doi:10.3969/j.issn.l005-2550.2021.03.017收稿日期：2020-11-10某轻客整车风阻系数有限元分析与优化
张汤费，邹亮，袁刘凯
中国移动万花筒
摘要：本文对某轻型客车进行有限元建模，开展了整车风阻系数仿真分析，并利用整车风洞试验验证了仿真模型和仿真结果的合理性和有效性。基于对原型车的外流场分析，提
出了三个降低整车风阻系数的优化措施，分别为增大前挡风玻璃迎风角度、调整尾翼翘角、
增大后门倾斜角度，并研究了各措施中关键参数对风阻系数的影响。对各优化措施的仿真分
析表明，前挡风玻璃迎风角度增大3。可将整车风阻系数降低4.5%；尾翼下翘有利于整车风
阻系数的降低；整车风阻系数随汽车后门倾斜角度的增加而降低，可根据实车需求合理设计
后门倾斜角度。
关键词：风阻系数；CFD仿真；风洞试验；流场分布
中图分类号：U467.1文献标识码：A文章编号：1005-2550（2021）01-0093-07
Finite Element Modeling and Optimization of
Drag Coefficient for a Light Bus
ZHANG Tang-yun,ZOU Liang,YUAN Liu-kai
（Nanjing Iveco Automobile Co.,Ltd.,Nanjing211806,China）
Abstract:The finite element model of a light bus is established and the vehicle drag coefficient is simulated and analyzed.The rationality and effectiveness of the simulation
model and simulation results are verified by vehicle wind tunnel test.Based on the analysis of
the external flow field of the prototype vehicle,three optimization measures are proposed to
reduce the vehicle drag coefficient,which are increasing the windward angle of the front
windshield,adjusting the warping angle of the rear wing,and increasing the tilt angle of the
rear door.The influence of key parameters in each measure on the drag coefficient is also
studied.The simulation results show that the vehicle drag coefficient can be reduced by4.5%
by increasing the windward angle of the front windshield by3°.The downward warping of the
rear wing is beneficial to the reduction of the vehicle drag coefficient.The vehicle drag
coefficient decreases with the increase of rear door tilt angle.The rear door tilt angle can be
reasonably designed according to the actual vehicle demand.
Key Words:Drag Coefficient;CFD Simulation;Wind Tunnel Tbst;Flow Field Distribution
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/AUTO SCI-TECH
2021年第3期
历史的选择张汤赞
毕业于清华大学，工程硕士，现就职于南京依维柯汽车有限公司产岛工程部，任整车集成科高级经理，高级工程师。
考虑到汽车在行驶过程中，尾部气流在汽车尾部很长一段距离内存在，对汽车的空气动力特性影响较大。因此在计算区域设定时，将汽车尾部取较长的距离。根据文献z中的经验，将计算域取为长方体，以整车为中心，车前方约为2倍车长，上方约为4倍车高，侧向约为4.5倍车宽，后方约为4倍车长。图2为CFD仿真计算域模型。
1引言
空气动力学特性是汽车的重要特性之一，它直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性与安全性叭汽车风阻系数是判断汽车动力学特性的指标之一，风阻系数每降低10%，汽车可以节省燃油7%。因此，降低汽车风阻系数
越来越受到各汽车厂家的重视。对车身造型的优化是改善汽车空气动力学特性，降低整车风阻系数的重要手段。汽车空气动力学研究方法主要有理论分析、试验研究和数值模拟叫汽车空气动力学的数值模拟方法一般称为计算流体力学(CFD)，具有耗时短、操作简便、结果不受实验条件影响等优势，在汽车空气动力学性能的研究中应用最为广泛叭
本文以某轻型客车为研究对象，利用CFD仿真分析的方式研究了汽车外流场分布，并利用整车风洞试验验证了仿真模型的有效性。提出了三种优化车身造型、降低整车风阻系数的措施，并分析了各措施中关键参数对风阻系数的影响。
2整车有限元建模与仿真分析
2.1有限元模型建立
考虑CFD分析计算的经济性，在不影响整车流场特性的前提下，利用Hypermesh软件对轻客CAD模型进行几何清理和简化处理。整车简化处理包括：去掉雨刮器、车门把手等部件，简化底盘零件等。进气格栅的开放与否对整车风阻系数的影响较小1T，将进气格栅封闭可大大减少计算不收敛的情况出现，因此将整车几何模型中的进气格栅封闭。图1为简化处理后的整车几何模型。
图1整车几何模型
利用Hypermesh软件对计算域模型整体进行网格划分，网格为四面体单元，划分好的网格数量为470万，计算域实体网格如图3所示：
图3计算域实体网格
2.2湍流模型
由于汽车外流场马赫数较低，因此可以将其看作三维不可压缩粘性等温流场。汽车由于外形复杂，在行驶过程中容易引起气流分离，因此汽车外围流场属于粘性、不可压缩流，可按湍流处理曲。CFD仿真中常用的湍流模型有Reynolds Stress模型、标准辰&模型、RNGA-e模型、Realizable k-s模型等。标准k-s模型收敛性好，残差值低，具有较好的稳定性、经济性和较高的计算精度，应用较为广泛。本文选取标准辰£模型作为湍流计算模型。湍动能k和湍流耗散率的输运方程如下：
务(旳+金(旳)=話［卜*
+G k+G b~P£~y m+s k(1)务(以)+金(旳)卜+脊)詩
+°1話(G k+G3pb)-C2S P^+s e(2)
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某轻客整车风專数有限元分析与优化
其中，G涝湍流动能；为由浮力产生的湍流动能；乙为过渡扩散产生的波动；乐、耳为k方程和£方程中出现的湍流普朗特数，乐=1，耳=1.3；S「S为定义的原项，对于不可压缩流体，G b=0, Y m=0,^=0,5£=0；儿为湍流粘性系数，表达式为咕卩。差，5=0.09,C j£=1.44,C2e=1.92, Ge二1。
2.3边界条件设置
将划分好的CFD网格导入到Fluen嗽件中进行仿真计算，计算空间离散格式为二阶迎风格式，计算方法采用Coupled算法。空气密度设置为1.18kg/m3，空气动力粘度为1.7894xlO_5Pax so设置边界条件如表1所示：
表1边界条件设置
边界位置边界条件东邪西毒2011
计算域前端速度入口，v=27.8m/s
计算域后端压力出口，p=0
dtmf车体表面固定壁面
计算域地面、顶面及侧面移动壁面
2.4仿真结果与分析
原型车的整车CFD仿真结果如表2所示。由表2可知原型车的整车风阻为991.75N，整车风阻系数为0.4528。根据车身表面压力云图和汽车对称面流速云图等信息分析整车风阻分布并确定风阻系数优化方向。
表2原型车仿真结果
车型车速m/s正投影面积/赤风阻/N 风阻系数
Cd
原型车27.8 4.80347991.750.4528
由图4所示的整车压力云图可以看出，气流对汽车前挡风玻璃造成冲击，并在此处消耗大量能量，造成汽车形状阻力，从而增加了汽车的风阻系数。由图5所示的流速云图可知，汽车行驶时，迎面而来的气流流速较快，一部分气流沿着引擎盖、前挡风玻璃、顶盖离开汽车，另一部分气流流经汽车底部而离开汽车，两部分气流在汽车后部速度减缓并形成负压区。汽车前部与后部的流速差异造成了整车的压差阻力，增加了整车风阻系数。
图5汽车对称面流速云图
3整车风洞试验验证
为验证整车风阻系数仿真模拟的准确性，开展整车风洞试验，在进气格栅封闭和开放两种状态下测试原型车的整车风阻系数，格栅开放与封闭情况如图6所示。风洞试验在上海地面交通工具风洞中心的
气动声学风洞中进行。为了保持试验和仿真的一致性，在试验中，保持车轮和移动带静止。整车风洞试验试验工况如表3所示。
图6进气格栅开放（上）与封闭状态（下）
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汽车科技/AUTO SCI-TECH
2024年第3期
表3整车风洞试验试验工况
原型车状态试验工况
格栅封闭雷诺数扫掠5=0。,v=80,100,120km/h 格栅开放雷诺数扫掠/屮=0。,v=80,100,120km/h 试验开始前进行必要的试验准备工作，包括检查整车车辆状态、清洁车辆并准备车辆和风洞天平之间的连接部件；根据实测轮轴距调节天平，如图7、图8所示对中并安装车辆；试运转，确保安全后开始试验。整车风洞试验状态如图9所示。
图7车辆对中
图8车辆安装支撑
图9整车风洞试验状态
由表4所示的原型车风洞试验结果可知：1)随着风速增加，风阻系数略微下降，并且保持在0.42左右。2)不同风速下，格栅开放和封闭状态的风阻系数最大相对变化在0.17%以内，因而风洞试验进一步证明了格栅封闭与开放对整车的风阻系数几乎没有影响。
表4原型车各工况下风阻系数试验结果
风速/km/h格栅开放格栅封闭800.42280.4224
1000.42060.4199
1200.41970.4196
由表5可知，在格栅封闭状态下，整车风阻系
数风洞试验值为04199(v二100km/h)，与仿真结樟属
果之间的误差为7.8%，处于可接受的误差范围。整车风洞试验验证了该仿真模型和仿真结果的有效性和合理性，该仿真模型可用于后续整车风阻系数优化分析。
表5原型车风阻系数实验值与仿真值对比
(格栅封闭,v=100km/h)
整车模型实验仿真
风阻系数0.41990.4528
相对误差-7.80%
4整车风阻系数优化
基于对原型车的风阻来源分析，为降低整车风阻系数，需从两个方向优化整车气动性能：1)优化车身造型，减小气流对车身的正面冲击；2)减少汽车前部与后部的流速差异，即减小汽车尾部负压区，降低压差阻力。
针对第一个优化方向，本文提出增大汽车前挡风玻璃迎风角度以减小气流的正面冲击；针对第二个优化方向，本文在对流场特性进行分析的基础上，分别研究调整车厢后上部造型和增大后车门倾斜角度对减小车身后部负压区的影响。图10为三种优化措施在整车上实施的位置。表6总结了三种优化措施具体的优化策略及相应目的。
图10整车风阻系数优化措施
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某轻客整车风阻系数有限元分析与优化
表6整车风阻系数优化措施及目的单因素 优化措施
优化策略目的
Is
增大前挡 风玻璃迎 风角度前挡风玻璃 迎风角度+3。减小前挡风玻 璃与引擎盖连 接处正面压力[7][8]
调整尾翼尾翼翘角16。减小汽车尾部 负压区，降低 整车压差阻力[9]造型
尾翼翘角28。
[10]增大后车
后门倾斜角度+5。
减小汽车尾部 负压区，降低 整车压差阻力[11][12][13]
门倾斜 角度
顾炎武全集后门倾斜角度+7。后门倾斜角度+10。
4.1增大挡风玻璃迎风角度
汽车行驶过程中，气流在前挡风玻璃与引擎 盖间形成高压区，因此需优化前挡风玻璃迎风角
度以降低汽车形状阻力。基于对现有实车模型最 小更改的原则，将前挡风玻璃上边缘和侧边缘与 车窗外框连接，前挡风玻璃下边缘与引擎盖相连
接，此时前挡风玻璃迎风角度增大~3。，即前挡 风玻璃由原迎风角度（~134。）增大为-137°。 图11为增大前挡风玻璃迎风角度前后对比。
图X增大前挡风玻璃迎风角度前后对比图12为增大挡风玻璃迎风角度后风阻系数相
对变化。由图9可知，将前挡风玻璃迎风角度增大
3。可显著降低整车风阻系数，整车风阻系数下降
量为4.5% o
图12增大挡风玻璃迎风角度风阻系数相对变化
图13为增大前挡风玻璃迎风角度后的整车压
力分布情况，由图13可以看出，增大前挡风玻璃 迎风角度后，前挡风玻璃与引擎盖间的高压区相
对原模型明显减小，因此气流对前挡风玻璃的正
面冲击减弱，使整车阻力降低。
挡凤玻璃迎风角度+3°
• 0.0
-200.0
Pressure Contour 1 .500.0
350.01 200.0Pressure Contour 2 .500.0R 350.0 [ 200 0
4.2图13前挡风玻璃处高压区对比
调整尾勰角
车厢后上部的尾翼形状影响车后涡流的尺寸
和强度，进而影响整车压差阻力。尾翼翘角是尾
翼上部与水平面的夹角，小于90。o 尾翼翘角分 为在水平面之上和之下两种情况，在水平面之上 记作+ （例如+ 1° ），在水平线之下不做标记
（例如1。） [q o 由于原车型的风阻问题是在尾翼
上翘时出现的，因此本文只研究尾翼下翘对风阻 系数的影响。根据对现有车型最小修改原则，设 计2种尾翼下翘角度：1）尾翼翘角16。； 2）尾翼
翘角28。o 尾翼翘角调整前后对比如图14所示：
图14尾翼翘角调整前后对比
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