汽车底部流场对气动阻力性能影响的研究 刘学龙,闫晓晓，黄森仁（中国汽车技术研究中心 天津 300300）摘要 汽车底部流场对整车气动性能具有重要影响，车体底部产生的气动阻力可占到整车阻力的30%左右。本文针对某运动型多用途汽车(SUV)，采用计算流体动力学(CFD)数值模拟的方法，在车速120km/h的工况下，分析了汽车底部添加气动附件（前阻流板、车轮前后阻风板、车体底部导流板）对整车气动性能的影响。分析结果表明，在车体底部和轮胎附近添加合适的气动附件，使得整车气动阻力下降了大约6%。关键词：运动型多用途汽车；计算流体动力学；空气动力学；底部流场；STAR-CCM+Numerical Research on Influence of the Underbody Flow Structure of Automotive Aerodynamic PerformanceLIU Xuelong, YAN Xiaoxiao, HUANG Senren(Automotive Engineering Research Institute, China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300, China)Abstract: The flow structure under the car, which caused about 30% air resistance of the vehicle, has a significant influence on the vehicle's aerodynamic performance. A CFD(Computational Fluid Dynamics) method is used to do research on aerodynamic accessories' (including front damp panel, front wheel damp panels, rear wheel damp panels, and guiding panel under the middle of the car) influence on a SUV(Sport Utility Vehicle) at the speed of 120kph. The result showed that proper design of aerodynamic accessories under the vehicle could decrease the air resistance by nearly 6 percent. Key words: SUV; CFD; aerodynamics; underbody flow; STAR-CCM+1 引言降风阻是提高燃油经济性的一个重要手段，在我国汽车气动性能总体不高的前提下，通过降风阻可有效提高车辆的燃油经济性，为达到第三和第四阶段油耗法规要求提供有力技术保障。大量的数值模拟和试验研究结果表明[1-2]，在汽车上安装气动附加装置可有效减少汽车的气动阻力，达到节能的目的。如文献[3]中用光滑底板、光滑汽车底面研究气动阻力,使空气阻力系数减少0.045，并指出通过光滑底板及加前阻风板和轮轴、凹窝等局部细化，气动阻力系数可下降0.07。本文以某SUV车型为研究对象，利用数值模拟的方法，重点研究车体底部流场对整车气动性能影响的规律。通过在车体底部添加气动附加装置（如前阻流板、前后车轮阻风板和底部导风板），引导和组织气流，总结出了改善底部流场的方法，为该类SUV车型气动减阻与车体底部气动附件的设计提供参考。2 整车CFD建模本文利用流体分析软件STAR-CCM+，搭建了某SUV整车详细CFD仿真模型，如图1所示。 图1 整车CFD模型Fig.1 CFD model of the whole vehicle 由于本文主要研究的是车体底部流场，为提高计算效率，并未考虑发动机舱内流场对整车气动性能的影响，即未建立发舱内部详细结构的CFD模型。为尽可能降低计算过程中风洞阻塞效应对结果的影响，必须保证足够大的风洞尺寸，如图2所示。其中，为使风洞阻塞效应降至最低，根据经验，风洞的尺寸定义为：长×宽×高=12L×10W×6H。其中： L—车长；W—车宽；H—车高2.1 物理模型和假设 （1）湍流模型采用基于k-ω模型的SST(剪切应力输运)模型。（2）本文中，汽车速度设定为120km/h，远低于声速，因此计算中假定气体是不可压缩的[4]。（3）气体具有粘性，这是产生气动阻力的根源。本次研究中，通过在车体近壁面添加多层边界层单元，模拟气体粘性产生的剪切应力对整车气动阻力的影响。（4）物理模型采用基于流体质点微元的拉格朗日法，数学模型使用三维不可压缩雷诺平均N-S（纳维-斯托克斯）控制方程。2.2 气动阻力系数定义气动阻力系数：CD =阻力/动压*迎面投影面积= D/(1/2 ρV_∞^2 A) 公式（1）D—阻力； —空气密度；v_∞^ —风速（车速）；A—迎面投影面积；1/2 ρv_∞^2 A—动压无量纲压力系数：Cp=相对静压/动压= (p-p_∞)/(1/2ρv^2 ) = 1-(v^2/(v_∞^2 )) 公式（2）P—气流中汽车表面的压力；p_∞—无穷远处参考点压力，基准静压；v^—当地气流流速2.3 边界条件设定表1 初始、边界条件设定Tab.1 Boundary conditions setting流动边界条件 车速 120km/h 车轮转动 考虑 地面运动 考虑空气物理属性 密度 1.18415kg/m3 黏度 1.85508Pa•s3 气动阻力特性分析3.1 整车气动阻力分析 整车各部位气动阻力分布如图3所示（根据CFD计算得出），从图中可以看出，车体前部、尾部和底部是主要的阻力源，分别占到了整车气动阻力的34%，16%和29%。其中，底部阻力主要是由于底部结构不平整，以及底部凸出部件（排气管、油箱、悬架等）对气流的阻挡引起的。研究和试验结果均表明，在不平整的底部结构基础上，通过增加必要的导流结构，合理的组织气流，可起到改善底部流场的效果，有效降低整车的气动阻力。3.2 前阻流板对整车气动性能的影响试验表明，当强气流吹袭到车前部的阻流板上时，在其迎风面上将产生正压力，而在尾流部位将出现涡流，形成负压力。阻力作用于阻流板本身，但在大多数情况下，作用在阻流板上的正负压力的绝对值越大，则阻流板对减小阻力愈有效。换言之，虽然阻流板构成一部分新的阻力，但它仍可减小全车总的阻力。这是由于安装阻流板使车辆周围的气流得到改善，整车阻力的减小远超过阻流板本身所增加的阻力。一个有效的阻流板，应能使整车阻力的减小大于其本身所产生的阻力。即[5] Da |