基于空氣動(dòng)力學(xué)的車(chē)身改進(jìn)設計

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(dòng)力學(xué)的車(chē)身改進(jìn)設計范平清,趙波(上海工程技術(shù)大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院,上海201620)摘要:以?shī)W迪TT轎車(chē)為例,依據空氣動(dòng)力學(xué)理論,運用相關(guān)有限元軟件對原始車(chē)身進(jìn)行風(fēng)洞試驗仿真分析.從中發(fā)現不足之處,進(jìn)而提出改進(jìn)方案,以降低車(chē)身的空氣阻力系數.經(jīng)對改進(jìn)后的車(chē)身再次進(jìn)行仿真分析,驗證了改進(jìn)方案的準確性和穩定性關(guān)鍵詞:車(chē)身;空氣動(dòng)力學(xué);風(fēng)阻系數中圖分類(lèi)號:U463.821文獻標志碼: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(dòng)阻力直接影響汽車(chē)的動(dòng)力性和燃油的經(jīng)濟性隨著(zhù)汽車(chē)的高速化以及公路運輸的增加減1空氣動(dòng)力學(xué)與車(chē)身造型的關(guān)系少氣動(dòng)阻力日益顯得重要.氣動(dòng)阻力也是汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究的重要內容之一,它與車(chē)速的平方成正1.1氣動(dòng)阻力及其對汽車(chē)性能的影響比在影響汽車(chē)空氣動(dòng)力的各種因素中,車(chē)身造型眾所周知,車(chē)速越快空氣阻力越大.據測試,一占主導地位,這一點(diǎn)已從各家汽車(chē)公司及汽車(chē)研究輛以100km/h速度行駛的汽車(chē),發(fā)動(dòng)機輸出功率中心的風(fēng)洞試驗數據中得到了證實(shí).為此,改善汽的80%將被用來(lái)克服空氣阻力車(chē)行駛的空氣動(dòng)力性能,有效降低其高速行駛時(shí)所氣動(dòng)阻力是隨汽車(chē)正面面積、來(lái)流速度以及氣受到的空氣阻力就應該從改善車(chē)身造型做起.本動(dòng)阻力系數的變化而變化,汽車(chē)的正面面積取決于文以?shī)W迪TT轎車(chē)車(chē)身為例,運用空氣動(dòng)力學(xué)理論汽車(chē)的外形尺寸.為了更科學(xué)地衡量和評價(jià)汽車(chē)的對原始車(chē)身進(jìn)行風(fēng)洞試驗仿真分析使其降低車(chē)身氣動(dòng)阻力特性,常采用氣動(dòng)阻力系數來(lái)作為評價(jià)指氣動(dòng)阻力系數減小空氣阻力提高速度標,從而使得氣動(dòng)阻力系數目前成為衡量汽車(chē)氣動(dòng)中國煤化工收稿日期:2009-04-28基金項目:上海市教委培蕎優(yōu)秀青年教師科研專(zhuān)項基金資助項目(gd7022CNMHG作者筒介:范平清(1980-),女,山東秦安人,助教,碩士,研究方向為智能CAD,CAE/CAM應用上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報第23卷阻力特性的一個(gè)重要參數.理論上,它只與汽車(chē)外高為4178mm×1842mm×1352mm;軸距為形形狀有關(guān),與形狀大小和來(lái)流速度無(wú)關(guān),是一個(gè)2468mm;前/后輪距為1572mm/1558mm將轎無(wú)量綱數,也為做模型風(fēng)洞實(shí)驗提供了理論基車(chē)的3D模型以lGS格式輸入 GAMBIT中進(jìn)行前礎口.它被定義為氣動(dòng)阻力與氣流能量之比,即處理F△P(1)首先,對車(chē)身建立一個(gè)高4000mm,寬7000(1/2)mvS(1/2)pv2mm的流場(chǎng),即計算區域,確定車(chē)身底部離地距離式中:F,為氣動(dòng)阻力P為空氣密度;v-為氣流相為汽車(chē)輪胎高度,劃分網(wǎng)格對汽車(chē)的速度;S為汽車(chē)迎風(fēng)面積,也稱(chēng)正面面積,其次,刈邊界進(jìn)行定義,車(chē)頭方向設定為人口即不考慮球面角的影響;△P為汽車(chē)表面壓力與大邊界,車(chē)身后端設為出口邊界,壓強為零(相對于大氣壓力之差氣壓),在外框的頂部設定為頂面,車(chē)身及底邊設為近年來(lái),人們不斷重視燃油經(jīng)濟性,使得氣動(dòng)墻體.進(jìn)口和出口是為了確定流體進(jìn)與出的方向,阻力系數顯著(zhù)下降.當然這并不是無(wú)止境的,對實(shí)用乘用車(chē)而言,其氣動(dòng)阻力系數難以低于0.200)墻體則表示流體將無(wú)法通過(guò)的邊界1.2基于空氣動(dòng)力學(xué)考慮的理想車(chē)身造型再次,將完成模型設置以MSH的格式導入到在影響汽車(chē)空氣動(dòng)力的各種因素中,車(chē)身造型 Fluent環(huán)境中.車(chē)身和流場(chǎng)的三維網(wǎng)格如圖1占主要地位,以轎車(chē)為例基于空氣動(dòng)力學(xué)理論,為所示了減少空氣阻力系數,轎車(chē)車(chē)身設計大致遵循的規律,如表1所示表1理想的車(chē)身造型Tab. 1 The perfect autobody一4理想的車(chē)身遣型平整圓滑的車(chē)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(gè)最佳值.三菱公司認為前風(fēng)窗在30°左右而美國SAE810185標準卻認圖1車(chē)身和流場(chǎng)的3D網(wǎng)格為28°Fig. 1 The 3D meshes of autobody and flow field車(chē)頂的曲線(xiàn)高一些能夠降低Cn值,但是由22車(chē)身的空氣動(dòng)力學(xué)分析車(chē)頂于正投影面積增加,會(huì )增加迎風(fēng)面積,哪個(gè)影響大,要看具體情況在 Fluent里,對原車(chē)身進(jìn)行兩次分析,分別在車(chē)速為16.67m/s和27.78m/s(即時(shí)速60km/h從Co值的角度來(lái)看,三廂車(chē)最不好的地方就是尾部.近年來(lái),三廂車(chē)車(chē)尾的后窗與水和100km/h)下進(jìn)行計算分析.空氣的性質(zhì)設為標平面夾角越來(lái)越小,向后伸展到后備廂中準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(lái)越短和越來(lái)越高.后窗1.7894×105kg/m·s.在設定壓松弛因子、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值之間存在復雜的關(guān)格參數及其他流動(dòng)參數后,開(kāi)始迭代運算,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角有利于正面和兩側氣流的分離,使得車(chē)后形成穩定尾流區,利于T-velocity降低C值62原始車(chē)身模型分析中國煤化工60780CNMHG2.1轎車(chē)車(chē)身外型分析圖41U次達圖奧迪TT轎車(chē)車(chē)身的外型主要指標:長(cháng)×寬Fig 2 1000 cyelic iteration范平清,等:基于空氣動(dòng)力學(xué)的車(chē)身改進(jìn)設計211由圖2可見(jiàn),殘差曲線(xiàn)由上向下逐漸減少,說(shuō)對較大,而在車(chē)身頭部和尾部有一個(gè)相對較大的低明計算是收斂的,故比較精確壓區,形成了下行渦流為了改善空氣動(dòng)力特性,對然后,生成模擬風(fēng)洞實(shí)驗的速度矢量圖由于這3處進(jìn)行了修改.將車(chē)頭修改得相對平整,并降網(wǎng)格劃分比較細,風(fēng)洞圖上幾乎看不到車(chē)體了,如低車(chē)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(chē)頂和引擎蓋的線(xiàn)條盡量平滑;對于車(chē)尾部,為了降低CD值,將后車(chē)窗與水平面夾角定在18左右,使后車(chē)窗與車(chē)尾線(xiàn)條更加平滑,以便在不影響外觀(guān)的前提下抬高車(chē)尾).改進(jìn)前后車(chē)身縱向對稱(chēng)面的比較,如圖4、圖5所示圖360km/h模擬風(fēng)洞實(shí)驗的速度矢量圖Fig 3 Velocity vector of 60 km/h wind tunnelsimulation experiment圖4改進(jìn)前車(chē)身的縱向對稱(chēng)面Fig 4 Vertical symmetric plane of the original autobot從上述分析可以得出,在車(chē)身的車(chē)頭與車(chē)尾處因為產(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.當汽車(chē)在高速行駛時(shí),這些局部渦流將影響到汽車(chē)的穩定性,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(chē)身的縱向對稱(chēng)面通過(guò)軟件計算得到60km/h速度下車(chē)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(chē)的氣動(dòng)阻力系數C只與汽車(chē)外形形狀有關(guān),因此對于改進(jìn)后的車(chē)依照以上的分析方法,在車(chē)速為100km/h型僅計算了60km/h風(fēng)速下的風(fēng)洞模擬計算時(shí),再進(jìn)行一次計算分析通過(guò) Fluent計算得到改進(jìn)后車(chē)身的氣動(dòng)阻力計算得到速度為100km/h時(shí),車(chē)身的Cm系數Cm為值,即△P△P=0.3182=0.3358車(chē)頭、引擎蓋和車(chē)尾進(jìn)行修改后得出的Cm值因為C≈Cm,在理論上表明,氣動(dòng)阻力系數較原始車(chē)身減小0.0174左右,說(shuō)明原車(chē)型的氣動(dòng)C值只與汽車(chē)外形有關(guān),與來(lái)流速度基本無(wú)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(huì )發(fā)生大的變化生的渦流,從而降低車(chē)身阻力圖6為車(chē)身改進(jìn)后模擬風(fēng)洞實(shí)驗的分析結果.由于網(wǎng)格劃分比較細,3改進(jìn)后的車(chē)身分析風(fēng)洞圖上幾乎已經(jīng)看不到車(chē)體了中國煤化工的感覺(jué)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)現奧迪TT轎車(chē)可能為了一減少了,引擎蓋上的氣動(dòng)阻力也相對減少,改進(jìn)取定的美觀(guān)考慮,在車(chē)頭引擎蓋處和車(chē)頂部的風(fēng)阻相得了顯著(zhù)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(chē)身進(jìn)行再次仿真分析,并與改進(jìn)7e+前的結果相對照,驗證了改進(jìn)方案的準確性和穩定性,可為車(chē)身設計提供參考67e+167e+們1參考文獻:167c+t167e01[1]谷正氣轎車(chē)車(chē)身[M.北京:人民交通出版社,200216e+4[2]潘錦珊.空氣動(dòng)力學(xué)基礎[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版杜,1995.圖6改進(jìn)后三維車(chē)身的速度矢量圖[3]莊繼德謝金法,高峰,等.三維湍流轎車(chē)外流場(chǎng)數值Fig 6 Velocity vector of the模擬[門(mén)].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(chē)空氣動(dòng)力學(xué)與車(chē)身造型[M].北京:人民4結語(yǔ)交通出版社,2000.[5]姜樂(lè )華,谷正氣,黃天澤空氣動(dòng)力性最優(yōu)化對未來(lái)汽本文以空氣動(dòng)力學(xué)理論為基礎,對奧迪TT轎車(chē)外形設計的影響[J].汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā),1997(5)車(chē)車(chē)身進(jìn)行風(fēng)洞試驗的仿真分析,從中發(fā)現不足之25-2處,提出改進(jìn)方案,以降低車(chē)身的空氣阻力系數改[6]傅立敏汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)[M]北京:機械工程出版進(jìn)后的車(chē)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(chē)頭、引擎蓋和車(chē)尾等部分都作了較大[7]許濤過(guò)學(xué)迅 Fluent在汽車(chē)工業(yè)中的應用[J.北京汽車(chē),2006(5):39-41改進(jìn)前后風(fēng)窗與水平面夾角修改到了適當的角度,[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(chē)尾也作了平滑處理,使空氣流體流動(dòng)平neering and Industrial Aerodynamics, 2008, 96(6順減少了風(fēng)動(dòng)阻力,提高了車(chē)身的穩定性中國煤化工CNMHG