某SUV空气动力学数值模拟及优化研究

彭立争　彭婧　吴龙质　黎谦　赵云云

摘 要：运用STAR-CCM+软件对某款SUV进行整车空气动力学数值模拟分析，通过模拟分析找出影响风阻的关键区域，并对雾灯、A柱、后视镜、侧尾翼进行了风阻优化，优化后整车风阻系数降低7.5％，降阻效果显著。试验结果表明，仿真结果与试验结果具有较好的一致性，验证了整车空气动力学仿真分析的有效性和可行性。

关键词：suv 空气动力学 数值模拟 优化

1 引言

气动阻力是汽车行驶时的主要阻力之一，对汽车的动力性和燃油经济性有重要影响，降低整车风阻是减少汽车油耗的一个重要手段[1]。目前针对气动阻力研究的主要手段有风洞试验和数值模拟研究，汽车风洞试验可以获得相对准确的数据，但是每小时近3万元人民币的试验费，非常昂贵。CFD数值模拟研究以经典力学理论为基础，借助当下先进的计算机算力对模型进行仿真求解，大大提高了计算结果的准确性[2]。同时数值模拟技术凭借可靠、高效以及成本优势成为业内研究气动阻力的重要手段。一般经过数轮的仿真分析优化后，再借助风洞试验手段进行方案有效性的验证，既保证了数据的真实可靠，又能够有效降低开发成本。

参考国内外汽车空气动力学相关文献[3-7]，本文通过数值模拟方法对某款SUV进行了风阻分析，找出了影响风阻关键区域，并提出了优化方案。最后，通过风洞试验验证了优化方案的有效性，仿真结果与试验结果一致性较好。

2 计算模型建立

2.1 几何模型

在前处理软件hypermesh中对汽车外表面和车轮等进行几何清理，去除了一些不影响气流流动的螺栓等小部件，同时为了保证网格质量，對部分零部件进行了适当简化处理。几何清理后，对几何模型进行面网格划分，其中对气流敏感的区域如前脸、A柱、后视镜、后扰流板等进行网格细化处理。

在hypermesh中完成几何清理、面网格划分后，把模型导入到Star CCM+进行面网格修复优化及局部加密区的设定，采用三棱柱加切割体填充方式，生成约4200万体网格。采用的计算区域尺寸约为车前方四倍车长，上方四倍车高，侧向四倍车宽，车后方八倍车长。

2.2 边界条件设定

本文采用可实现的K-Epsilon 湍流模型设置边界条件，计算域的壁面参数采用STAR CCM+推荐的两层全y+壁面设置。速度入口，风速为120 km/h；压力出口，压力值为标准大气压；车身表面为壁面边界条件，风洞壁面为滑移壁面，风洞地面为移动地面，移动速度为120 km/h；散热器、冷凝器作多孔介质模型处理。

3 计算结果及分析

3.1 雾灯优化分析

前保两侧的拐角位置是气流管理的关键区域，设计师通常喜欢在该区域设计大而深的特征来凸显造型特性，这给风阻带来了很大挑战。雾灯处的深坑非常容易使气流分离，分离后气流与轮胎外侧形成的涡流相互影响，风阻增加明显。

所以工程师要花大量的时间去做优化，跟设计师也要进行大量的沟通，为了降阻，在该区域一般会设计雾灯气帘来降低深坑区域的正压力。由于加装气帘需要增加成本，限于成本压力，风阻工程师通常需要在不加气帘的基础上进行降阻优化。如图2原始方案，雾灯台阶高，高度27mm，且靠外，对风阻不利。如图2优化方案，对外侧台阶高度、位置进行优化，优化后的雾灯台阶减小至5mm，且雾灯外侧面沿着y方向内缩了20mm。由图3可见，优化前气流在雾灯处阻滞及分离较严重，在该处形成的涡流较大。优化后减小了气流在该处的阻滞及分离，减小雾灯正压，有效降低了汽车风阻。

3.2 A柱方案分析

A柱与发罩搭接处属于气流分离敏感区域，前方高速来流流经A柱与发罩搭接处时，由于搭接处结构不平整，很容易引起气流分离，影响了气流的平顺性，形成各种漩涡，造成大量的能量耗散，使整车气动阻力增加。如图4，原方案发罩侧边末端凌驾于A柱上，同时与前挡间的深度大，相比之下优化方案实现了A柱发罩末端无缝连接，同时减少发罩末端与前挡间的段差。由图5可见，在A柱与发罩末端的搭接处引起的气流分离明显减弱，气流流动更加顺畅，能量损失更小，有利于降低整车气动阻力。

3.3 后视镜位置优化

在汽车行驶时，暴露在车身表面的后视镜会影响附近区域的气流状况 ，产生附加的气动阻力。后视镜使整车气动阻力增加主要有两方面的原因：一方面后视镜突出于车身之外， 增加了整车的迎风面积，形成了压差阻力 ;另一方面由于其尾部出现了明显的气流分离，使侧窗附近以及车尾流场更加紊乱，增加了整车的涡量损耗。 而这两方面的影响是相互制约的。为了探讨汽车后视镜的安装位置对整车风阻系数的影响，根据后视镜原始方案的仿真分析结果做以下改进：将后视镜从三角板位置移到车门上，同时调整后视镜安装角度，如图6所示：

由图7可知，优化前的后视镜尾部流场有明显的涡旋，后视镜自身产生的涡流与车身引起的涡流缠绕形成更大的混合涡流，使得侧窗附近气流紊乱，增加了整车的涡量损耗；相比之下，优化方案可以明显降低后视镜尾部涡旋，可以很大程度地改善汽车空气阻力特性，有效降低汽车的风阻系数。

3.4 侧尾翼优化分析

汽车行驶过程中，车头正面部分承受正压力，车尾尾部形成大范围的负压区，汽车车身前后的压力差造成了汽车的压差阻力，这也是汽车所受的主要阻力，这部分阻力对汽车的阻力影响较大。想要减小气动阻力，可以通过改进汽车尾部造型，来减小车身前后的压力差。为了探究侧尾翼对尾部气流影响，如图8所示，在原始方案的基础上加装了侧尾翼。

由图9可见，没加侧尾翼，后挡所受的负压明显偏大，同时经过D柱的气流内卷在尾部形成涡流，涡流越大，造成的能量损耗越多，增加前后压差阻力。在尾部增加侧尾翼后，尾部气流平顺通过，没有在尾部形成内卷，同时减小了涡流，降低能量损失，提升背压，减小汽车前、后压差，达到明显的减阻效果。

4 试验结果及分析

本次试验在全尺寸汽车风洞试验室中开展，边界层抽吸开启、车轮WDU旋转、地面移动带CB转动，风速设为120 km／h。分析仿真与试验的差异，从图10可见，雾灯方案可降低整车风阻约3％，A柱方案可降低整车风阻约0.5％，后视镜方案可降低整车风阻约1％，D柱方案可降低整车风阻约3％，总体降低整车风阻约7.5％，仿真结果与试验测试一致性较好。

5 结语

本文利用空气动力学数值模拟方法对某SUV车型进行仿真分析，设计了雾灯、A柱、后视镜、侧尾翼四个部位的优化方案，并对设计方案进行了实车试验验证，得到以下结论：

（1）侧面特征浅且靠内的雾灯设计能改善前保拐角气流的分离，减小雾灯凹坑气流的阻滞，同时使分离的气流很快再次附着在侧面。雾灯方案通过减小雾灯凹坑的正压与气流分离，降低风阻。（2）A柱与发罩末端无缝连接，同时降低发罩末端与前挡间的段差，可以减小该处气流的分离与横向涡流的产生，气流流动更加顺畅，能量损失更小。（3）后视镜安装位置及角度的改变，可以明显降低后视镜尾部涡旋，很大程度地改善汽车空气阻力特性，有效降低汽车风阻。（4）增加侧尾翼，可延长尾部气流分离，使涡心远离车位，同时使气流分离干净，不内卷到尾部，减小尾部涡流。（5）通过优化雾灯、A柱、后视镜、侧尾翼，整车风阻系数降低7.5%，风阻降低明显，且仿真与试验一致性较好。（6）利用空气动力学数值模拟方法能准确模拟方案的有效性，节省成本，缩短工程周期。

参考文献：

[1]彭婧，段大禄，黎谦等.某SUV车底气动元件的设计开发.装备制造技术，2021（4）：70-73.

[2]趙会芳，李小梅，杨文娟等.CFD数值模拟的整车降风阻技术研究.汽车零部件，2018（9）：38-43

[3]张英朝．汽车空气动力学数值模拟技术．北京：北京大学出版社，2011．

[4]傅立敏．汽车设计与空气动力学．北京：机械工业出版社，2010．

[5]小林敏雄，郭茂荣．汽车造型与空气动力学技术．北京：机械工业出版社，2020．

[6]Yunfeng ZHU.An Evolution Study on Family Characteristic of  BMW 3 Series Based on Aerodynamics.College of Art and Design，2012.

[7]陆润明，廖抒华，覃紫莹等.尾部空气动力附加装置对客车气动阻力的影响.广西科技大学学报，2019，30（4）：48-53.