基于空气动力学的车身改进设计

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文章编号:1009-444X(2009)03-0209-04基于空气动力学的车身改进设计范平清,赵波(上海工程技术大学汽车工程学院,上海201620)摘要:以奥迪TT轿车为例,依据空气动力学理论,运用相关有限元软件对原始车身进行风洞试验仿真分析.从中发现不足之处,进而提出改进方案,以降低车身的空气阻力系数.经对改进后的车身再次进行仿真分析,验证了改进方案的准确性和稳定性关键词:车身;空气动力学;风阻系数中图分类号:U463.821文献标志码: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气动阻力直接影响汽车的动力性和燃油的经济性随着汽车的高速化以及公路运输的增加减1空气动力学与车身造型的关系少气动阻力日益显得重要.气动阻力也是汽车空气动力学研究的重要内容之一,它与车速的平方成正1.1气动阻力及其对汽车性能的影响比在影响汽车空气动力的各种因素中,车身造型众所周知,车速越快空气阻力越大.据测试,一占主导地位,这一点已从各家汽车公司及汽车研究辆以100km/h速度行驶的汽车,发动机输出功率中心的风洞试验数据中得到了证实.为此,改善汽的80%将被用来克服空气阻力车行驶的空气动力性能,有效降低其高速行驶时所气动阻力是随汽车正面面积、来流速度以及气受到的空气阻力就应该从改善车身造型做起.本动阻力系数的变化而变化,汽车的正面面积取决于文以奥迪TT轿车车身为例,运用空气动力学理论汽车的外形尺寸.为了更科学地衡量和评价汽车的对原始车身进行风洞试验仿真分析使其降低车身气动阻力特性,常采用气动阻力系数来作为评价指气动阻力系数减小空气阻力提高速度标,从而使得气动阻力系数目前成为衡量汽车气动中国煤化工收稿日期:2009-04-28基金项目:上海市教委培荞优秀青年教师科研专项基金资助项目(gd7022CNMHG作者筒介:范平清(1980-),女,山东秦安人,助教,硕士,研究方向为智能CAD,CAE/CAM应用上海工程技术大学学报第23卷阻力特性的一个重要参数.理论上,它只与汽车外高为4178mm×1842mm×1352mm;轴距为形形状有关,与形状大小和来流速度无关,是一个2468mm;前/后轮距为1572mm/1558mm将轿无量纲数,也为做模型风洞实验提供了理论基车的3D模型以lGS格式输入 GAMBIT中进行前础口.它被定义为气动阻力与气流能量之比,即处理F△P(1)首先,对车身建立一个高4000mm,宽7000(1/2)mvS(1/2)pv2mm的流场,即计算区域,确定车身底部离地距离式中:F,为气动阻力P为空气密度;v-为气流相为汽车轮胎高度,划分网格对汽车的速度;S为汽车迎风面积,也称正面面积,其次,刈边界进行定义,车头方向设定为人口即不考虑球面角的影响;△P为汽车表面压力与大边界,车身后端设为出口边界,压强为零(相对于大气压力之差气压),在外框的顶部设定为顶面,车身及底边设为近年来,人们不断重视燃油经济性,使得气动墙体.进口和出口是为了确定流体进与出的方向,阻力系数显著下降.当然这并不是无止境的,对实用乘用车而言,其气动阻力系数难以低于0.200)墙体则表示流体将无法通过的边界1.2基于空气动力学考虑的理想车身造型再次,将完成模型设置以MSH的格式导入到在影响汽车空气动力的各种因素中,车身造型 Fluent环境中.车身和流场的三维网格如图1占主要地位,以轿车为例基于空气动力学理论,为所示了减少空气阻力系数,轿车车身设计大致遵循的规律,如表1所示表1理想的车身造型Tab. 1 The perfect autobody一4理想的车身遣型平整圆滑的车头有助于减少CD值风窗与地面的角度不是越小越有利于减少Cu值,而是有一个最佳值.三菱公司认为前风窗在30°左右而美国SAE810185标准却认图1车身和流场的3D网格为28°Fig. 1 The 3D meshes of autobody and flow field车顶的曲线高一些能够降低Cn值,但是由22车身的空气动力学分析车顶于正投影面积增加,会增加迎风面积,哪个影响大,要看具体情况在 Fluent里,对原车身进行两次分析,分别在车速为16.67m/s和27.78m/s(即时速60km/h从Co值的角度来看,三厢车最不好的地方就是尾部.近年来,三厢车车尾的后窗与水和100km/h)下进行计算分析.空气的性质设为标平面夹角越来越小,向后伸展到后备厢中准大气压下空气密度为1.225kg/m3,黏度为后风窗部,后备厢变得越来越短和越来越高.后窗1.7894×105kg/m·s.在设定压松弛因子、多网与水平面的夹角也不是越小越好,后窗与水平面的夹角与CD值之间存在复杂的关格参数及其他流动参数后,开始迭代运算,迭代系,但在10~28°之间,夹角越大,CD值1000次.得到如图2所示的残差图较高的后备厢对于降低Cp值比较有利;尖锐的后备厢尾部转角有利于正面和两侧气流的分离,使得车后形成稳定尾流区,利于T-velocity降低C值62原始车身模型分析中国煤化工60780CNMHG2.1轿车车身外型分析图41U次达图奥迪TT轿车车身的外型主要指标:长×宽Fig 2 1000 cyelic iteration范平清,等:基于空气动力学的车身改进设计211由图2可见,残差曲线由上向下逐渐减少,说对较大,而在车身头部和尾部有一个相对较大的低明计算是收敛的,故比较精确压区,形成了下行涡流为了改善空气动力特性,对然后,生成模拟风洞实验的速度矢量图由于这3处进行了修改.将车头修改得相对平整,并降网格划分比较细,风洞图上几乎看不到车体了,如低车顶;修改前风窗与水平面夹角,使其在28°左图3所示右;前风窗,车顶和引擎盖的线条尽量平滑;对于车尾部,为了降低CD值,将后车窗与水平面夹角定在18左右,使后车窗与车尾线条更加平滑,以便在不影响外观的前提下抬高车尾).改进前后车身纵向对称面的比较,如图4、图5所示图360km/h模拟风洞实验的速度矢量图Fig 3 Velocity vector of 60 km/h wind tunnelsimulation experiment图4改进前车身的纵向对称面Fig 4 Vertical symmetric plane of the original autobot从上述分析可以得出,在车身的车头与车尾处因为产生一些涡流的关系,流体速度相对较低;在引擎盖处流速急剧增加.当汽车在高速行驶时,这些局部涡流将影响到汽车的稳定性,并在引擎盖上方产生很大的阻力.以后的改进,就主要考虑到这3处图5改进后车身的纵向对称面通过软件计算得到60km/h速度下车身的 Fig 5 Vertical symmetric plane of the improved autobodyCD值,即△P3.2改进后的分析计算=0.3356外界环境相同的条件下,汽车的气动阻力系数C只与汽车外形形状有关,因此对于改进后的车依照以上的分析方法,在车速为100km/h型仅计算了60km/h风速下的风洞模拟计算时,再进行一次计算分析通过 Fluent计算得到改进后车身的气动阻力计算得到速度为100km/h时,车身的Cm系数Cm为值,即△P△P=0.3182=0.3358车头、引擎盖和车尾进行修改后得出的Cm值因为C≈Cm,在理论上表明,气动阻力系数较原始车身减小0.0174左右,说明原车型的气动C值只与汽车外形有关,与来流速度基本无关,或性能已经很好,修改的目的主要在于减少压力而产不会发生大的变化生的涡流,从而降低车身阻力图6为车身改进后模拟风洞实验的分析结果.由于网格划分比较细,3改进后的车身分析风洞图上几乎已经看不到车体了中国煤化工的感觉依旧,改3.1改进方法进后CNMH(而引起的涡流从风洞测试中发现奥迪TT轿车可能为了一减少了,引擎盖上的气动阻力也相对减少,改进取定的美观考虑,在车头引擎盖处和车顶部的风阻相得了显著效果212·上海工程技术大学学报第23卷经对改进后的车身进行再次仿真分析,并与改进7e+前的结果相对照,验证了改进方案的准确性和稳定性,可为车身设计提供参考67e+167e+们1参考文献:167c+t167e01[1]谷正气轿车车身[M.北京:人民交通出版社,200216e+4[2]潘锦珊.空气动力学基础[M].西安:西北工业大学出版杜,1995.图6改进后三维车身的速度矢量图[3]庄继德谢金法,高峰,等.三维湍流轿车外流场数值Fig 6 Velocity vector of the模拟[门].吉林工业大学自然科学学报,1999,29(4)three-dimension autobody[4]黄向东汽车空气动力学与车身造型[M].北京:人民4结语交通出版社,2000.[5]姜乐华,谷正气,黄天泽空气动力性最优化对未来汽本文以空气动力学理论为基础,对奥迪TT轿车外形设计的影响[J].汽车研究与开发,1997(5)车车身进行风洞试验的仿真分析,从中发现不足之25-2处,提出改进方案,以降低车身的空气阻力系数改[6]傅立敏汽车空气动力学[M]北京:机械工程出版进后的车身整体高度降低,一些连接处修改得相对社,1998平滑,并且在车头、引擎盖和车尾等部分都作了较大[7]许涛过学迅 Fluent在汽车工业中的应用[J.北京汽车,2006(5):39-41改进前后风窗与水平面夹角修改到了适当的角度,[s] EMMANUEL G. Computational study of flow前风窗为28°,而后风窗则为18°.前风窗与引擎盖和round a simplified car body[J] Journal of Wind Engi后风窗与车尾也作了平滑处理,使空气流体流动平neering and Industrial Aerodynamics, 2008, 96(6顺减少了风动阻力,提高了车身的稳定性中国煤化工CNMHG