齐凯



某车型空气动力学性能优化设计研究

齐凯

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

文章根据整车厂开发项目过程中，对整车空气动力学性能进行仿真优化。针对造型面的空气动力学优化的贡献最大，其次是空气动力学套件。其中，散热器导风板不但降低了整车空气阻力，而且增加了散热系统的进气量，整车的动力性经济性得到提升。整车厂在新产品研发过程中，将高度重视CFD仿真的性能优化工作，最大程度为项目降低开发成本，提高整车性能。

空气动力学；仿真优化；空气阻力；整车性能

前言

随着油耗法规的加严，各个主机厂纷纷投入大量的资源和精力发展降低油耗技术。面临既要满足生产成本，又要性能达标这双重压力，使得主机厂各显神通，大力发展发动机技术、电力系统优化设计、车辆轻量化技术等等。空气动力学性能是汽车最重要参数之一，它对汽车的动力性、经济性和操纵稳定性起着重要作用。研究表明当空气动力学性能提升10%，百公里耗油降低0.5升，大大降低了整车的油耗。致使各大汽车厂高度重视空气动力学性能开发，建立高性能仿真平台，提高空气动力学计算精度，并耗费大量精力进行空气动力学方案可行性研究工作，目的要把整车空气动力学设计到极致，最大限度提升产品竞争力。本文考虑到了空气动力学性能的重要性，阐述了对空气动力学性能开发，特此进行了整车空气动力学性能优化设计研究。

1 物理模型

1.1 物流湍流模型

汽车的外流场气动特性模型采用定常、等温、不可压缩流体、湍流模型来计算整车的三维空气动力学流场。本论文采用的是标准k-模型。其模型主要求解湍流动能k方程和湍流耗散率输运方程。标准的k-模型的方程如下：

湍流动能方程k方程：

耗散方程为：

其中：1ε、2ε、3ε、为经验常数，分别为1.44、1.92和0.09；

kσ为湍动能k和耗散率对应的Prandt1数，k=1.0，σ=1.3；

k、S为用户定义源项，可根据不同情况而定；

μ为湍流涡粘系数；G为由于浮力而引起的湍动能k的产生项；

G为由于速度梯度引起的应力源项；Y为可压湍流中脉动扩张项。

1.2 边界条件

根据仿真分析经验，结合试验风洞边界条件。空气动力学的边界条件如表1所示。

表1 仿真边界条件设置

为了减少仿真模型的网格数量，散热器、冷凝器和中冷器芯体的复杂结构采用多孔介质进行简化处理，通过散热系统各自的速度与压力损失试验曲线可以得到速度与压降的关系曲线，进而得到粘性阻力系数和惯性阻力系数，间接反映散热单体的物理特性。其散热曲线如图1所示。

2 模型建立及方案确定

2.1 几何模型设计分析

为了提升仿真结果的计算精度，建立1:1仿真模型，建立详细的模型信息，除小于5mm的管路外，对后视镜、雨刮、底盘、格栅、门把手等零部件进行细化处理，目的是为了提升整车空气动力学计算精度。建立的整车空气动力学仿真模型，如图2所示。

图2 整车空气动力学仿真模型

2.2 造型优化方案

图3 优化前后造型面对比（正斜视图）

图4 前端局部放大图

图5 优化前后造型面对比（后斜视图）

图6 尾部局部放大

造型的变化对整车风阻优化影响较大，最经济、最合理的优化空气动力学性能就是对造型面的优化。但是造型面的优化要考虑造型设计工程的可行性及美学效果，只有即满足造型美学又满足工程学的双重要求时，才能进行造型面的优化。本论文根据B面造型面进行造型优化方案制定。最后形成的两版造型面对比，如图3、4、5、6所示。整车前端造型主要变更地为前脸前端向下，前风挡与发动机舱盖的角度较少，这样的设计在一定程度上，使得通过汽车前端的气流能较为平顺的通过，这对降低风阻有益。整车尾部向后凸出，从整体趋势上看，增加了整车的长度，同时适当增加了后风挡玻璃与行李箱之间的角度。由于整车前端和尾部的适当调整，四门略有调整，但变化量不大。除了造型方面的改动外，增加了前轮导风板和发动机舱散热器器导风板，如图7所示。散热器的导风板不但起到增加散热系统进气量的目标，而且在一定程度上起到改善发舱内流场的作用，对发舱热管理和空气动力学性能都有好处。因为旋转件的流场相对复杂，通过增加前轮导风板可以减少气流对旋转车轮的冲击，起到平顺车轮附近流场的作用。

图7 额外增加的优化方案

3 结果分析

整车的风阻系数计算曲线，如图8所示。当整个计算的载荷步大约为1400步时，计算结果趋于稳定。为了进一步提高计算稳定性，在相对稳定的基础上再运行1000载荷步，使得计算结果稳定。

图8 整车风阻系数迭代曲线图

整车空气动力学计算结果，如表1所示。优化后的风阻系数为0.291，降低了34counts。主要造型优化贡献了20counts，前轮导流板贡献了5counts，散热器导风板贡献了9counts。可见，造型优化为空气动力学优化的主要手段。前期设计过程中，通过合理设计具备优秀空气动力学性能的造型，对整车的开发周期、整车动力性经济性能、整车的操控稳定性都有巨大的贡献。对于主机厂来说，不用增加成本，直接见功效，在日益竞争激烈的市场大环境下，是非常必要的。通过增加散热系统的前端导流板，散热系统的进气量明显增加，如表2所示，散热器的进气量增加有助于发动机的热效率，进而增加发动机的动力性经济性；冷凝器进气量增加，有助于减少空调的工作负荷，节能环保；中冷器的进风量增加，带有了大量的余热，整车的做功效率明显提升。可见，增加散热器导风板是非常必要的优化手段。

表1 整车空气动力学性能表

表2 高速工况机舱进风量表

整车的压力系数分布和整车压力分布云图所表达的含义是一致的，都是展示了整车的压力分布特点。图9为整车压力系数分布云图，从图中可以得知，整车的前脸压力较大，牌照板附近的区域为高压区，在后视镜壳体的凸起位置存在明显的高压区，此处的流场变化较为强烈，适当的优化此处流场可以显著提升空气动力学及风噪声性能。

图9 整车压力系数分布云图

车轮附近的压力系数分布，如图10所示。从原模型的仿真结果可以看出，旋转车轮的迎风面所受较大的风载荷冲击。相比非旋转零部件的流场，旋转零部件的流场更加复杂，而且影响风阻系数较为明显。暴露在流场的旋转区域越大，风阻就越大。通过增加前轮导风板，可以有效的减少车轮迎风面的压力区域。旋转车轮暴露在流场内的区域减少，在一定程度上，起到降低整车风阻的目的。

图10 车轮附近压力系数分布云图

整车背部压力越大，整车前后压差越小，进而阻力越小。对比两版整车背部压力云图，优化后的结果在图中标出区域好于原模型。

两版数据在Y=0对称面速度云图分布状态相近，优化后的尾部低速区域范围略小。这对整车的空气动力学性能有好处，另外由于气流速度增加，气流在车尾部停留的时间减少，对降低尾部污染物有利，如图12所示。

图12 Y=0对称面速度云图

图13 ISO面的速度分布云图（侧视图）

原模型 优化后

通过图13，14，观察ISO面（Total Pressure=0气流分离面）速度分布情况，发现由于增加前轮导流板，汽车前轮附近的ISO等压面抬高，包含了整个前轮；经过后轮后的等压面明显减小，尾部气流由于削弱了后轮杂乱流场的影响，尾部的速度低速区远离车体，其气流分布趋于合理，优化后的结果在图中标出区域好于原模型，尾涡明显偏小。造型的优化和空气动力学套件的整体组合优化结果，使得整车的流场分布发生变化。

4 结论

通过开发车型的仿真优化分析，可以得到以下结论：

（1）通过造型优化，整车风阻降低20counts，效果明显。

（2）增加散热系统导风板，整车的空气动力学性能提升，风阻系数降低9counts，同时，散热系统的效率提升，进而提升了整车动力性经济性，建议此空气动力学套件进行平台化。

（3）通过仿真分析，可以分析较为详细的速度流场、压力场，规避了空气动力学风洞试验的弊端。

（4）通过仿真分析，可以提升整车的开发效率，降低开发成本，值得整车厂大力发展。

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Study on aerodynamic performance optimization design of a certain vehicle model

Qi Kai

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

According to the development of the vehicle, the aerodynamic performance of the vehicle is simulated and optimized. The most important contribution to aerodynamic optimization is the aerodynamic styling. Among them, the radiator air guide plate not only reduces the air resistance of the vehicle, but also increases the intake volume of the heat dissipation system, and the dynamic economy of the vehicle is improved. In the process of developing new products, the vehicle factory will attach great importance to the performance optimization of CFD simulation, and minimize the development cost of the project and improve the performance of the vehicle.

Aerodynamics; Simulation optimization; Air resistance; Vehicle performance

A

1671-7988(2019)03-85-04

U464

A

1671-7988(2019)03-85-04

U464

齐凯，就职于华晨汽车工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.025