某轿车气动性能试验与仿真分析研究

汽车低速行驶时，只考虑汽车所受地面阻力就足够了，汽车所受的气动力常常可以忽略；当车速在 100 km/h 时，发动机 80% 的动力用来克服气动阻力，整车空气动力学性能提高 10%，油耗就会降低 4% ～ 5%；当汽车高速会车或有侧向风影响时，由于高速气流的侧向气动力作用，汽车将会出现操纵稳定性问题，甚至有可能出现严重的交通事故，所以研究车辆的气动性能对提高车辆的动力性、燃油经济性及操控性具有重要意义 [1-2]。

1 空气动力学试验研究

世界汽车工业发达国家(如美国、日本、德国等)都十分重视汽车空气动力学理论和试验的研究。风洞试验历来是进行汽车空气动力学研究最传统、最有效的方法。据统计，为获得良好的气动外形，国外每款大批生产的轿车都需经过 1 000 h 以上的风洞试验 [3]。

根据 SAE J1594 标准的定义，汽车风洞气动天平的测力中心在汽车模型 4 轮着地点组成的矩形中心，6 个力 ( 矩 ) 分量的正方向如图 1 所示，气动力系数的定义见表 1。

其中 D 为阻力、S 为侧向力、L 为升力、PM为俯仰力矩、YM 为偏航力矩、RM 为滚转力矩、WB 为轴距。

为验证和优化某轿车的空气动力学性能，在同济大学上海地面交通工具风洞中心的气动 - 声学整车风洞进行了空气动力学试验，如图 2 所示。该风洞主要技术参数：喷口尺寸 / 面积为 27 m2（宽 6.5 m，高 4.25 m)；最大风速为 250 km/h；62 通道压力扫描阀。

在选定的汽车表面布置的测压点（62 个）可以测量相应位置的表面静压力 Ps，无量纲化的压力系数定义

不同风速下的风阻系数见表 2，风阻系数从80 km/h 到 160 km/h 减小约 0.005，说明雷诺数效应比较小。

2 机舱进风阻力及地面效应对车辆风阻系  数的影响

由于前保险杠进风口的开口大小和格栅角度，散热器、冷凝器及机舱部件对气流的阻力，轮毂的形状及轮胎的花纹，地面效应，气坝的安装高度和形状，尾翼的形状和角度等对车辆的气动性能均有不同程度的影响 [1,6]，所以本次试验按照表３进行组合试验，以研究路面效应、机舱进风阻力对车辆风阻系数的影响程度。

从试验结果来看，路面效应对车辆的风阻系数有 0.006 ～ 0.01 的影响，机舱的进风阻力对风阻系数有比较大的影响，在 0.04 左右。

3 侧向风对车辆风阻系数及升力系数的影响

由于汽车车身上部和下部气流流速不同，使车身上部和下部形成压力差，从而产生升力和纵倾力矩，气动升力对汽车高速行驶稳定性的影响很重要，即使在无风时，当轿车车速达到160 km/h，气动升力也可以轻易地达到车重的20% ～ 25%。当有横向风时 ( 通常状况下是有横向风的 )，由于阵风的作用，气动升力的影响会更大，这样就会使汽车产生危险和转向问题 [3-4]。车辆在 -10°～ 25°偏角下的风阻系数、侧向力系数及升力系数见表 4。

从试验结果来看，随着侧偏角的增大风阻系数在增大，偏角超过 10°以后对侧向力和升力系数有较大的影响，在设计前期需要考虑其对操纵性的影响。

4 车身表面压力系数分布

车身表面的压力系数分布可以反映车身气动性能设计是否合理。图 3 为车身表面各压力测点的布置，保险杠 1 ～ 4 点处为较高正压分布，利于机舱冷却进气，机舱盖 5 ～ 10 点为负压，前风挡玻璃 11 ～ 15 点为正压，顶棚至后风挡玻璃及车身侧围大部分为负压，而后保险杠左右侧面 44点处出现了较高的正压，提升了车辆的气动性能，机舱内的 55 ～ 62 点在中网封闭前后表现出正负不同的压力，在后续的 CFD 分析中可以作为考虑机舱通风时的对标参考数据。具体压力系数如图 4所示。

5 空气动力学试验与仿真的相关性研究

汽车空气动力学研究主要有两种方法，一种是进行风洞试验，另一种就是利用 CFD 软件进行数值模拟。传统的风洞试验结果一般可靠性比较高，但由于它有许多局限性，如成本高、周期长等缺点，阻碍了它在汽车设计中的应用。

与风洞试验相反，CFD 软件几乎克服了它的所有局限性。目前，CFD 软件可以分析从层流到湍流、定常到非定常、不可压到可压、无粘性到有粘性的几乎所有的流动现象。先进的 CFD 分析技术使新车型的空气动力学设计更加方便灵活，开发周期也得以缩短 [7-9]。

CFD 软件最主要的问题在于精度不如风洞试验，但目前许多大型商业通用软件已经很好地解决了这一难题，而某些专用的 CFD 软件在解决某些汽车流场计算时可以达到更高的精度。

基于国内在车辆空气动力学方面的研究现状，现阶段开展该方面的试验与仿真相关性研究是非常必要的。

选定流体计算域车前 2 倍车长，车后 4 倍车长，宽度共 6 倍车宽，高度为 5 倍车高（图 5）；同时分 6 种方案（表 5）对车身及机舱进行有针对性的流体网格细化，边界层设 3 层，总厚度为 4.6 mm（图6），以研究模型细节对风阻系数和车身压力系数的影响。设定进口风速为 120 km/h，模型中模拟路面效应及轮胎的转动，选用 k-ε 湍流模型。

整车湍流能分布如图 7 所示，除车轮、后视镜部位以外，车身其它部位不存在湍流分离再附着现象，车身外形设计合理。

提取上述 6 种仿真分析的结果，其中仿真与试验的风阻系数对比见表 6。各仿真分析的风阻系数比试验测试偏大，误差均在 5% 以内，且误差随网格数量的增加而减小。其中各测点的压力系数对比如图 8 所示，主要误差在前风挡玻璃雨刮器、后风挡玻璃下沿处，产生误差的主要原因是该处涡流剧烈，仿真模型的网格密度不足及选取的湍流模型的局限，无法捕捉真实的流动情况。其它部位的压力系数误差均在 5% 以内。

6 结论

对某轿车的空气动力学性能进行了试验研究，同时进行了部分试验与仿真的相关性分析，结论如下：

（1）试验表明该款车型的风阻系数为 0.30，在同级别的车型中优势明显，通过优化前保险杠、底盘导流板、增加气坝等可以进一步降低该车的风阻系数。

（２）机舱内的通风风阻对车辆的风阻系数有较大影响，在设计中需要对发动机冷却进行合理匹配，以合理控制进入机舱内的冷却空气流量，达到降低整车风阻的目的。

（3）空气动力学仿真模型的网格数量对计算精度有重要影响，建模时需要对前保险杠、雨刮器、A 柱、后视镜、尾部等进行网格细化，以充分捕捉流动细节；同时机舱内散热器、冷凝器的风阻系数需要试验的精确测量，也是影响仿真精度的重要因素。

（4）整体来说试验与仿真的相关性较好，但局部细节需要进一步研究。

（5）车辆的侧风稳定性是衡量车辆高速状态下的重要性能指标，对升力系数和侧向力系数的测试和计算需要进一步研究。