彭丽娟，袁侠义，陈志夫，汤柱良，陈 林，王超逸

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434)

前言

1 模型搭建

汽车空气动力学是一门研究汽车运动时与空气之间相互作用规律的科学，空气动力学特性直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性[1-3]。

车速为60km/h时，气动阻力约占整车阻力的50%，随着速度增加，气动阻力占比越大，越轻量化的汽车，风阻占整车阻力的比例也更高，通过汽车空气动力学研究来提高行驶稳定性。降低气动噪声，降低汽车气动阻力，不仅可改善燃油经济性，且还可提高汽车动力学性能。在空气动力学设计中，降低整车的气动阻力是关键[4-5]。因此，基于CFD技术的空气动力学优化和风洞试验验证对提升整车空气动力学性能、降低油耗具有重要意义。

1.1 基本方程

(1)质量守恒方程(连续方程)

在汽车空气动力学领域，一般认为流体的密度在运动过程中不变，即ρ=常数，称为不可压缩流体，其连续方程为

(2)动量守恒方程

式中：v为平均速度；vi为平均速度分量；xi为坐标分量。

1.2 网格模型

外造型面设计阶段采用简单底盘模型进行分析，计算域长55m，宽14m，高10m，对车身、下车体和轮胎进行分块处理，对A柱、后视镜、发动机罩前端、前翼子板侧面、后扰流板、D柱和尾灯等分离区域网格加密；车身周围的空气域采用较密的网格，往外逐层变疏[6]，计算模型如图1所示。

图1 简单底盘分块模型

整车附件采用整车模型进行优化分析，同样对整车进行分块处理，计算域网格尺寸与简单底盘模型相同，模型如图2和图3所示。

图2 整车分块模型

图3 计算域网格

1.3 物理模型与计算工况

假定为稳态常密度问题，选用分离式算法，汽车外部扰流充满分离、再附着和漩涡等复杂的流动现象，选择k-ε湍流模型[7-9]，进行流动模拟，包括旋转均匀剪切流、管道内流和带有分离的流动[10]。边界条件如表1所示。

表1 边界条件设置

2 优化分析

2.1 外造型面对气动阻力系数影响分析

造型和总布置的关键尺寸基本决定了整车的风阻系数水平，因此在主题选择前须对空气动力学性能影响较大的关键参数进行控制。采用网格变形优化技术，结合CFD软件，分析上一代车型模型外造型的变化对气动阻力系数的影响，结果如表2所示。

表2 外造型面对阻力系数的影响

2.2 外造型面气动阻力分析与优化

第一版CAS数据整车气动阻力系数较大，为0.407，分析结果如图4所示，可以看出发动机罩前端、前大灯侧缘与前保险杠转角区域、A柱和前轮侧面气流流速很大，形成分离，尾部由于无上扰流板，与经行李架末端和D柱的共同作用，在尾部有两个较强的涡。结合该版模型数据和表2的分析结果提出优化方案，制定性能目标控制开发策略。气动性能优化分造型面和气动附件两个阶段。

图4 第一版数据仿真结果

(1)发动机罩优化 降低发动机罩前端高度(位置A)，可减小前脸正压区域面积；抬高发动机罩末端高度(位置B)，可增加发动机罩与前风窗的夹角，减少风窗处的正压力，优化示意见图5。通过优化后，发动机罩的过渡区域气流分离得到改善，如图6所示。

图5 优化建议

图6 车头优化对比

(2)后扰流板优化 根据图4(b)的结果可以看出，尾部缺乏后扰流板导致尾部形成了明显的漩涡，在该区域增加扰流板可延缓气流的分离，同时对扰流板的长度和高度进行了优化，如图7所示。

图7 扰流板优化示意图

图8为尾部速度云图。可以看出，增加扰流板后，后风窗的两个低压区得到明显改善，增加了尾部压力，从而降低了整车阻力。

图8 尾部速度云图

对扰流板高度与长度进行优化后，尾部气流得到明显改善，尾部速度和压力云图如图9所示。由图可见，与原始模型相比，优化模型上下尾涡更平衡，提高了背部压力，改善了上端气流下洗严重的问题，减小了尾部负压区，从而减少了气动阻力。

图9 尾部速度、压力云图

(3)D柱优化 经过分析，尾部气流在后风窗区域流速较快汇聚到尾部，导致尾部区域气流混乱，增加后风窗扰流筋后，有效改善局部负压，提高尾部压力。同时也对D柱扰流前后位置进行优化，优化尾部压力明显改善，如图10所示。

图10 D柱形面优化

(4)尾灯优化 尾灯部位同D柱区域一样过渡弧度较大，导致阻力增大。为进一步增加尾部压力，通过减小尾部收缩角，并在尾灯增加扰流筋的方式来提高局部压力，如图11所示，优化后尾灯区域局部压力增加，从而提高尾部压力，降低整车阻力。

图11 尾灯优化

(5)前保险杠、侧围优化 前保险杠、侧围优化见图12。通过前大灯、发动机罩、前保险杠转角光顺改型，减少气流向两侧分离；通过降低前保险杠高度来减少底部气流，前挡泥罩后侧正压区明显减小；侧裙外扩，增加对后轮的覆盖，降低气流对后轮的冲击，以减小气动阻力，也能有效降低气动噪声。

图12 前保险杠、侧围优化

同时还对格栅饰条截面、A柱与前风窗的断差、后视镜三角窗与侧窗的断差等细节进行优化，外造型面优化后，简单底盘模型的气动阻力系数共降低了0.035，阻力优化贡献较大的部件如表3所示。

2.3 整车模型气动附件分析与优化工作

建立整车CFD分析模型，对整车的空气动力学性能进行计算分析，并通过仿真手段优化空气动力学性能，主要是通过优化发动机舱内部流动和底部气流流动。

表3 各区域优化值

(1)上导流罩 在封闭格栅两侧的基础上增加前端模块导流罩，提高格栅与冷却模块之间的密封性，减少气流漏流，增加了冷却风量，提高了冷却性能[11-12]。同时，梳理了进入前端冷却模块的气流，减小了紊流，提高了空气动力学性能，结果如图13所示。优化后整车阻力系数下降0.004。

图13 加装上导流罩的效果

(2)下护板优化 下护板优化结果如图14所示，可看出优化后底部气流更光顺。

(3)前后轮气坝 增加前后轮气坝能有效阻挡直接冲击在前后轮的气流，降低阻力，气坝优化前后对比如图15所示。可看出轮胎区域的正压区明显减小。

图14 下护板优化前后对比

图15 增加气坝的效果

(4)备胎罩 尾部平整度设计也是改善整车空气动力学性能的途径，因此在备胎表面覆盖备胎罩，与前部护板搭配，优化前后对比如图16所示。可看出增加备胎罩后，后风窗压力稍有提升。

图16 备胎罩优化前后对比

同时关注下车体平整设计，对前后挡泥板进行密封设计，对轮辋开口进行优化，最终气动附件的优化使气动阻力系数降低了0.025，气动附件优化的贡献如表4所示。

表4 气动附件优化

各部位优化前后气动阻力系数的对比如图17所示。

图17 各部位优化前后气动阻力系数的对比

因对格栅两侧进行了封闭优化，且优化前无附件，车头部分和气动附件优化后阻力占比增加较多，但增加附件后，车尾、机舱、下车体和前后轮均有不同程度的降低。

由上面优化仿真结果可知，模型原始状态的气动阻力系数为0.407，外造型面和气动附件的优化，分别使阻力系数减小了0.035和0.025，也即经两个阶段的优化后，气动阻力系数降低至0.347，达到预期的目标，该模型达到量产状态。

3 试验验证与进一步优化的探讨

为验证上述优化仿真的结果，在风速为120km/h的工况下进行风洞试验，风洞样车试验现场如图18所示。

试验结果可知，气动阻力系数为0.34，仿真误差仅为2.06%，说明模型具有足够的精度。

图18 该项目风洞试验

在模型达到量产状态的基础上，对进一步优化的潜力进行了探讨，仿真结果表明，采用主动格栅和附件的进一步优化，可使阻力系数分别再降至0.328和0.32，对应的试验值为0.322和0.318。

4 结论

采用网格变形技术，结合CFD仿真，分析了造型面对气动阻力系数的影响，在此基础上经造型和气动附件优化，整车阻力系数仿真值约降低0.06，最终该车型风洞试验气动阻力系数为0.34，达到了同级车型的优秀水平。

通过试验验证，主要工况的仿真误差在3%以内，为后续其它车型的开发积累经验。