轿车主动格栅与主动气坝减阻气动分析

摘要

主动空气动力学的概念可以定义为通过实时改变某些设备来减少阻力，例如实时改变某些设备可以改变车辆周围的气流。使用这种设备还具有改善人体工程学和性能以及美学的附加优势。当使用这类设备时，汽车的燃料消耗会显著减少。本文的目的是利用主动空气动力学的概念，通过格栅和气坝来减少对乘用车的阻力。首先，对一辆乘用车的基础工况进行了分析，并在车速从60公里/小时到120公里/小时的范围内，使用主动格栅和气坝进行了进一步的模拟，每个主动装置的打开角度为0°到90°。然后在风洞中以80公里/小时的速度对优化模型进行了缩小原型的验证。利用SolidWorks工具对整车进行建模，并利用ANSYS Fluent进行仿真。结果表明，采用主动格栅和气坝后，阻力显著降低了12.23%。

引言

由于对交通工具的需求很大，人们通常更喜欢强机动性的车辆。因此，提高车辆的能量转换效率是工程师们面临的最重要的任务之一。大部分现有车辆使用传统的化石燃料作为推进手段，汽车的有害排放物造成了环境污染。以更少的燃料消耗和更少的排放来提高车辆的性能是当前的需要，这可以通过车辆空气动力学达到一定程度。空气动力学不仅可以提高性能，还能降低油耗，从而减少了排放。更好的操控、美观和人体工程学也是改善空气动力学的一些附加优势。

文献综述

车辆空气动力学是研究物体在流体中运动时作用在物体上的力。当车辆静止时，车辆的所有外表面都受到相同的大气压力；车辆的顶部，底部，前和后表面都施加相同的压力，最终使车辆保持平衡。当车辆开始在流体中移动时，施加在外表面的压力与速度的平方成正比。这些压力改变了作用在车辆表面上的力，并可能极大地影响其性能。空气动力学家研究这种自然现象，试图将抑制车辆运动的力最小化，有时甚至放大这些力来提高车辆的性能和安全性。控制全球变暖的温室气体排放法规和快速增长的燃料价格给设计工程师带来了巨大的压力，要求他们在最小程度上改变车身形状，改进目前的车辆设计。此外，减少气动阻力是一种经济技术，因为与提高发动机和动力系统的效率相比，它可以以相对较低的成本实现。Hucho等人已经表明，大约20%的燃油经济性基础性能与作用在车身上的气动阻力有关。其他因素包括天气、司机、路线、传动装置和维护。为了在主动空气动力学中使用附加装置，必须考虑多个源。例如，主动格栅可以在发动机低负荷时暂时阻塞冷却流，当不需要冷却时，通过执行器主动控制流量。车辆引擎盖下启用了一个关闭功能，靠近冷凝器，散热器和风扇模块，以提高其效率。根据格栅外形、面积、冷凝器、散热器和风扇模块的不同，该特性的阻力改善范围从0.004到0.012不等。Andreas Kremheller等人利用全尺寸风洞试验和CFD研究了某款汽车的气动发展。随着A柱的气动设计，车门装饰，挡风玻璃角度的优化以及引擎盖的优化，主动格栅的概念被引入到车辆中，以达到冷却的目的。观察发现，在栅格百叶窗关闭的情况下，阻力系数降低了约4%，前升力降低了约20%。Ashit Kumar发表了一篇研究气坝高度和位置影响的论文。将气坝安装在客车上，从阻力和升力的角度分析了气坝的作用。同时分析了气坝的使用对燃油经济性的提高。Christoffersen等研究了跑车机翼与扩散器的相互作用。采用CFD工具进行了扩压角从3°到12°的数值模拟。结果表明，随着扩散角的增大，下压力增大。同时还观察到，尾部机翼的垂直高度对通过扩散器的气流没有显著影响。扩散器对经过后翼的气流影响不大，但对基底压力和下压力的产生有很大影响。

数值模拟

车辆选择与建模

以各种乘用车为参考，车辆的建模已经在SolidWorks中完成。该模型经过大量的几何清理，以简化复杂的结构。在没有任何气动附加装置的情况下，将作用在基本乘用车上的气动力作为基准条件。

表1 所选车辆的整体尺寸

对于流动分析，考虑了以下假设:

忽略了汽车的小细节和小部件

发动机舱已被简化

车辆匀速行驶

道路壁面是静止的

忽略了旋转车轮的影响

图1 无气坝和有气坝的车辆模型

为了减少阻力，主动格栅的概念在这里被应用。格栅叶片是在水平面上拍摄的。格栅叶片之间的距离固定为20mm，每个型材的厚度取15mm。格栅叶片的开口角度分别为0°、30°、45°、60°和90°。主动气坝是主动气动附件，打开或关闭在不同的角度，为了适当地重新定向气流，使阻力系数最小，使得在车辆的前面和后面的压力差最小。在这里，气坝被认为是中空的通道，在车体通过空气从前到后流动。通风口在前面提供，以不同的角度打开或关闭。对于80公里/小时的速度，空气坝在0°，30°，45°，60°和90°打开。取气坝栅格厚度为20 mm，任意2个栅格之间的距离为30 mm。

分析

考虑4%的堵塞率和0.7的纵横比，计算域尺寸选择30 m长，9.7 m宽，6.7 m高。利用ANSYS网格分析软件对车体进行网格生成。为模型生成非结构化四面体网格。选择接近曲率型网格。车身尺寸和面部尺寸特征用于网格的细化，以捕获车辆周围的流动。用于模拟的边界条件和设置见表2。

图2 车身周边网格

表2 边界条件和设置模拟

结果与讨论

基础工况分析

基础模型的结果表明，当空气在前方与车辆接触时，速度变为零。因此，产生的压力很大。该点被认为是停滞点。当空气在引擎盖上进一步流动时，气流会附着在车辆上，并在挡风玻璃处分离。这可以从不同速度下的压力曲线中观察到。由于这种流动分离，产生了小的漩涡区域，但也可以观察到挡风玻璃底部的压力略有上升。气流重新附着发生在车辆的顶部，因此导致顶部的压力降低。当空气在车辆的后端流动时，再次形成流动分离，从而产生在速度轮廓中观察到的尾迹区域。在后挡风玻璃上，也有一些流体重新附着导致该位置的压力增加。另外，后端由于流动分离，速度非常高，导致后端压力降低，这是产生升力的主要原因。

带有格栅的车辆分析

为了减小阻力，本文采用了主动格栅，并进行了仿真。格栅叶片在水平面上拍摄，开口角度分别为0°，30°，45°，60°和90°。为了模拟发动机舱，在发动机舱内制作了一个近似的发动机组件。结果表明，当栅格百叶窗完全关闭时，即在0°开状态下，阻力系数最小。对于进一步的模拟，格栅叶片被认为是完全关闭的。

图3 基础车辆模型在80kmph时的压力和速度云图

图4 主动格栅0°时的压力和速度云图

图5 气坝90°时的压力和速度云图

带有气坝汽车分析

在考虑气坝的情况下进行了进一步的模拟。它被认为是车身上的空心通道，空气从前面流向后面，前面有通风口，可以以不同的角度打开或关闭。结果表明，当气坝栅格完全打开时，由于气流中断和气流平滑导致的阻力系数最小，为90°。得到的阻力系数为0.256。此外，还对带有附加后扩散器的气坝和全封闭格栅叶片组合的基准车身进行了仿真。最小阻力系数为0.244。

讨论

表3给出了各种模拟结果的总结：

表3仿真结果总结

实验验证

实验模型

采用聚乳酸(PLA)制作了基准车辆模型的1:27缩小模型和带有气动附加装置的车辆模型的3D原型模型。所选车型尺寸分别为19.296 cm、7.037 cm和5.407 cm。

风洞试验

试验采用开式风洞进行，试验截面尺寸为300mm × 300mm，长度为1000mm。该装置配备3.0马力感应电机，最大风速可达30米/秒。在缩小模型上以22.22 m/s的速度进行风洞试验。风洞试验得到的阻力系数为0.229。为了验证仿真值，还对缩小模型进行了数值分析，得到阻力系数为0.241。该数值与风洞结果进行了比较，相关系数在10%以内。

结论

采用主动格栅百叶窗、气坝和扩散器等附加装置对基准车辆模型进行了空气动力学分析。基础工况模型的阻力系数在0.278左右较为合理。为了进一步降低这一阻力系数，增加附件的使用，如主动格栅百叶窗，空气坝和扩散器。在全封闭状态下主动格栅百叶窗和露天坝的加入使总阻力系数分别降低了5.75%和7.91%。通过采用主动格栅、气坝和扩散器来降低基准模型的总阻力系数约为12.23%。成功地完成了整车模型的数值分析，并与缩小原型模型的风洞试验结果进行了比较。数值结果与风洞结果的相关性在10%以内。

文献来源：

Tandon, R., Agrewale, M., and Vora, K., "Aerodynamic Analysis of a Passenger Car to Reduce Drag Using Active Grill Shutter and Active Air Dam," SAE Technical Paper 2019-28-2408, 2019, https://doi.org/10.4271/2019-28-2408.