某SUV车型轮眉装饰件凸出结构对局部气流及整车气动阻力影响的研究

孙逸昊，付 森，家治拓哉，李思远，赵 铎

(一汽丰田汽车有限公司技术研发分公司 天津 300457)

1 研究背景

1.1 概述

汽车的空气动力特性直接影响着汽车的动力性能、操作稳定性、燃油经济性和气动噪声等性能，有时甚至会直接影响汽车的行驶安全[1-2]。因此，近年来各大汽车厂商越来越重视汽车空气动力学特性的开发，其中重点研究方向包含以下几个方面[3]：

①车辆行驶阻力、升力和侧向力3个方向的气动分力，以及侧倾力矩、纵倾力矩和横摆力矩 3个气动分力矩，它们共同作用，对车辆的燃油经济性、动力性能、操作稳性能等产生重要影响；

②汽车发动机舱冷却模块及制动器刹车盘的通风量冷却研究；

③汽车表面压力分布和车身表面污染物附着的研究，如传统两厢车和 SUV比三厢车后风窗更易沾染灰尘，需要设置后雨刷器进行清理；

④汽车气动噪声、口哨音等异音的产生传播机理，如汽车后视镜、雨刷器和天窗的风噪研究。

随着汽车保有量的大幅增加，节能环保的理念也越来越深入人心。在车辆行驶过程中，发动机产生的动能需要克服传动过程的相对运动摩擦力(机械损失)、轮胎与地面的滚动阻力和空气作用于车辆的气动阻力。当一辆轿车以高速行驶时(80km/h以上)，气动阻力约占总阻力的一半以上，而且随着车速的增加，气动阻力也急剧增大。基于美国国家环保局提供的城市道路工况和高速驾驶工况进行测试，轻型轿车因克服气动阻力所消耗的燃油占总油耗的13%，并且对于 SUV车型来讲这种影响更为明显，为此所消耗的燃油占总油耗的 22%[4]。近年来，随着电动汽车的高速发展，降低整车风阻系数也成为提高续航里程的重要手段之一。

1.2 造型需求

为凸显 SUV车型的越野感和硬派感，除了提升车辆动力性能和通过性能以外，在外观造型方面也可以在顾客心中营造出相应的性能感受。例如使用如图1所示的黑色轮眉凸显轮胎与轮罩之间的距离，增强车辆通过性强的越野感，同时在轮眉处设计凸出结构增强硬派感，但轮眉处外观结构的变化也会影响整车气动阻力。轮眉处的气流除了受车辆外形影响外，由于轮胎旋转所产生的大量扰动气流与主流汇合的不确定性，使得这一部分的结构对整车气动阻力的影响也变得难以预测[5]。

图1 SUV车辆轮眉Fig.1 SUV wheel arch

1.3 研究方案

相比较于原型车，本文从轮眉凸出量、轮眉导流斜面 2个维度对轮眉装饰件在整车气动阻力中的影响进行了研究，研究方案如表1所示。图2展示了各方案在A-A断面处的结构。

图2 轮眉结构示意图Fig.2 Wheel arch structure

表1 研究方案模型结构参数Tab.1 Structure parameter of study model cases

2 数值模拟仿真计算

2.1 整车计算模型

本次 CFD仿真计算使用 ANSA软件建模提取整车外表面处各部分结构细节特征，包含前后保险杠、进气格栅、上部车身、底护板，车轮等零部件，如图 3所示。因为本次研究对象为车身侧面的零部件，发动机舱内的流场对其影响较小，所以封闭格栅已减小建模及计算复杂度[6]。

图3 原型车ANSA模型Fig.3 ANSA model of prototype vehicle

针对气动阻力敏感的车身表面及尾流区设置局部网格加密域，并在车身表面设置6层边界层以减小车身表面网格Y+值，满足Y+值≤2的网格尺寸要求。计算域中的网格截面如图4所示。

图4 数值仿真模型中W0截面网格Fig.4 W0 section grid in numerical simulation model

2.2 物理模型及边界条件

使用 StarCCM+软件进行 CFD数值仿真模拟。选用k-ε湍流仿真模型进行稳态求解。计算中的物理模型条件及边界条件参见表2。

表2 计算物理模型条件及边界条件Tab.2 Physical conditions and boundary conditions

由于车轮的旋转对整车阻力也有十分明显的影响，故本次建模在车轮区域通过设置多重坐标系的方法(MRF)模拟车轮在道路行驶时的旋转状态。设置轮胎转速时，轮胎接地面的等效线速度与地面移动速度相同[7]。

CFD数值风洞为在软件中所确定的流体计算域，为了确保除地面以外的计算边界不影响车辆周边的流动状态，应保证有足够大的计算域范围。本文使用的 CFD数值风洞尺寸为 55m×21m×16m，如图5所示。

图5 数值风洞模型示意图Fig.5 Digital wind tunnel model

3 汽车空气动力学风洞试验

3.1 汽车风洞

为验证各方案对气动阻力真实的影响效果，对以上全部方案均进行了实车风洞试验。试验在中国汽车技术研究中心汽车气动-声学风洞实验室进行。该风洞实验室拥有包含中央移动带和轮胎转带的五带系统用于模拟车辆在实际道路上地面效应、车轮旋转对整车气动阻力的影响。与此同时，在移动带前方及风洞入口的地面处特别设计了边界层抽吸系统，以降低风洞出口的地面边界层。该风洞的流场品质及六分力检测设备精度均满足车辆开发要求。

3.2 试验车辆及试验模型

在造型开发初期，为了快速验证各方案对整车气动阻力的影响，同时降低研究开发费用，风洞中使用的试验模型采用泡沫纸板为材料，通过使用 1∶1图纸制作模型骨架，再利用泡沫纸板制作表面形状，并贴附在骨架上完成外表面实物建模。为确保重复拆装时模型强度，使用热熔胶将骨架与表面泡沫板进行固定，并在模型外表处使用胶布进一步增加模型强度。模型制作样例如图6所示。

图6 试验模型制作样例(前保险杠下部结构)Fig.6 Test model example(front bumper lower structure)

在项目验收阶段最终确定造型方案后使用精度更高的快速样件进行风洞试验验证。

3.3 风洞试验条件

风洞试验在 140km/h的入口风速条件下进行测定，同时开启与入口风速相同的五带模拟系统和入口边界层抽吸系统。控制风洞环境气温在(21±1)℃的空气条件下完成所有方案的测定试验。

4 CFD仿真及风洞试验结果及分析

风阻系数CFD仿真结果与风洞试验结果对比见表3，表中数据表示各方案与原型方案0风阻系数的差值。可以观察到数据中风阻系数变化量的 CFD仿真结果比试验结果大，说明在此 CFD计算模型下，风阻系数对轮眉结构的变化更加敏感。从图 7可知，此模型的仿真与试验结果高度线性相关，相关性R2= 0 .9989。所以可用此CFD仿真模型结果换算出风洞试验结果代替风洞试验，以对轮眉结构进行风阻系数变化量做出准确预测。

表3 风阻系数变化量仿真和试验结果Tab.3 Simulation and test results of drag coefficient

通过图 8观察对比轮眉凸出量与轮眉导流斜面这2个参数对阻力系数的影响，发现轮眉凸出车身表面是导致整车气动阻力恶化的主要原因，虽然加入导流斜面后可改善局部流动，但恶化程度依然严重。

通过观察车身表面压力系数的变化分析导致气动阻力恶化的原因，当轮眉凸出车身表面时，气流在凸出部位改变原有流动状态，流动方向向车身外侧偏转并被加速，导致在轮眉倒角处局部压力减小，见图9中框内区域。由于原本气流在雾灯处发生偏转，原型轮眉结构处的气流“隐藏”在偏转气流后没有影响气流主流流动，但轮眉凸出后该部分气流不能继续沿着车身表面流动，而是向车身侧后方流出，导致车辆“等效正投影面积”增加，进而使得整车气动阻力恶化，如图 10所示。尽管加入导流斜面后可稍稍改善局部流动和减小负压区，但由于整体导流效果的存在，其改善效果并不明显。

图9 前轮轮眉处压力系数分布侧视图Fig.9 Side view of pressure coefficient distribution at front wheel arch

图10 前轮轮眉处流线俯视图Fig.10 Top view of streamline at front wheel arch

5 结论及展望

应用 CFD仿真建模及风洞试验方法对某 SUV轮眉处结构对气动阻力影响进行分析，得到了轮眉不同凸出量及导流斜面对车辆风阻系数的影响结果，结论如下：

①本文所用CFD仿真模型在预测轮眉处结构对风阻系数变化量时的结果与风洞试验结果相关性很高，R2＝0.9989，这表明可以使用该模型进行相应性能预测；

②轮眉凸出车身表面后，由于局部气流被导向侧后方使等效“正面投影面积”增加，导致整车风阻系数急剧恶化，加入导流斜面可减小恶化量，但改善效果有限。

风洞试验方法虽然可以更接近实际道路效果，同时也是验证仿真结果精度的必要手段，但受风洞试验费用大、实车模型制作周期长等因素的影响，未来可先通过 CFD仿真手段进行减阻研究，再使用风洞对方案进行验证，以利于开发车辆空气动力学性能。