轿车气动阻力优化CFD研究

熊可嘉，杨 坤

Xiong Kejia Yang Kun

（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804）

0 引 言

汽车空气动力特性是汽车的重要性能，它对汽车操纵的稳定性、安全性和舒适性有十分重要的影响。特别是近年来能源价格不断上涨，无论是传统燃油汽车，还是新能源汽车，都面临着降低阻力的要求。

研究表明，车速在80 km/h时，气动阻力与滚动阻力几乎相等；在150 km/h时，气动阻力相当于滚动阻力的2～3倍[1，2]。因此，改善汽车燃油经济性成为汽车技术的重要课题。[3]

风洞试验是研究汽车空气动力学的传统方法，但需要高昂的费用，并且难于捕捉流场的细节。应用CFD方法进行外流场分析，可以大幅减少试验费用，提供丰富、生动的细节，指导风洞试验和对汽车的改进。

文中利用CFD手段，对一款自主品牌轿车进行分析和研究，大幅降低了汽车的空气阻力，提高了产品的性能。

1 计算模型

1.1 汽车外型

对比图1和图2可以发现，数字模型与实车相比，非常接近，因此，不会因为模型过度简化而造成计算结果误差过大。

1.2 计算域

为了减小边界条件对计算结果的影响，采用文献[4]推荐的计算域大小：9倍车长×6倍车高×6倍车宽。计算域的外型为长方体。

1.3 计算网格

计算采用混合网格。计算主体区域采用六面体网格，车体表面为三角形网格，近车体壁面附近采用三棱柱作为边界层网格，车体附近采用四面体网格，四面体与六面体之间采用金字塔形网格过渡。网格总数1 114万。

1.4 计算方法

由于绝大多数汽车的车速均小于400 km/h，即音速的1/3，因此，可以认为空气是不可压缩流体。计算使用Fluent软件，采用雷诺时均方程、k-ε三维紊流模型、SIMPLE算法[5-7]。

1.5 边界条件

进口采用速度入口边界条件，风速为100km/h，湍流强度和湍流粘性比分别为1%和10。出口采用压力出口边界条件。地面以100 km/h移动，车轮转动。

2 计算结果与优化方法

风洞试验的结果表明，CFD的计算误差在5%左右，说明计算比较准确，能够反映汽车运行的实际状态。

2.1 风阻偏大的原因

经过对计算结果的仔细分析，发现车体前部是造成风阻偏高的重要因素。

在图4中可以看到，车底下面有许多部件低于前裙板。在图5中，车底部件排列不整齐，使得车底凹凸不平。

综合图4、图5和图6可以看到，前裙板过短，流经车身底部的气流过多，发动机舱、车身底部部件和前轮很大部分直接暴露在冲击气流下，这些部件表面压力很高，这是导致整车风阻偏高的重要原因。

2.2 降阻措施

（1）在轮胎前部增加挡板（图7），减少轮胎带来的风阻，其效果如图8所示。与图6相比，挡风板受到的压力增大，车轮受到的压力减小，整车的Cd值下降了0.0017。

（2）在前保险杠下部增加挡板（图9），使气流绕过发动机舱和车身底部部件，减少流经车身底部的气流，其效果如图10所示。与图6相比，挡风板受到的压力增大，车底部件受到的压力减小，车辆的Cd值下降了0.0045。

（3）同时使用车轮挡风板和车底挡风板。由于二者距离较近，其效果不能将二者单独使用的情况简单相加。

对采用两种降阻措施后的情况进行重新计算，结果如图11所示。计算结果表明，整车风阻系数下降了1%。这说明，挡风板改变了外流场的结构（特别是车底流场的结构），汽车表面的压力分布得到了优化，使整车性能得到了提高，最后的风洞试验也证明了这一点。

3 结束语

CFD是汽车外流场研究中一项非常重要的手段。文中利用该手段，对一款自主品牌轿车进行了深入的研究，结果表明：

（1）车轮是导致该车风阻偏大的重要因素。在其前方增加挡板，可以有效地降低该位置的空气阻力。

（2）汽车底部由于零部件众多，往往很不平整，这很容易造成车辆风阻增大。在车底前裙位置，增加挡板，车底外流场会发生很大改变，合理选择挡板高度，能够有效降低整车气动阻力。

通过CFD技术，找到了导致风阻偏高的原因，提出了降阻的措施，对各种情况做了大量的虚拟分析，仅用少量的风洞试验验证优化的效果，从而大大节省了产品的开发费用和周期。

［1］傅立敏.汽车空气动力学［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［2］W.H.Hucho,Aerodynamics of Road Vehicles,4th ed.［M］.SAE International,Warrendale,Pennsylvania，1998.

［3］武藤真理.自动车空力学［M］.东京：株式会社三荣书房，2001.

［4］F.T.Makowski,Sung-Eun Kim.Advances in external-aero simulation of ground vehicles using steady RANS equations.SAE Paper 2000-01-0484.

［5］陶文铨.数值传热学（第2版）［M］.西安：西安交通大学出版社，2001.

［6］S.V.Patankar.Numerical heat transfer and fluid flow［M］.McGraw-Hill Book company,1980.

［7］J.D.Anderson.Computational fluid dynamics-The basics with applications［M］.McGraw-Hill Book company,1995.