乘用车特征参数风阻灵敏度耦合分析

刘传波，刘 钧

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

风阻灵敏度是指在一定范围内，汽车造型的改变，如后视镜、门把手、底盘离地高度、接近角等优化;或者某些零部件的调整，如进气格栅、前风窗倾角、扰流板等参数变化对风阻系数的影响。前者相对于后者，对风阻系数的影响较小。常用风阻系数优化主要依靠最佳实践及工程经验对主体外形特征参数进行空气动力学的分析和评价。

1991年，Takuya等[1]建立了一个基于CFD的关于汽车空气动力学的计算分析系统，该系统包括数学计算和计算网格生成，运用多块法来解决复杂的问题。最终取得的试验模拟数据和风洞试验得到的数据相比很理想。2013年，法雷奥公司散热系统的研究人员Samer等[2]通过风洞试验，提出了一种通过减少发动机舱开口面积来达到降低风阻的方案。黄永辉等[3]通过对某型车的研究发现，在模型车上增加扰流板和改变后风窗高度等参数，车身侧面的正压区会明显减小，而且增加后扰流板，对降低整车风阻系数而言是一个非常有效的方案。孙琪等[4]先采取调查问卷的方式，确定对风阻系数有影响的特征参数，然后经过试验仿真，进一步筛选特征参数，最后直接对其进行正交试验分析，得到最终优化模型。谷正气等[5]通过在汽车尾部加装喷射装置，破坏其尾涡，从而来减小汽车尾部的负压区域，降低整车风阻系数。

以往在降低汽车风阻的研究过程中，主要是基于风洞试验改进和设计整车造型，来找到对风阻作用比较大的特征参数，然后再从中不断地优化，这样得到的结果比较精确可信，缺点是资源要求比较大，而且大多数是单因素分析方式，笔者的研究主要采用计算流体动力学和正交试验相结合的方式，先通过整车流场分析，确定特征参数，进行单因素分析并进行局部寻优并验证特征参数的重要性，最后进行正交试验组合分析寻找全局最优，以期得到耦合分析的最佳风阻方案。

1 特征参数获取

1.1 原车数学模型

研究对象为英国汽车工程协会MIRA(Motor Industry Research Association)快背式模型，该模型在乘用车上大量应用，具有较大的现实意义。研究采用ANSYS Fluent仿真软件对整车外流场进行仿真计算，考虑到计算机硬件配置和计算机资源的合理利用，采用1∶5建立MIRA快背式模型，在相同的初始条件和边界条件下能够接近1∶1模型仿真计算结果[6]。

在ANSA中划分网格，并建立计算域模型[7]：车身长度为L，高度为H，宽度为W，计算域几何参数设置为：车前部3L，车后部5L，车顶部3H，车两侧各2W。同时为了仿真计算更加精确，在计算域中划分一部分区域进行加密：车前部1L，车顶部1H，车两侧各1W，车后部2L，如图1所示。最后生成351万体网格。

图1 计算域

汽车造型任何参数的改变都会对整车风阻系数造成一定的影响，门把手、后视镜、雨刷和保险杆等部件对整车风阻系数影响较小，在本次建模分析中，将其忽略。选择k-e湍流模型，定义空气为不可压缩气体[8]。

计算域入口为空气流入口，即速度入口，根据MIRA数据库中的仿真分析条件，参数保持一致，速度设置为30 m/s。计算域出口为空气流出口，即压力出口，设置大气压为0 Pa,因为在仿真模拟分析中汽车和壁面是固定不动的，因此设置为壁面，同时为了更加精确地模拟车身底盘下的空气流场，因为在本次模拟仿真中，车身是固定不动的，为了模拟相对运动，设置内部加密区域的下地面为移动壁面，同时给定速度为30 m/s,大计算域的下底面为固定面，设置为壁面，划分的加密区域，在仿真计算时，空气是要流经该区域的，故设置为室内,边界条件如表1所示。

1.2 仿真结果分析

根据MIRA所提供的快背式风阻系数，对所建立模型进行对比分析，并提取出对风阻影响较大的特征参数。快背式模型的风阻系数为0.27，本次仿真计算所得结果Cd=0.277 131，与给出的参考数据极为接近。模型的压力云图、对称面压力云图和对称面速度流线图如图2～图4所示。

图2 压力云图

图3 对称面压力云图

图4 对称面速度流线图

从图2可以看出，汽车车头、发动机罩和前风窗之间的压力比较大，同时气流在前风窗和车顶之间的部分还存在一定的负压区域；根据图4也可以发现在模型车尾部分也存在着一定范围的负压区域。

从整车外流场仿真分析结果中，可选择3个对风阻影响较大的特征参数：发动机罩与水平面夹角(10°)、前风窗与水平面夹角(45°)和离去角(10°)。

2 特征参数单因素分析

笔者的研究主要是获得MIRA快背式车型每个特征参数对整车风阻系数的影响，以及特征参数风阻灵敏度的最佳组合。先对所提取出的3个特征参数进行仿真研究，根据相关研究结果和实际情况，最终确定离去角仿真计算范围为5°～15°，发动机罩与水平面夹角仿真计算范围为5°～15°，前风窗与水平面夹角仿真计算范围为30°～50°。分析三个特征参数在单一情况下的风阻灵敏度，验证其几何参数改变对整车风阻的重要性；并为最终耦合分析提供数据基础。

2.1 离去角变化对风阻系数影响

保持前风窗与水平面夹角和发动机罩与水平面夹角几何参数不变，将离去角上下变动5°，取5°和15°进行建模仿真分析，仿真结果如表2所示。

表2 离去角变化仿真数据

在离去角为5°时，风阻系数降低了1.02%，当离去角增大到15°时，风阻系数明显变大，增加了5.35%，离去角的增大使得汽车后部负压区域变大，同时压差阻力也显著增大。

2.2 发动机罩与水平面夹角变化对风阻系数影响

保持离去角和前风窗水平面夹角不变，将发动机罩与水平面夹角依次取5°、15°和20°进行仿真建模分析，得到其在不同几何参数下的风阻系数，如表3所示。

表3 发动机罩与水平面夹角变化的仿真数据

通过仿真结果可以发现，随着发动机罩与水平面夹角不断变大，所研究车型前部的面积也不断减小，风阻系数降低了4.11%。

2.3 前风窗与水平面夹角变化对风阻系数影响

保持离去角和发动机罩与水平面夹角不变，将前风窗与水平面夹角依次取30°、35°、40°、50°进行仿真建模分析，仿真结果如表4所示。

表4 前风窗水平面夹角变化仿真数据

通过仿真计算结果可以发现，在前风窗与水平面夹角为30°的情况下，整车的风阻系数最小，降低了1.5%，在50°的情况下，整车风阻系数明显变大，增加了17.04%，大大增大了整车的油耗。

2.4 综合分析

根据上述仿真计算结果可知，通过依次改变所提取的特征参数，离去角、前风窗与水平面夹角和发动机罩与水平面夹角均能在一定程度上降低整车的风阻系数；尤其是降低发动机罩与水平面夹角，使得整车风阻系数下降了4.11%。选取的3个特征参数的变动对整车风阻系数数值改变的折线图如图5所示。

图5 各特征参数风阻系数变化图

2.5 优化模型分析

根据原车型仿真分析和提取出的特征参数仿真分析，选取离去角5°，前风窗与水平面夹角30°，发动机罩与水平面夹角20°，重新建模，划分网格并进行仿真计算。边界条件保持和初始仿真计算模型一致，导入到Fluent中进行计算求解，得到仿真结果如图6～图8所示。

图6 优化模型压力云图

图7 优化模型对称面压力云图

图8 优化模型对称面速度流线图

优化模型的风阻系数仿真值为0.259 921，比初始MIRA模型的风阻系数减小了6.2%。对比初始模型可以发现：①车顶部和尾部的负压区域明显减小，尤其是前风窗和发动机罩两者之前的范围。②车头压力区域也得到改善，优化后的模型较好地减小了整车风阻系数。③该3个特征参数经过局部最优后，通过压力云图发现其压力值仍大于其他参数部分的压力值，进一步证明所选取的参数为特征参数。

3 耦合分析

上述研究是提取特征参数的单一因素变化对整车风阻的影响，并没有考虑到相互组合时对风阻系数的作用，而正交试验能够通过选取一定量有代表性的试验，再加上合理科学的统计分析方法，高效地找到低风阻情况下特征参数的组合和该组合情况下的风阻灵敏度，而且可以研究分析每一个因素对整车风阻系数影响的大小。

笔者研究的主要目的是降低整车的风阻系数，得到不同特征参数在不同几何参数下的风阻灵敏度和其相应的风阻系数，因此将风阻系数Cd的大小作为正交试验所优化的目标。在单因素分析中，选取了3个特征参数：①离去角在5°时风阻系数降低最明显，因此选取5°±2°为因素A(离去角角度)。②前风窗与水平面夹角在30°时风阻系数最低，因此选取30°±3°为因素B(前风窗与水平面夹角)。③发动机罩与水平面夹角在20°时风阻系数最低，因此选取20°±3°为因素C(发动机罩与水平面夹角)。以此为基础，设计的正交试验水平和因素如表5所示。

根据正交试验设计水平和因素可知，正交试验为3因素3水平试验，根据经验选取L9(34)4因素3水平正交试验表[9]，多出的一列用作误差分析列，所设计的正交试验表头如表6所示。

3.1 正交试验数据分析

表5 正交试验各因素取值表

表6 正交试验表头设计

从表7可知，在A因素的3个水平中指标K值最小的是A2，B因素的3个水平中指标K值最小的是B1，C因素的3个水平中,指标K最小的是C2。同时通过极差分析可以发现，在所选取的3个特征参数中B因素对整车风阻系数影响最大,A因素和C因素对试验仿真结果影响较为接近。根据上述分析结果可知,降低风阻系数的最佳特征参数组合为B1A2C2,即前风窗与水平面夹角为30°,离去角为7°,发动机罩与水平面夹角为23°。

通过极差分析可知，B因素是对风阻影响最大的因子，但尚无法确定B因素是否为显著性因子，需要进行显著性检验。在极差分析的基础上进一步进行方差分析，离差平方和S表明了该因素水平变化所造成仿真试验结果的差异,方差分析结果如表8所示。

从表8可以看出，SA、SC和误差列Se相差不大，因此相对于因素B而言,可以认为因素A和因素C对试验指标影响较小，可以将SA、SC、Se合并来估算误差影响的大小；而且误差项自由度越大，显著性检验也会更加精确。因素B的显著性检验公式为：

表7 正交试验结果的极差分析

表8 正交试验方差分析

(1)

式中：VB为因素B的均方值；V＇误为调整后的误差均方值。

V＇误误差均方值计算公式为：

(2)

式中：S为离差平方和；f为列自由度。计算显著性检查结果FB(2，6)=5.4，通过查临界值表，F0.05(2，6)=5.14

3.2 最优方案验证

选择B1A2C2为最终优化方案：前风窗与水平面夹角为30°,离去角为7°,发动机罩与水平面夹角为23°。根据最佳特征参数组合方案进行仿真计算[10]，最终模型仿真结果的对称面压力云图如图9所示。

图9 最佳方案模型对称面压力云图

从图9可知，相对于初始的MIRA快背式车型，在选取的3个特征参数对应的部分区域，压力得到了明显改善，最后得到风阻系数Cd=0.252 031。相比初始MIRA快背式模型的风阻系数降低了9.06%。

4 总结

以MIRA快背式车型为研究实例，先根据外流场分析，提取了3个特征参数；然后采用CFD仿真和正交试验分析相结合的方法，完成了该车3个特征参数的风阻灵敏度分析和最后的优化模型计算，得出以下结论：

(1)综合分析了MIRA快背式车型离去角、前风窗与水平面夹角、发动机罩与水平面夹角对整车风阻系数的影响。研究结果表明，该3个特征参数角度的改变，均能在一定程度上改善了整车风阻系数，其中发动机罩与水平面夹角和前风窗与水平面夹角改变时，整车的风阻系数减小较为明显；离去角对整车风阻系数的减小影响较低。

(2)通过单因素分析和正交试验分析，得到了最佳的3个特征参数的低风阻组合方案，优化后的MIAR快背式车型整车风阻系数比初始模型降低了9.06%。

(3)通过正交试验结果分析中的极差分析和显著性检验可以发现，因素B(前风窗与水平面夹角)对整车风阻系数的降低效果最为显著，在乘用车风阻分析中可以重点研究前风窗与水平面夹角的最佳风阻几何造型。

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[3] 黄永辉.基于CFD的汽车外流场数值模拟及车身造型优化分析[D].长沙：湖南大学，2011.

[4] 孙琪.汽车车身外流场空气动力模拟及造型优化[D].上海：上海工程技术大学，2014.

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