应用。该方案是在整车底部的前端添加特殊形状的部件，能有效改善整车底部的流动，可以降低整车的风阻，且能够提升发动机舱冷却空气量和前端升力，各国研究人员对其开展了大量的研究[5]。Air dam在国内有直译为“气坝”；也有根据其实际功能直接称为“前导流板”。图1示出3种不同的air dam：①前唇下方的细长条形air dam，目前丰田普锐斯用的就是这种形式，见图1(a)；②圆弧形环绕式air dam，这种形式最为常见，见图1(b)；③两端和前轮导流板相连的直条形air dam，见图1(c)。

但是air dam不同结构和不同安装位置对整车气动性能和前端进气都有复杂影响，应针对具体车型进行详细的研究。

本文中通过空气动力学风洞试验，详细研究了air dam的结构和安装位置的多个关键参数对整车气动性能的影响，获得了其对整车风阻系数和前端进气的影响规律，获得了优化的air dam结构。

1 Air dam对整车风阻系数的影响

整车的风阻包括内部风阻和外部风阻。外部风阻包括整车外表面、底盘和后视镜等附件产生的风阻。本文中主要研究外部风阻。

1.1 Air dam影响整车风阻系数的原理

通常，air dam位于车辆前端，与格栅相连。Air dam的型线通常由变半径的圆弧组合而成。安装air dam前后整车前部的流线和压力分布见图2。由图2可见，未安装air dam时，从车底进入的气流中一部分气流会直接撞击在发动机舱内部的零部件(如前横梁、油底壳、后部舱壁等)的底部，这部分气流会和从前端进来的气流相互作用，使发动机舱后壁的压力升高而降低前端进气量。当车底安装air dam后，将使从车底进入的气流不再撞击到发动机舱零部件的底部，这样发动机舱后壁无正压力存在，使通过发动机舱内零部件气流的阻力降低。由图2(c)可见，安装air dam后，轮胎、前悬架和横梁处以及发动机舱后壁处的压力降低。

为更好地发挥air dam的作用，从改善整车风阻的角度，希望它越靠前越好。但是，从造型的角度考虑，因它破坏了造型美观，故又希望它越靠后越好。为平衡两方面的需求，air dam被设计得靠后而且在y方向比较短，在两侧依靠左右前轮的导流板进行补偿[6]。

1.2 Air dam位置对整车风阻系数的影响

通过风洞试验，研究air dam安装位置对整车风阻系数的影响。通常，air dam只能被安装在格栅下方到冷凝器-水箱-风扇总成框架之间的范围内，如图3所示。图4为研究车型1的air dam安装位置范围，它到格栅前端的距离从10mm到450mm；图5为研究车型2的air dam安装位置的变化范围，它到格栅前端的距离从15mm到280mm。

图6为air dam不同安装位置对整车风阻系数的影响。从图6中可以看出，对于车型1，随着air dam安装位置的后移，其降低整车风阻系数的作用越来越小。当其安装位置到达200mm时，整车风阻系数仅仅降低0.6%。随着air dam的继续后移，当其与格栅前端的距离增加到300和450mm时，整车的风阻系数分别增加1.4%和2.0%。研究车型2也有类似的变化特征。

Air dam的安装位置对整车的风阻系数影响较大的主要原因是随着它的向后移动，不仅在轮胎胎面上的压力分布发生变化，而且气流撞击轮胎胎面的面积增加，导致了风阻增加。

1.3 Air dam高度对整车风阻系数的影响

Air dam的高度一方面要满足路阶和接近角的要求，另一方面受到安装方式和运输方式的影响。Air dam高度对整车风阻系数的影响如表1所示。

表1 Air dam不同高度对整车风阻系数的影响

从表1中可见，随着其高度的减小，整车的风阻系数增加。Air dam的高度影响整车风阻的原因是：当其高度较小时，气流直接撞击到轮胎胎面、流经发动机和变速器的气流增加，导致整车风阻系数Cd增加。

1.4 Air dam各参数对整车风阻系数的综合影响

从上述研究发现，air dam高度、形状和安装位置对整车风阻系数有不同程度的影响。为优化air dam，研究了这3个参数对整车风阻系数的综合影响，结果如表2所示。

表2 Air dam对整车风阻系数的影响(车型3)

从表2可以看出，air dam 1方案对降低整车风阻系数最有效，使其降低了5.7%；air dam 2方案次之，使整车风阻系数降低4.9%。Air dam 1和air dam 2的形状如图7所示。从图中可以看出，air dam 1在拐角处比air dam 2外扩，在两端，air dam 1也外扩了一些。外扩的air dam 1会减少直接打击在胎面上的气流，减少了气流在轮罩内部的涡流，使气流贴着轮胎流向车辆后方，从而减小整车的风阻系数。由表2可见，air dam两端对风阻影响很大，两端高度减少10mm，整车风阻系数增加0.9%。这是因为其两端高度的减少，增加了气流对轮胎胎面的打击力度，增加了轮胎胎面的压力，从而风阻增加。另外随着air dam的安装位置向后移动，整车风阻系数增加；air dam高度减小，风阻增加。

Air dam 3的形状类似于图1(c)的air dam加前轮导流板的造型。这种造型是为将air dam后移，air dam 3位于距离格栅前端125mm处，使整车风阻系数仅下降2.3%。因为这种造型导致其拐角处需要内缩，如图7所示。相比air dam 1和air dam 2，拐角处的变化剧烈，对整车风阻系数影响较大。

图8为车型4设计的两种air dam两端的截面。表3为air dam对整车风阻系数的影响。从表3中可以看出，车型4的air dam 2降阻效果优于air dam 1，这是因为air dam 2比1的截面更倾斜，这样的造型可以有效引导气流，防止气流撞击底盘的凸起部位。

序号airdam整车风阻系数变化百分比/%说明1airdam1，高度50mm-31基准安装位置2airdam2，高度50mm-43基准安装位置

比较图7和图8可以发现，air dam的边缘对风阻系数的影响较大，因为这一部分影响到了轮胎表面的压力。

2 Air dam对整车前端进气的影响

在整车上安装air dam后，其导流作用会减少流过车辆底部的气流，然而却增加了流经冷凝器-水箱-风扇总成的气流。

2.1 Air dam安装位置对整车前端进气的影响

Air dam不同安装位置对整车前端进气的影响如表4所示。随着air dam向车后方向的移动，前端进气量也逐渐减少，当它安装在离格栅前端+450mm处时，前端进气量减少了0.9%，影响较小。这是因为当air dam向后移动时，由于其导流作用经过散热器前后的压差变化不大，导致前端进气量变化小。

表4 Air dam安装位置对整车前端进气的影响

2.2 Air dam高度对整车前端进气的影响

Air dam高度对整车前端进气的影响如表5所示。从表5可以看出，开始时air dam高度的减小对前端进气影响较小。随着其高度的进一步减小，前端进气也进一步减少。当air dam高度减小到30mm时，进气量减少2.1%。这是因为当air dam高度减小到一定程度时，使经过车辆底部的气流增加，减少了进入散热器的气流量。

表5 Air dam高度对整车前端进气的影响

2.3 主动式air dam

目前，已有汽车厂家采用主动式air dam，其高度可随车速而变化。当车辆低速行驶时，air dam收起；当车辆高速行驶时，air dam升高而起到降低整车风阻系数的作用。

3 结论

为进一步提高整车气动性能，降低油耗，通过空气动力学风洞试验，本文中详细研究了air dam的结构和安装位置等诸多参数对整车气动性能和前端进气的影响，获得如下结论。

(1) Air dam的安装位置和高度都对整车的风阻系数影响较大，在满足造型要求的基础上，应尽量将其安装位置前移。在满足路阶和接近角要求的情况下，尽可能增加air dam的高度。

(2) Air dam边缘处的结构对整车风阻系数也有一定影响。整车风阻系数对air dam拐角处的形状非常敏感，需要精心设计。Air dam靠近轮胎附近的两端也非常敏感，在满足路阶要求的情况下，尽量增加此处的高度。

(3) 与安装位置相比，air dam的高度变化对整车前端进气影响较大，应尽可能增加其高度。

(4) 主动式air dam离地高度可调，主要在车辆高速行驶时起作用，这样其离地高度就不再是主要的影响因素。

[1] Yohan Jung, Jehyun Baek. A Numerical Study on the Unsteady Flow Behavior and the Performance of an Automotive Sirocco Fan[J]. Journal of Mechanical Science and Technology,2008,22(10):1889-1895.

[2] Kobayashi T, Tsubokura M, Oishi M. Technology of Automobile and Visualization Studies[J]. Journal Visualization,2008,11(1):15-22.

[3] 傅立敏.汽车空气动力学[M].北京:机械工业出版社,2006:79-90.

[4] Jang Yongjun. An Investigation of Higher-order Closures in the Computation of the Flow Around a Generic Car[J]. Journal of Mechanical Science and Technology,2008,22(5):1019-1029.

[5] Stuart J Brown. Design Optimization of Front Bumper System for Low Speed Impact Insurance Industry Impact Test Using DFSS and CAE Analysis[J]. SAE Int. J. Passeng. Cars-Electron. Electr. Syst.,2011,4(1):62-68.

[6] Howell J. “Shape and Drag” Euromotor International Short Course-Using Aerodynamics to Improve the Properties of Cars[C]. FKFS, Stuttgart,17-18, February,1998.