第23卷第3期上海工程oL. 23 No. 309年9月JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY OF ENGINEERING SCIENCEsep.2009文章編號:1009-444X(2009)03-0209-04基于空氣動力學(xué)的車身改進(jìn)設(shè)計范平清,趙波(上海工程技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院,上海201620)摘要:以奧迪TT轎車為例,依據(jù)空氣動力學(xué)理論,運(yùn)用相關(guān)有限元軟件對原始車身進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)仿真分析.從中發(fā)現(xiàn)不足之處,進(jìn)而提出改進(jìn)方案,以降低車身的空氣阻力系數(shù).經(jīng)對改進(jìn)后的車身再次進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證了改進(jìn)方案的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性關(guān)鍵詞:車身;空氣動力學(xué);風(fēng)阻系數(shù)中圖分類號:U463.821文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AImproved Design of Automobile Body Based on aerodynamicsFAN Ping-qing, ZHAO BoCollege of Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)Abstract Taking the Audi TT as an example, the analysis of wind tunnel tests for the original body wassimulated by using aerodynamic theory and the relevant finite element software. According to the re-sults, some deficiencies of the body were found and the improved scheme was proposed in order to re-duce the air resistance coefficient of the body Then the simulation analysis of the improved body was executed again to verify the accuracy and stability for the improved scheme.Key words: vehicle body aerodynamics; wind resistance coefficient氣動阻力直接影響汽車的動力性和燃油的經(jīng)濟(jì)性隨著汽車的高速化以及公路運(yùn)輸?shù)脑黾訙p1空氣動力學(xué)與車身造型的關(guān)系少氣動阻力日益顯得重要.氣動阻力也是汽車空氣動力學(xué)研究的重要內(nèi)容之一,它與車速的平方成正1.1氣動阻力及其對汽車性能的影響比在影響汽車空氣動力的各種因素中,車身造型眾所周知,車速越快空氣阻力越大.據(jù)測試,一占主導(dǎo)地位,這一點(diǎn)已從各家汽車公司及汽車研究輛以100km/h速度行駛的汽車,發(fā)動機(jī)輸出功率中心的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到了證實(shí).為此,改善汽的80%將被用來克服空氣阻力車行駛的空氣動力性能,有效降低其高速行駛時所氣動阻力是隨汽車正面面積、來流速度以及氣受到的空氣阻力就應(yīng)該從改善車身造型做起.本動阻力系數(shù)的變化而變化,汽車的正面面積取決于文以奧迪TT轎車車身為例,運(yùn)用空氣動力學(xué)理論汽車的外形尺寸.為了更科學(xué)地衡量和評價汽車的對原始車身進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)仿真分析使其降低車身氣動阻力特性,常采用氣動阻力系數(shù)來作為評價指氣動阻力系數(shù)減小空氣阻力提高速度標(biāo),從而使得氣動阻力系數(shù)目前成為衡量汽車氣動中國煤化工收稿日期:2009-04-28基金項(xiàng)目:上海市教委培蕎優(yōu)秀青年教師科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(gd7022CNMHG作者筒介:范平清(1980-),女,山東秦安人,助教,碩士,研究方向?yàn)橹悄蹸AD,CAE/CAM應(yīng)用上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報第23卷阻力特性的一個重要參數(shù).理論上,它只與汽車外高為4178mm×1842mm×1352mm;軸距為形形狀有關(guān),與形狀大小和來流速度無關(guān),是一個2468mm;前/后輪距為1572mm/1558mm將轎無量綱數(shù),也為做模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)提供了理論基車的3D模型以lGS格式輸入 GAMBIT中進(jìn)行前礎(chǔ)口.它被定義為氣動阻力與氣流能量之比,即處理F△P(1)首先,對車身建立一個高4000mm,寬7000(1/2)mvS(1/2)pv2mm的流場,即計算區(qū)域,確定車身底部離地距離式中:F,為氣動阻力P為空氣密度;v-為氣流相為汽車輪胎高度,劃分網(wǎng)格對汽車的速度;S為汽車迎風(fēng)面積,也稱正面面積,其次,刈邊界進(jìn)行定義,車頭方向設(shè)定為人口即不考慮球面角的影響;△P為汽車表面壓力與大邊界,車身后端設(shè)為出口邊界,壓強(qiáng)為零(相對于大氣壓力之差氣壓),在外框的頂部設(shè)定為頂面,車身及底邊設(shè)為近年來,人們不斷重視燃油經(jīng)濟(jì)性,使得氣動墻體.進(jìn)口和出口是為了確定流體進(jìn)與出的方向,阻力系數(shù)顯著下降.當(dāng)然這并不是無止境的,對實(shí)用乘用車而言,其氣動阻力系數(shù)難以低于0.200)墻體則表示流體將無法通過的邊界1.2基于空氣動力學(xué)考慮的理想車身造型再次,將完成模型設(shè)置以MSH的格式導(dǎo)入到在影響汽車空氣動力的各種因素中,車身造型 Fluent環(huán)境中.車身和流場的三維網(wǎng)格如圖1占主要地位,以轎車為例基于空氣動力學(xué)理論,為所示了減少空氣阻力系數(shù),轎車車身設(shè)計大致遵循的規(guī)律,如表1所示表1理想的車身造型Tab. 1 The perfect autobody一4理想的車身遣型平整圓滑的車頭有助于減少CD值風(fēng)窗與地面的角度不是越小越有利于減少Cu值,而是有一個最佳值.三菱公司認(rèn)為前風(fēng)窗在30°左右而美國SAE810185標(biāo)準(zhǔn)卻認(rèn)圖1車身和流場的3D網(wǎng)格為28°Fig. 1 The 3D meshes of autobody and flow field車頂?shù)那€高一些能夠降低Cn值,但是由22車身的空氣動力學(xué)分析車頂于正投影面積增加,會增加迎風(fēng)面積,哪個影響大,要看具體情況在 Fluent里,對原車身進(jìn)行兩次分析,分別在車速為16.67m/s和27.78m/s(即時速60km/h從Co值的角度來看,三廂車最不好的地方就是尾部.近年來,三廂車車尾的后窗與水和100km/h)下進(jìn)行計算分析.空氣的性質(zhì)設(shè)為標(biāo)平面夾角越來越小,向后伸展到后備廂中準(zhǔn)大氣壓下空氣密度為1.225kg/m3,黏度為后風(fēng)窗部,后備廂變得越來越短和越來越高.后窗1.7894×105kg/m·s.在設(shè)定壓松弛因子、多網(wǎng)與水平面的夾角也不是越小越好,后窗與水平面的夾角與CD值之間存在復(fù)雜的關(guān)格參數(shù)及其他流動參數(shù)后,開始迭代運(yùn)算,迭代系,但在10~28°之間,夾角越大,CD值1000次.得到如圖2所示的殘差圖較高的后備廂對于降低Cp值比較有利;尖銳的后備廂尾部轉(zhuǎn)角有利于正面和兩側(cè)氣流的分離,使得車后形成穩(wěn)定尾流區(qū),利于T-velocity降低C值62原始車身模型分析中國煤化工60780CNMHG2.1轎車車身外型分析圖41U次達(dá)圖奧迪TT轎車車身的外型主要指標(biāo):長×寬Fig 2 1000 cyelic iteration范平清,等:基于空氣動力學(xué)的車身改進(jìn)設(shè)計211由圖2可見,殘差曲線由上向下逐漸減少,說對較大,而在車身頭部和尾部有一個相對較大的低明計算是收斂的,故比較精確壓區(qū),形成了下行渦流為了改善空氣動力特性,對然后,生成模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的速度矢量圖由于這3處進(jìn)行了修改.將車頭修改得相對平整,并降網(wǎng)格劃分比較細(xì),風(fēng)洞圖上幾乎看不到車體了,如低車頂;修改前風(fēng)窗與水平面夾角,使其在28°左圖3所示右;前風(fēng)窗,車頂和引擎蓋的線條盡量平滑;對于車尾部,為了降低CD值,將后車窗與水平面夾角定在18左右,使后車窗與車尾線條更加平滑,以便在不影響外觀的前提下抬高車尾).改進(jìn)前后車身縱向?qū)ΨQ面的比較,如圖4、圖5所示圖360km/h模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的速度矢量圖Fig 3 Velocity vector of 60 km/h wind tunnelsimulation experiment圖4改進(jìn)前車身的縱向?qū)ΨQ面Fig 4 Vertical symmetric plane of the original autobot從上述分析可以得出,在車身的車頭與車尾處因?yàn)楫a(chǎn)生一些渦流的關(guān)系,流體速度相對較低;在引擎蓋處流速急劇增加.當(dāng)汽車在高速行駛時,這些局部渦流將影響到汽車的穩(wěn)定性,并在引擎蓋上方產(chǎn)生很大的阻力.以后的改進(jìn),就主要考慮到這3處圖5改進(jìn)后車身的縱向?qū)ΨQ面通過軟件計算得到60km/h速度下車身的 Fig 5 Vertical symmetric plane of the improved autobodyCD值,即△P3.2改進(jìn)后的分析計算=0.3356外界環(huán)境相同的條件下,汽車的氣動阻力系數(shù)C只與汽車外形形狀有關(guān),因此對于改進(jìn)后的車依照以上的分析方法,在車速為100km/h型僅計算了60km/h風(fēng)速下的風(fēng)洞模擬計算時,再進(jìn)行一次計算分析通過 Fluent計算得到改進(jìn)后車身的氣動阻力計算得到速度為100km/h時,車身的Cm系數(shù)Cm為值,即△P△P=0.3182=0.3358車頭、引擎蓋和車尾進(jìn)行修改后得出的Cm值因?yàn)镃≈Cm,在理論上表明,氣動阻力系數(shù)較原始車身減小0.0174左右,說明原車型的氣動C值只與汽車外形有關(guān),與來流速度基本無關(guān),或性能已經(jīng)很好,修改的目的主要在于減少壓力而產(chǎn)不會發(fā)生大的變化生的渦流,從而降低車身阻力圖6為車身改進(jìn)后模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果.由于網(wǎng)格劃分比較細(xì),3改進(jìn)后的車身分析風(fēng)洞圖上幾乎已經(jīng)看不到車體了中國煤化工的感覺依舊,改3.1改進(jìn)方法進(jìn)后CNMH(而引起的渦流從風(fēng)洞測試中發(fā)現(xiàn)奧迪TT轎車可能為了一減少了,引擎蓋上的氣動阻力也相對減少,改進(jìn)取定的美觀考慮,在車頭引擎蓋處和車頂部的風(fēng)阻相得了顯著效果212·上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報第23卷經(jīng)對改進(jìn)后的車身進(jìn)行再次仿真分析,并與改進(jìn)7e+前的結(jié)果相對照,驗(yàn)證了改進(jìn)方案的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,可為車身設(shè)計提供參考67e+167e+們1參考文獻(xiàn):167c+t167e01[1]谷正氣轎車車身[M.北京:人民交通出版社,200216e+4[2]潘錦珊.空氣動力學(xué)基礎(chǔ)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版杜,1995.圖6改進(jìn)后三維車身的速度矢量圖[3]莊繼德謝金法,高峰,等.三維湍流轎車外流場數(shù)值Fig 6 Velocity vector of the模擬[門].吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,1999,29(4)three-dimension autobody[4]黃向東汽車空氣動力學(xué)與車身造型[M].北京:人民4結(jié)語交通出版社,2000.[5]姜樂華,谷正氣,黃天澤空氣動力性最優(yōu)化對未來汽本文以空氣動力學(xué)理論為基礎(chǔ),對奧迪TT轎車外形設(shè)計的影響[J].汽車研究與開發(fā),1997(5)車車身進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的仿真分析,從中發(fā)現(xiàn)不足之25-2處,提出改進(jìn)方案,以降低車身的空氣阻力系數(shù)改[6]傅立敏汽車空氣動力學(xué)[M]北京:機(jī)械工程出版進(jìn)后的車身整體高度降低,一些連接處修改得相對社,1998平滑,并且在車頭、引擎蓋和車尾等部分都作了較大[7]許濤過學(xué)迅 Fluent在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J.北京汽車,2006(5):39-41改進(jìn)前后風(fēng)窗與水平面夾角修改到了適當(dāng)?shù)慕嵌?[s] EMMANUEL G. Computational study of flow前風(fēng)窗為28°,而后風(fēng)窗則為18°.前風(fēng)窗與引擎蓋和round a simplified car body[J] Journal of Wind Engi后風(fēng)窗與車尾也作了平滑處理,使空氣流體流動平neering and Industrial Aerodynamics, 2008, 96(6順減少了風(fēng)動阻力,提高了車身的穩(wěn)定性中國煤化工CNMHG