新型BREZZA和FRONX的空气动力学发展

摘    要   

MSIL（马鲁蒂铃木印度有限公司）是印度领先的汽车制造商，有各种suv（运动型多用途车）车型。传统上，suv会被认为具有大胆的道路存在，这种大胆的设计往往会恶化空气动力学阻力性能。多年来，这一部分市场的需求显著增长，而CAFE（企业平均燃油经济性）标准变得更加严格。为了满足这一不断增长的市场需求，MSIL计划推出两款新SUV:(1) 新型BREZZA——与上一款车型（BREZZA-2016）相比，它的设计更大胆，目标空气动力学性能相似；(2)FRONX——一款新的跨界SUV，目标空气动力学性能在MSIL的这一类别中是同类最佳的。本文采用计算流体力学（CFD）和全尺寸风洞试验（WTT）对这两款suv的气动发展过程进行了说明。在初始阶段，新BREZZA（2022）的大胆设计恶化了车辆的空气动力学阻力。造型外表面的修改和增加新的航空部件促进了空气动力学阻力性能的恢复。前后保险杠角，车顶尾扰流板轮廓，后四分之一玻璃边缘，挡泥板里的狭缝和后保险杠上的气坝有助于气流附着。在FRONX中，造型设计语言是通过考虑空气动力学性能要求而创建的。由引擎盖挡风玻璃过渡、车顶衬里、优化后后门扰流板、侧车身轮廓等组成的空气动力学轮廓，以及车身下盖、条板和中央气坝等车身下航空部件，使FRONX的空气动力学效率比基础车型BREZZA-2016提高了11%。为了实现这一气动阻力值的改善，在保持SUV造型形象的同时，在外形和增加气动部件方面采取了技术对策。本文阐述了这些变化是如何在气动发展过程中实现的，以及相应的气流现象。

01  前    言 

MSIL是日本汽车制造商SMC（铃木汽车公司）的印度子公司。该公司成立于1981年2月。马鲁蒂铃木的使命宣言是：“成为印度汽车工业的领导者，为客户创造快乐，为股东创造财富；这是印度的骄傲。”目前，该公司在印度乘用车市场占有领先的市场份额。

它在哈里亚纳邦的古鲁格拉姆、马尼萨尔和古吉拉特邦的汉萨尔布尔设有制造工厂。凭借强大的产品组合，MSIL于2016年2月首次在紧凑型SUV领域推出BREZZA（见图1）。该概念车由2012年展出的XA Alpha概念车预览，并于2016年2月在印度第13届汽车博览会上首次亮相。生产模式是建立在全球市场Vitara的平台。它的设计语言是紧凑型SUV，目标受众是年轻人。这款产品大获成功，销量超过50万部。它帮助公司获得了各种奖项，如ICOTY年度最佳汽车奖，进一步提升了品牌形象。从那时起，印度市场对紧凑型SUV的需求急剧增加。客户一方面希望SUV的造型大胆，在道路上有更高的离地间隙和发动机功率，另一方面也希望行驶里程好。

然而，激进的造型设计对气动阻力产生了不利影响，从而影响了车辆的燃油经济性。更有挑战的是，CAFE-1标准（2017年起在印度适用）要求所有汽车制造商制定严格的里程目标，包括发动机性能、轮胎阻力和空气动力学在内的所有相关因素都必须提高到最佳效率。由于市场对带有新技术和新功能的更大胆设计的强烈需求以及让客户满意，新一代的BREZZA被要求保持其前身的美学完整性。用更好的产品取代成功的产品始终是一个挑战，在这种情况下，需要在SUV的核心设计语言和空气动力学改进之间取得平衡，以确保未来的竞争力。新型BREZZA（见图1）计划有一个更激进的造型形象，而不恶化阻力性能。与此同时，居住在城市的年轻一代客户群体希望城市SUV具有成本效益、视觉吸引力和燃油效率。因此，一款新的紧凑型SUV - FRONX -计划为这一日益增长的客户群。该项目在MSIL启动，旨在提供各种功能与性能，安全和信息娱乐以及渐进的设计语言。行驶里程是最重要的性能参数之一，在设计设想中有一个空气动力学的轮廓。此外，该模型的开发具有很高的气动阻力目标：FRONX的设计（图1）的目标是在MSIL的同类产品中获得最佳的气动阻力性能。

本文旨在强调新型BREZZA和 FRONX的空气动力学发展，补充造型设计语言，符合铃木2050年的环境愿景-更小，更少，更轻，更短，更整洁。考虑到客户的喜好，优化了外观设计，并在模型中实施了航空部件改进。本文将着重强调以下两点：1.与上一代BREZZA -2016相比，新型BREZZA侵略性造型的气动阻力下降（见图2中1-A）和气动阻力性能恢复（见图2中1-B）。2. FRONX概念车的全新设计和布局源自上一代SUV BREZZA-2016的设计（见图2中的2- a）， FRONX概念车的气动阻力改进源自其概念造型，以实现高水平目标（见图2中的2- b）。

  图1    New BREZZA & FRONX 

    图2    气动阻力与年销售

02  气动开发方法论

       模型开发是通过不同的阶段进行的。在MSIL中，在市场研究和项目启动之后，模型开发生命周期通常从最初的草图开始，其中给出了预期的设计语言的形状和形式。多个草图发布用于管理和工程反馈。根据选定的草图，虚拟表面数据为工程团队提供反馈。根据性能目标，提供各种反馈以优化样式数据，保持设计语言的完整性。此循环重复多次，直到锁定设计并释放CAD数据用于虚拟仿真（CAE分析），碰撞，强度，NVH和CFD。根据分析反馈，进一步微调数据并发布构建原型的图纸。这些原型经过测试，最后，设计周期以SOP（开始生产）结束。在整个开发生命周期中，各种客户需求、性能目标和法规需求都被合并到模型中。原理图如图3所示。与模型开发生命周期一致，模型的气动开发贯穿整个周期（见图4）。气动评估反馈在草图选择中起着关键作用。设计团队在此阶段准备全尺寸粘土模型，并将扫描的表面数据提供给工程团队进行评估，以满足目标性能参数。建立全尺寸虚拟模型，用于CFD气动仿真。在进行多次数值模拟和粘土模型测试后，对所选草图数据进行微调。大约60%的空气动力学发展反馈在这一阶段被纳入。然后，将最终的CAD数据用于建立三维虚拟模型，并在CFD中进行仿真，同时在风洞中对粘土和原型模型进行测试。大约90%的空气动力学开发工作在这一阶段完成。评估结果提供给认证团队，以执行滑行活动。最后，对量产原型车进行测试以确认，并给出SOP。

图3    MSIL下的模型开发生命周期图

图4    MSIL的空气动力发展

计算流体动力学

        CFD是气动分析的重要工具，因为它允许工程师进行多次迭代以优化设计，而无需实际开发原型进行测试。这减少了整个模型开发项目的成本和时间。用Star CCM+软件进行了三维、不可压缩、分离、非定常、湍流流动分析。湍流现象用两层全Y+处理的SST k-omega分离涡进行了模拟。动量输运方程中的对流项采用二阶迎风微分格式。轮胎/车轮被建模为静止的，与车辆开发过程中使用的风洞设施一致。热交换器芯采用多孔介质和导出系数进行建模。为了求解流体区域内的热交换器域，在各个表面之间建立了界面。进口侧采用等速进口（100kmph）边界条件，出口侧采用压力出口边界条件。地面建模为滑动地面和无滑动地面的混合地面。将对称条件应用于隧道壁面。使用微调器选项生成体积网格，根据配置的不同，总数约为8000万-1亿个单元。分析运行的时间为2秒，时间步长为 5x10-4秒，内部迭代为5次，报告的Cd值取最近1.4 s的平均值，计算域保持不变。结构域的宽度为20 W，高度为10 H，长度为20 L。其中W、H、L分别表示基础车的宽度、高度和长度，单位为米（见图5）。

图5    计算域表示

风洞试验

       风洞测试是在日本滨松铃木汽车公司的全尺寸汽车风洞中进行的（见图6），用于粘土模型和原型模型。隧道尺寸长17.5 m，宽13.6 m，高10.3 m，为半开式射流式隧道，宽5.5 m，高3.1 m，喷口为六角形。该装置用于验证通过CFD模拟得到的结果。最后，对生产原型车进行了测试，以确认各自车型的气动阻力目标的实现。测试结果也与认证团队共享，以执行排放，性能评估和测试车辆决策的各种监管活动。

图6    日本滨松风洞内的车辆原型测试

03  新型BREZZA的概念设计 

完整的模型变化为BREZZA-16，被设计为有一个大胆的道路存在。因此，车辆的形象被概念化为直立的引擎盖轮廓，突出的车轮弧，更宽的侧面，凸起的车顶轨道和更宽的皮带线。此外，还实施了四分之一玻璃的封装等各种变化，以提高Brezza-16的感知质量。其他设计形象要求的变化，如更厚的轮拱包层、明显的侧门包层、粗短的尾灯、新的合金车轮设计等，都超出了本文的范围，也加剧了气动阻力性能的恶化。这些改进共同恶化了气动阻力性能。

       以下总结了主要的改性措施及其效果：1. 新型BREZZA车采用了直立的引擎盖外形，使其具有侵略性的姿态，鼻尖更平坦、更高，导致鼻尖呈口袋状（见图7中的a）。这减少了前筋膜（引擎盖-挡风玻璃过渡）上的气流附着，形成了局部涡流，并在引擎盖区域产生了高压（见图10中的a→a’）。这种现象会造成车辆阻力的增加。2. 更宽的带肩挡泥板（见图8中的A）和突出的轮拱（见图8中的B）增加了车辆两侧气流的阻力，在车辆尾部形成了更大的低压（尾迹）区域（见图10中的B→B’）。这将车辆从后方拉出，并导致车辆阻力的增加。3. 基于新型BREZZA车，为了大胆地在道路上呈现，设计了一个更宽的腰线图像（见图9中的A）。这不仅为空气流动创造了更大的阻力，还导致早期气流分离——再次形成更大的尾流区并且进一步增加了来自后部的低推压力(见图10中的C→C’)。

图7    BREZZA-2016与新型BREZZA概念前面板对比

图8    BREZZA-2016与新型BREZZA概念前面板  

图9    BREZZA-2016与新型BREZZA概念d柱区域

图10    BREZZA-2016与新型BREZZA的流量分析

  04  新型 BREZZA的空气动力学发展

       为了达到空气动力学阻力目标，并恢复由于新BREZZA与上一代车型在概念上的差异而导致的阻力性能下降，与造型团队一起研究了外观设计的修改，目的是保持预期的形象完整。此外，由于对车辆底部和轮井区域的气流进行了细致的研究，因此引入了许多非常规的对策，这些区域在气动开发中通常被忽视。主要亮点如下：1. BREZZA最初的概念设计有一个突出的引擎盖尖端（见图11中的a）。这导致了在引擎盖-格栅区域的错位&导致气流分离。作为一种对策，格栅被旋转以与深度减少的局部流动对齐，从而产生更多的附加流动。2. 四分之一玻璃的封装虽然提高了感知质量（见图12中的A），但由于概念设计中由于珠状结构引入了水位差（见图12中的B），导致后车身的流动早期脱离。优化了液位差的形状，以改善空气流动。d柱的末端也被带入内部，以延缓流动分离（见图12中的C）。3. 后门扰流板在车顶端被扩展的概念。然而，由于工程限制，在最终产品中不得不减少大的悬垂（参见图13中的A）。为了在不影响该区域设计语言的前提下改善流场，没有改变整个屋顶衬板和屋顶峰点，并对屋顶末端进行了修改，使其能够保持整体布局。为了获得更好的流场，中截面的顶板端倾角保持不变，而顶板端点稍微向下倾斜（见图13中的B）。4. 发动机舱内引擎盖下的空气压力会导致车辆气动阻力的恶化。因此，释放空气压力可以改善阻力性能。新型BREZZA设计有很高的轮舱体积，以承载肌肉的姿态。一般来说，高轮舱容积导致到较大的负压区，这会增加空气阻力。为了利用这一设计特点，在护舷衬里上做了狭缝，以释放机舱内过高的空气压力（见图14中的A）。这有助于使引擎盖下和轮舱压力正常化，从而减少空气动力阻力。5. 在新型BREZZA车中引入了一个后空气坝。这降低了从消声器表面到后保险杠覆层表面的车底流动速度，并改善了后低压区，减少了对车辆的向后牵引力（见图15中的A→A’）。

 图11    概念与新型BREZZA罩区域 

        图12    概念与新BREZZA四分之一玻璃区域

图13    概念与新型BREZZA屋顶末端区域 

  图14    新型BREZZA的挡泥板缝隙

图15    New BREZZA的后气坝

总体而言，新型BREZZA的概念旨在具有大胆和肌肉的设计特征。为了实现这一目的，对前身BREZZA2016的设计语言进行了修改。然而，这些变化也影响了气动阻力性能。特点在前筋膜像-直立罩与宽肩挡泥板增加空气动力学阻力3%。后车身的特点，如-更宽的腰线图像与四分之一的玻璃封装增加了空气动力学阻力的另一个3%。其他参数，如新的合金车轮设计与明显的侧车身包层也贡献了1%的空气动力阻力增加。由于目标是具有与其前身相似的性能，因此必须在对设计语言的损害最小的情况下采取对策。前筋膜-引擎盖格栅对准，后筋膜-后门扰流板优化和其他微调数据完成。挡泥板内衬狭缝和后气坝的实施也证明了在不影响车辆造型的情况下减少空气动力学阻力。由于对抗措施的实施，阻力净降低了7%，并且可以实现上一代BREZZA-2016的性能。摘要的详细示意图如图16所示。CdA变化的幅度显示为基于风洞和CFD迭代估算的单个变化效应的百分比，并具有适当的数据映射。

图16    新型BREZZA气动发展总结

   05  FRONX的概念设计   

    为了保持对各种性能参数的关注，FRONX的概念设计为紧凑型SUV风格。因此，车辆的形象被概念化为一个向下的引擎盖轮廓，鼻尖高度较低。挡风玻璃过渡和a柱曲率要做得尽可能光滑。这个概念有一个渐进的车顶内衬与曲率，以支持空气动力学的设计。后保险杠角落的特点是为了加强空气流动和减少由于压力差而产生的尾迹区域。各种布局变化，如车辆高度，离地间隙和轮胎尺寸，有助于实现减少正面面积，有助于减少空气动力阻力。这些改进共同提高了气动阻力性能。总结了主要修改及其效果：1. 前筋膜具有较低的机头高度和理想的引擎盖-挡风玻璃过渡（见图17中的a）。这在前筋膜上创造了更好的气流附着，其特点是减少了引擎盖尖端的低压区（图18中的a→a’），a柱区域（图18中的C→C’）和减少了挡风玻璃区域的高压区（图18中的B→B’）。2. 将气动阻力目标保持在透视范围内，渐进式车顶衬里设计与降低车辆高度的总体布局提供了理想的轮廓（见图19中的a）。此外，为了增强气流分离，概念设计中还提供了后保险杠边角造型（见图19中的B）。这减少了车顶末端（图20中的A→A ‘）和后保险杠角（图20中的B→B ’）的低压区，从而减少了尾流区域（见图20中的C→C '）。3. 为了进一步强化紧凑型SUV的概念，FRONX的概念车由于采用了更小尺寸的轮胎，离地间隙减少了4%，轮胎宽度减少了5%。因此，整个车底也具有更均匀的压力分布（图21中a→a’）。这些变化加上车辆前部面积减少了10%，已经使FRONX的概念比Brezza-2016具有更好的空气动力学阻力性能。然而，该性能与MSIL管理层设定的高远的目标仍然相去甚远。

 图17    BREZZA-2016与FRONX概念前面板图 

图18    BREZZA-2016与FRONX概念前筋膜后处理

图19    BREZZA-2016与FRONX概念后面板

图20    BREZZA-2016与FRONX概念后筋膜后处理

图21    BREZZA-2016和FRONX概念之间的底盘差异

 06  FRONX的空气动力学发展 

为了达到气动阻力目标，我们与造型和工程团队一起研究了外部设计的修改，目的是保持核心设计形象的完整。此外，还研究了以航空部件的形式采取多种对策来改善车底气动阻力。主要亮点如下：1.前筋膜：对引擎盖倾斜度进行了多次迭代，并优化了最佳性能（见图22）。改进了机头区域的口袋设计，以提供平滑的气流过渡（见图23中的a→a’）。DRL（日间行车灯）的尖角被重新调整，以匹配该区域的气流特征（见图23中的B→B’）。优化研究采用CFD模拟进行，最终CdA值采用风洞试验值进行归一化。2. 后筋膜：RCL边缘突出外面，给边缘造型。这个边缘的角度被优化了（参见图24）。通过在RCL（后组合灯）和后保险杠拐角处提供一个尖角，整体后筋膜压力分布得到改善（见图25中的a→a ‘和B→B ’）。这些有助于改善气动阻力，优化过程与发动机罩倾斜度优化过程基本一致。3. 车底：在FRONX中，为了获得最佳的性能，对前轮胎横条的尺寸进行了修改，并引入了作为航空部件的中央气坝。这有助于分别减少前轮胎（见图26中的A→A’）和后悬挂部件（见图26中的B→B’）上的气压。这两项措施都有助于进一步改善气动阻力性能。

总体而言，FRONX的概念旨在为SUV提供紧凑型外观版本，并在行驶里程和安全性方面提高性能。为了达到这个目的，设计语言本身被引入保持空气动力学阻力性能的焦点。设计语言采用了向下的姿态，平滑的引擎盖-挡风玻璃过渡。随着一个渐进的车顶内衬，各种造型功能，如RCL边缘和后保险杠角边缘的概念提供。除此之外，较低的离地间隙和较小的轮胎尺寸减少了概念车的前部面积。这些因素将车辆的空气动力学性能提高了5%。

       然而，这些变化不足以满足管理层设定的严格目标。严格的迭代是通过与核心造型和工程团队的密切互动来执行的，共同的目标是通过SOP达到目标。微调前筋膜的数据，如减少口袋，平滑的DRL角和前保险杠下区域，进一步提高2%的阻力，而不影响造型形象。后筋膜也优化了RCL 与后保险杠角边缘角度。这使阻力性能又提高了1%。在该模型中对航空零部件进行了广泛的研究、优化和实现。这额外增加了2%的空气阻力。其他微调数据随着新的合金车轮设计给1%的改善阻力性能。所有这些因素加在一起，使FRONX在空气动力学阻力方面有了令人难以置信的11%的提高，使其成为MSIL中同类最佳的空气动力学紧凑型SUV。摘要的详细示意图如图27所示。CdA变化的幅度显示为基于风洞和CFD迭代估算的单个变化效应的百分比，并具有适当的数据映射。

图22    前发动机罩倾斜度优化

   图23    FRONX概念与最终前筋膜后处理

图24    FRONX - RCL倾角优化

 图25    FRONX概念与最终后筋膜后处理

图26    FRONX概念车底与最终设计

 07  结果和讨论  

       最后，本文的工作表明，模型的气动发展需要数值模拟和物理试验的结合。两者的结合提供了一个强大的工具集，可以识别和实现模型中的改进对策。

   本期编辑|王俊锴    

                审      核|何藤升、王艺霖    

 Dey, S., Bajpai, D., Kumar, C., and Regin, F., “The Aerodynamic Development of the New BREZZA and FRONX,” SAE Technical 

Paper 2024-01-2535, 2024, doi:10.4271/2024-01-2535.