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基于STAR-CCM+某轿车的空气动力学开发

2020-10-24 22:33:07·  来源：汽车CFD技术之家  
　
风洞试验开发前期通过CFD分析，对造型进行仿真优化，并根据仿真优化结果指导模型风洞试验优化，优化主要集中在风阻关键的部件，如格栅密封、气帘通道、A柱装饰条
风洞试验
开发前期通过CFD分析，对造型进行仿真优化，并根据仿真优化结果指导模型风洞试验优化，优化主要集中在风阻关键的部件，如格栅密封、气帘通道、A柱装饰条、A柱型面、后视镜、尾灯导流条、行李箱尾部等。在工装车风洞试验中，对底盘封装、轮毂密封、前后轮挡板、机舱流动、尾部扩散器等优化和研究。
降阻方案研究
A 柱装饰条
A柱是气流分离的重要部位，通过加装A柱装饰条，可一定程度改善风阻、风噪。在前期CFD仿真分析中评估有无A柱装饰条，以及不同宽度的A柱装饰条对风阻的影响，并在模型风洞试验中测试验证了3种宽度的A柱装饰条，分别为10mm、15mm 和18mm，风洞试验结果如下：
 
（1）在0°偏角的情况下，10mm、15mm 和18mm宽的A柱装饰条降阻效果接近，均为1count左右。A柱装饰条在达到一定的宽度后，并不会继续降低风阻系数，并且需要满足相应的视野法规要求；
（2）在侧风情况下，A柱装饰条的降阻效果远大于0°偏角。并且因为侧风时气流不稳定，同一偏角重复测试时，测试值会有一定的偏差，比如在5°和10°偏角相同工况重复测试时，均有1count 的偏差。
A柱装饰条在降低风阻系数的同时，也能提升A柱附近的风噪水平。
后视镜
后视镜作为车身重要的外凸件，对风阻、风噪均有较大影响。一般情况下，一对后视镜的风阻系数在10至20counts之间，有一定的优化空间。对多种造型风格后视镜进行了CFD仿真分析及模型风洞试验测试研究，并对其中一种后视镜进行了详细的试验优化，测试数据对比如图3所示。
 
（1）无外后视镜是模拟应用电子后视镜的情形，近几年较多的概念车采用无外后视镜设计（车内电子后视镜），整车正迎风面积和风阻系数均能降低，在提升风阻性能的同时，可大幅改善风噪问题。欧盟及日本均已通过相关电子后视镜法案，在不久的将来，工程量产应用将逐步变成现实。
（2）对后视镜1的镜体优化，后视镜风阻系数仅有9counts，在风噪测试中，风噪性能也有提升。
（3）后视镜2和后视镜3为两种造型风格和安装形式都不同的后视镜，相比后视镜1，风阻、风噪均要差一些。
仿真和试验对比图片如图4所示。
 
在后视镜的风阻优化中，需考虑对风噪的影响，以提升乘坐舒适性。
气帘
汽车的空气阻力有10%至20%左右来自于轮胎周边，通过在前保雾灯附近开通气帘（AirCurtain，又称为气幕）通道，使前端部分气流进入气帘入口，通过气帘通道，将气流从前轮轮腔两侧流出，改善前轮附近的气流。
在开发前期通过CFD仿真优化，对气帘入口、出口尺寸和位置，以及通道形状等影响点进行优化，见图5的速度场对比，然后在模型风洞试验中验证及优化。
 
在试验中，通过油泥改变通道内侧型面及出口，制作多套样件用于模拟不同样式的气帘入口，且车轮为真实旋转车轮，可准确测量实际的降阻效果，最终通过仿真和试验优化，气帘可降低风阻系数3counts，气帘实物构造如图6所示。
 
气帘作为重要的造型特征，能提升风阻性能，目前在各大车企中已得到较广泛的应用。但气帘的应用需要与前端雾灯附近造型相结合，并非所有车型都适合做气帘，对于雾灯深度浅或者前保两侧气流较平顺的车型，气帘的降阻效果会变差。
底盘封装
汽车下车体平整度较差，车底气流混乱，空气阻力较大，是非常重要的优化方向。通过底盘封装，疏导底部气流，可使气流更平顺地通过车底，是降低风阻的重要途径。一般后悬架及油箱附近部件凸出较明显，对车底气流干扰较大，通过在油箱前端及附近增加导风板，可有效引导该区域的气流方向。本车对比研究了三种封装导风板方案的降阻效果，如表2 所示。
 
（1）方案一，在油箱前的地板上安装一条小尺寸导流斜板，将该处气流向斜下方引导，减少气流卷入油箱两侧的凹坑区域，试验和仿真中均可降低风阻系数3counts；
（2）方案二，在油箱两侧安装水平方向的导风板，相当于盖住油箱两侧的凹坑，直接避免底部高速气流卷入，仿真和风洞试验降阻效果都明显，在风洞测试中可降低风阻系数10counts；
（3）方案三，在方案二的基础上，增加前端大面积的封装导风板，因为该轿车地板平整度高，无明显凸起，气流较平顺，因此额外增加的导风板仅多降低2counts，仿真总计降低风阻系数10counts。
 
从图7可明显看出，基础状态车底气流紊乱涡流较多，在车底增加三种不同的封装导风板方案，速度场均有不同程度的改善。因封装导风板会增加整车重量、成本升高，对比三种导风板方案，第二种方案的降阻性价比最高。
轮毂密封
轮胎总成对整车风阻系数影响较大，其中轮毂形状及密封面积影响着车轮表面及其周围流场中的涡量，以及影响车轮后方流场结构，从而影响整车风阻。因此进行轮毂密封面积的风洞试验测试的研究及应用。
 
根据该轮毂造型特征，将轮毂密封面积等分成3份，如图8所示，分为密封1/3、密封2/3和全密封3个工况进行风洞测试，每个工况均为车辆旋转状
态，测试降阻曲线如图9所示，全部密封最多可降低整车风阻系数3.4%，在工程实际应用中，因为考虑刹车片散热需求，不可能做到全部密封，但可在轮毂造型设计时提供一定的参考。
 
目前市面上一些新能源汽车已经逐步使用了气动设计轮毂，外观平整且轮毂密封面积较高，不过这种轮毂因为不利于散热，不适合应用在高性能车上。
其它常见优化措施
通过结合CFD仿真与试验，对常规优化方案进行更细致的优化，比如本车优化的A 柱型面、尾灯导流条、鸭尾特征、前后轮挡板、机舱底护板、后保底部扩散器等等。
（作者：江柳，赵志明，鲁建立）
（重庆长安汽车股份有限公司）
 
 
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