雷敏，魏朔，李超，闫惠东，张庆*

多轴混合动力特种车辆空气动力学特性分析与改进设计*

雷敏1，魏朔2，李超2，闫惠东2，张庆1*

（1.中国农业大学 工学院，北京 100083；2.北京航天发射技术研究所，北京 100076）

建立某多轴混合动力特种车辆整车外流场仿真模型，采用计算流体力学方法分析整车外流场特性。根据分析结果对驾驶室进气格栅、驾驶室与货箱之间的上部连接、驾驶室下部进风口三个部位进行优化设计。在优化设计过程中，特别关注提升各车桥分布式驱动电机的散热效果，并根据局部外流场特性确定车桥处的电机风扇朝向布置。结果表明，优化后的整车风阻系数降低了6.4%，各车桥均可通过底盘底部的气流分支进行良好冷却，确保满足驱动电机的散热需求。

混合动力；多轴特种车；计算流体力学；风阻系数；优化设计

1 概述

车辆混合动力驱动技术近年来快速发展，在乘用车及民用商用车领域取得了良好效果[1-3]。分布式混合动力驱动技术可以在增大特种车辆底盘布置空间，增强车辆起步加速能力及动力性的同时，还能够满足车辆在重载条件下对续驶里程和维修保障性的需求，因此在特种车辆领域也得到广泛关注。

本文研究的多轴特种车辆采用串联式混合动力驱动技术，以柴油发动机为动力源，每根车桥布置中央驱动电机及散热风扇，实现车辆的多电机分布式驱动。车桥处电机散热风扇的布置和气流利用效果将对整车散热能力产生重要影响，在车辆方案设计阶段就需要掌握驱动桥位置的外流场分布特征，以便合理利用并优化整车空气动力学特性，为整车散热系统布置提供支撑。

因此，本文针对某混合动力多轴特种车辆展开外流场特性分析和优化，建立了整车外流场仿真计算模型，采用CFD方法对整车外流场进行计算分析。根据分析结果，对车辆整体外廓和局部结构进行优化设计，并将优化前、后整车的空气动力学特性参数进行对比分析。特别关注了车桥电机散热风扇处的外流场特性，获得了相应的流速和流向等数据。

2 整车外流场特性分析

2.1 整车外流场仿真模型建立

多轴特种车整车几何模型包含驾驶室、车架、车桥、轮胎、上装舱体、电池、电机、工具箱等结构。将整车几何模型导入到Star CCM+软件中进行处理。图1为建立的整车包面及网格模型。

图1 整车包面及网格模型

整车外流场仿真的风道模型的尺寸设置需要满足阻塞比小于5%，以便获得可信的计算结果。设置仿真风道截面是5倍车高和6倍车宽，在车体前部设置预留了3倍车长空间，车体后部预留了8倍车长空间，计算得到所建立的仿真模型的阻塞比为1.23%，小于标准要求的5%，能够满足计算精度要求。

整体风道模型的尺寸及边界条件设置如图2所示，将车体前方边界设置为速度进口，车辆后方的边界设置为压力出口，车辆前方的上下左右四个壁面设置为无摩擦的滑移壁面，车辆后方设置为无滑移壁面，整车外表面设置为无滑移摩擦壁面，以模拟车身与气流之间的摩擦关系。

图2 （a）风道模型边界尺寸和（b）流场边界条件设置

在流场仿真时，CFD计算结果会对模型网格尺寸产生依赖，合理的网格设置可以确保计算结果的准确性和经济性。本文在正式计算前，首先进行了网格独立性分析。选取车体的风阻系数作为网格独立性的评价对象，设置不同的单元尺寸得到不同规模的网格模型。计算得到风阻系数与单元规模对应关系曲线，如图3所示。随着单元尺寸减小，网格规模随之急剧增大，风阻系数的计算值逐步减小。当网格数量超过一千万后，计算结果趋于稳定。为了节约计算时间与存储空间，选择网格规模在一千万左右的模型，最大单元尺寸设置为0.05 m。

图3 网格独立性计算结果

2.2 整车外流场计算、分析

选取60 km/h和108 km/h两个速度工况进行分析，求解流场的物理模型条件分别设置为三维、稳态、分离流、梯度、恒密度、湍流、K-湍流模型、精确壁面距离和单元质量校正。

整车空气动力学特性计算结果如图4a和图4b所示，在驾驶舱前端部分出现集中的红色正压区域，且该正压区域在进气格栅附近，对动力电池系统的散热有重要的影响。因此，可以对汽车的进气格栅结构进行优化设计。另外，驾驶室与货箱之间有间隙，货箱上缘拐角尖锐，有较大的压力集中，增大了整车的行驶阻力，需要对驾驶室与货舱连接部分进行造型优化，以降低行驶阻力。

图4c和图4d展示了在速度为60 km/h与108 km/h工况下的纵截面气流速度矢量场，二者的流场分布规律相同。在底盘下部区域，每组车轴的驱动桥区域存在大量湍流，这些湍流能带走车轮与驱动桥的热量，提高其散热效果，故在设计车桥的冷却系统时，应充分与该区域的气流特性结合起来。

3 整车的造型优化设计

大量的气流从进气格栅进入车体内部，充足的气流有利于动力、传动系统的散热，但气流过大会使整车内部产生复杂的流动状态，因此需要对进气格栅与流场影响的关系进行定量分析。图5为进气格栅初始形貌，在保证进气格栅几何形状的条件下，对其高度进行扩大，增大量从100 mm至200 mm，步长为10 mm。

整车表面的气体压力分布情况表明，由于整车的平板型迎风几何特征导致整车前端是压力集中区域。因此，在底盘前端合理设计挡风板，从驾驶室底部延伸到蹬车梯附近，将气流更好地导向底盘下部区域，从而降低驾驶室底部的气动阻力与气动噪声，提高车辆的行驶稳定性。具体位置如图6a所示。

图5 对进气格栅的改动

由图4分析知货舱前端存在正压区域，该区域的气流将在驾驶舱与货舱之间的区域形成湍流，降低了汽车行驶稳定性。如图6b所示，通过整流罩的合理设计，圆滑连接驾驶室与后方的货舱上缘，优化驾驶舱的气流导向作用。

4 结果对比及分析

4.1 动力学特性对比

对整车造型优化前、后的空气动力学特性进行定量比较，选取速度为60 km/h与108 km/h的工况下的风阻系数、升力系数作为研究对象。如图7a所示，原车在60 km/h和108km/h时风阻系数均为0.687；整车造型优化后，风阻系数在60 km/h时降低为0.643，在108 km/h时降低为0.642，风阻系数降低约6.4%。计算结果表明整车的造型优化使得流场特性得到了改善，整车的风阻系数降低，提高了车辆的燃油经济性。

图7b是升力系数变化情况，在60 km/h时原车的升力系数为0.107，在优化后升力系数提高到了0.151；在108 km/h时原车的升力系数为0.103，而优化后升力系数提高到了0.149；结果表明造型优化后整车的升力系数增大，增长幅度约50 %，对于重载车辆而言，升力增大意味着降低了车辆行驶时的负载[4]。

图7 （a）风阻系数及（b）升力系数变化情况

图8为整车风阻系数随进气格栅高度变化的趋势图，可以看出，进气格栅改动对风阻系数和升力系数的影响十分明显，合理的栅格设计能有效提升整车的流场特性。

图8 风阻系数随随进气格栅改动量变化趋势

4.2 车桥处流场对比

图9 整车造型优化前、后纵截面的空气流速矢量场

图9是优化前、后整车的纵截面空气速度矢量场。优化前的仿真结果如图9a所示，中央通道区域的流场湍流状态复杂，第一和第二车桥处的气流主要来自从进气格栅进来的分支气流；第三至第五车桥的散热主要依靠从底盘挤上来的气流。优化后的仿真结果如图9b所示，中央通道区域的流场趋于稳定，底盘下部的气流入口和各车桥区域为湍流状态，且各车桥处用于散热的气流主要由底盘下方挤流而来，有利于底盘各部件的散热[5-6]。

对各车桥处的空气流速进行定量分析，选取每个车桥轴心前300 mm处作为基准点，此处约为散热风扇布置位置。选取了如图10a所示共5个基准点。流速对比曲线如图10b所示，结果显示优化后2-5桥车桥处的空气流速显著增加，有利于提高电机的散热效率。

图10 各车桥处的空气流速矢量图

4.3 车桥处风扇朝向布置

图11 第一车桥位置的流场矢量图

车桥处的风扇是整车散热系统的重要组成部分，风扇的朝向应与车桥处空气流动的方向保持一致。以第一车桥为例，在60 km/h速度下，截取一桥中心位置的截面矢量场（图11a），车桥横向截面处的速度矢量图如图11b所示。可知此处的空气流动朝向车辆上方，因此第一车桥处的风扇需朝上布置。采用此方式，可对整车其他车桥的风扇朝向布置方案提供支撑。

5 总结与展望

本文借助CFD方法，展开了混合动力多轴特种车整车外流场特性分析及优化。通过网格独立性分析确认了合理的网格规模，实现了计算准确性和经济性的统一。通过分析计算结果，提出在驾驶室进气格栅、驾驶室与货舱的连接位置及驾驶室底板三个位置进行改进设计。经过优化设计，新结构的风阻系数降低了6.4%，第2-5车桥处的流场流速得到提升。基于整车外流场计算，还着重分析了车桥电机处散热风扇的朝向布置方案，结合矢量场和散热需求，确定了每个车桥散热风扇的朝向，为混合动力散热系统方案布置提供了技术支撑。

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[5] 苏红春,袁春,王莉,等.某型电源车车舱通风散热性能优化研究[J]. 汽车工程学报,2015,5(5):359-366.

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Aerodynamic Characteristics Analysis and Improved Design of a Multi-axis Hybrid Special Vehicle*

Lei Min1, Wei Shuo2, Li Chao2, Yan Huidong2, Zhang Qing1*

( 1.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083;2.Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing 100076 )

A simulation model of the external flow field of a multi-axis hybrid special vehicle is established, and the characteristics of the external flow field of the vehicle are analyzed using the method of computational fluid dynamics. According to the analysis results, the three parts of the cab air intake grille, the upper connection between the cab and the cargo box, and the lower air intake of the cab are optimized. In the optimization design process, special attention is paid to improving the heat dissipation effect of the distributed drive motors of each axle, and the orientation of the motor fan at the axle is determined according to the local external flow field characteristics. The results show that the optimized wind resistance coefficient is reduced by 6.4%, and each axle can be cooled well by the airflow branch at the bottom of the chassis to ensure that the heat dissipation requirements of the drive motor are met.

Hybrid electric vehicle; Multi axle special vehicle; Computational fluid dynamics; Wind resistance coefficient; Optimization design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.017

U273

A

1671-7988(2021)02-51-05

U273

A

1671-7988(2021)02-51-05

雷敏（1997-），女，广西桂林人，硕士研究生，主要研究方向为车辆空气动力学设计及分析。

张庆（1986-），山东枣庄人，博士，副教授，主要研究方向为新能源车辆设计及动力匹配，车辆CAE技术。

国家自然科学基金（51605021）。