摘 要：试验研究了车辆在侧风、机舱风阻、地面效应、轮胎转动等情况影响下的车辆空气动力学性能，测量了车身表面压力系数、风阻系数、侧向力系数及升力系数；通过计算机流体动力学（CFD）仿真与试验相关性研究，总结出了影响CFD分析精度的主要因素。
关键词：空气动力学；风阻系数；表面压力系数；相关性
中图分类号：U467.1+3文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.01.011
Aerodynamics Test and CFD Research of Sedan Vehicle
Pei Jianjie1，Liu Peng2
（1. Mechanical Science Research & Design Institute of Hebei Province，Shijiazhuang，Hebei 050051，China；2. R&D center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Technical Center of Hebei Province，Baoding，Hebei071000，China）
Abstract ：This paper presents the aerodynamics test and computational fluid dynamics（CFD） simulation of a sedan car. The paper studied the influences on aerodynamic performance considering the factors of side wind, engine-hood resistance, ground effect, tire turning etc. The paper also measured the coefficients CD, CS, CL and the pressure for 16 cases, and the measurements were compared with CFD simulations.
Keywords：aerodynamic； coefficient of drag；pressure coefficient；correlation
汽车低速行驶时，只考虑汽车所受地面阻力就足够了，汽车所受的气动力常常可以忽略；当车速在100 km/h时，发动机80%的动力用来克服气动阻力，整车空气动力学性能提高10%，油耗就会降低4%～5%；当汽车高速会车或有侧向风影响时，由于高速气流的侧向气动力作用，汽车将会出现操纵稳定性问题，甚至有可能出现严重的交通事故，所以研究车辆的气动性能对提高车辆的动力性、燃油经济性及操控性具有重要意义[1-2]。
1 空气动力学试验研究
世界汽车工业发达国家(如美国、日本、德国等)都十分重视汽车空气动力学理论和试验的研究。风洞试验历来是进行汽车空气动力学研究最传统、最有效的方法。据统计，为获得良好的气动外形，国外每款大批生产的轿车都需经过1 000 h以上的风洞试验[3]。
根据SAE J1594标准的定义，汽车风洞气动天平的测力中心在汽车模型4轮着地点组成的矩形中心，6个力(矩)分量的正方向如图1所示，气动力系数的定义见表1。
其中D为阻力、S为侧向力、L为升力、PM为俯仰力矩、YM为偏航力矩、RM为滚转力矩、WB为轴距。
为验证和优化某轿车的空气动力学性能，在同济大学上海地面交通工具风洞中心的气动-声学整车风洞进行了空气动力学试验，如图2所示。该风洞主要技术参数：喷口尺寸/面积为27 m2（宽 6.5 m，高4.25 m)；最大风速为250 km/h；62通道压力扫描阀。
在选定的汽车表面布置的测压点（62个）可以测量相应位置的表面静压力Ps，无量纲化的压力系数定义
．
不同风速下的风阻系数见表2，风阻系数从80 km/h到160 km/h减小约0.005，说明雷诺数效应比较小。
2 机舱进风阻力及地面效应对车辆风阻系 数的影响
由于前保险杠进风口的开口大小和格栅角度，散热器、冷凝器及机舱部件对气流的阻力，轮毂的形状及轮胎的花纹，地面效应，气坝的安装高度和形状，尾翼的形状和角度等对车辆的气动性能均有不同程度的影响[1,6]，所以本次试验按照表３进行组合试验，以研究路面效应、机舱进风阻力对车辆风阻系数的影响程度。
从试验结果来看，路面效应对车辆的风阻系数有0.006～0.01的影响，机舱的进风阻力对风阻系数有比较大的影响，在0.04左右。
3 侧向风对车辆风阻系数及升力系数的影响
由于汽车车身上部和下部气流流速不同，使车身上部和下部形成压力差，从而产生升力和纵倾力矩，气动升力对汽车高速行驶稳定性的影响很重要，即使在无风时，当轿车车速达到160 km/h，气动升力也可以轻易地达到车重的20%～25%。当有横向风时(通常状况下是有横向风的)，由于阵风的作用，气动升力的影响会更大，这样就会使汽车产生危险和转向问题[3-4]。车辆在-10°～25°偏角下的风阻系数、侧向力系数及升力系数见表4。
从试验结果来看，随着侧偏角的增大风阻系数在增大，偏角超过10°以后对侧向力和升力系数有较大的影响，在设计前期需要考虑其对操纵性的影响。
4 车身表面压力系数分布
车身表面的压力系数分布可以反映车身气动性能设计是否合理。图3为车身表面各压力测点的布置，保险杠1～4点处为较高正压分布，利于机舱冷却进气，机舱盖5～10点为负压，前风挡玻璃11～15点为正压，顶棚至后风挡玻璃及车身侧围大部分为负压，而后保险杠左右侧面44点处出现了较高的正压，提升了车辆的气动性能，机舱内的55～62点在中网封闭前后表现出正负不同的压力，在后续的CFD分析中可以作为考虑机舱通风时的对标参考数据。具体压力系数如图4所示。
5 空气动力学试验与仿真的相关性研究
汽车空气动力学研究主要有两种方法，一种是进行风洞试验，另一种就是利用CFD软件进行数值模拟。传统的风洞试验结果一般可靠性比较高，但由于它有许多局限性，如成本高、周期长等缺点，阻碍了它在汽车设计中的应用。
与风洞试验相反，CFD软件几乎克服了它的所有局限性。目前，CFD软件可以分析从层流到湍流、定常到非定常、不可压到可压、无粘性到有粘性的几乎所有的流动现象。先进的CFD分析技术使新车型的空气动力学设计更加方便灵活，开发周期也得以缩短[7-9]。
CFD软件最主要的问题在于精度不如风洞试验，但目前许多大型商业通用软件已经很好地解决了这一难题，而某些专用的CFD软件在解决某些汽车流场计算时可以达到更高的精度。
基于国内在车辆空气动力学方面的研究现状，现阶段开展该方面的试验与仿真相关性研究是非常必要的。
选定流体计算域车前2倍车长，车后4倍车长，宽度共6倍车宽，高度为5倍车高（图5）；同时分6种方案（表5）对车身及机舱进行有针对性的流体网格细化，边界层设3层，总厚度为4.6 mm（图6），以研究模型细节对风阻系数和车身压力系数的影响。设定进口风速为120 km/h，模型中模拟路面效应及轮胎的转动，选用k-ε湍流模型。
整车湍流能分布如图7所示，除车轮、后视镜部位以外，车身其它部位不存在湍流分离再附着现象，车身外形设计合理。
提取上述6种仿真分析的结果，其中仿真与试验的风阻系数对比见表6。各仿真分析的风阻系数比试验测试偏大，误差均在5%以内，且误差随网格数量的增加而减小。 其中各测点的压力系数对比如图8所示，主要误差在前风挡玻璃雨刮器、后风挡玻璃下沿处，产生误差的主要原因是该处涡流剧烈，仿真模型的网格密度不足及选取的湍流模型的局限，无法捕捉真实的流动情况。其它部位的压力系数误差均在5%以内。
6 结论
对某轿车的空气动力学性能进行了试验研究，同时进行了部分试验与仿真的相关性分析，结论如下：
（1）试验表明该款车型的风阻系数为0.30，在同级别的车型中优势明显，通过优化前保险杠、底盘导流板、增加气坝等可以进一步降低该车的风阻系数。
（２）机舱内的通风风阻对车辆的风阻系数有较大影响，在设计中需要对发动机冷却进行合理匹配，以合理控制进入机舱内的冷却空气流量，达到降低整车风阻的目的。
（3）空气动力学仿真模型的网格数量对计算精度有重要影响，建模时需要对前保险杠、雨刮器、A柱、后视镜、尾部等进行网格细化，以充分捕捉流动细节；同时机舱内散热器、冷凝器的风阻系数需要试验的精确测量，也是影响仿真精度的重要因素。
（4）整体来说试验与仿真的相关性较好，但局部细节需要进一步研究。
（5）车辆的侧风稳定性是衡量车辆高速状态下的重要性能指标，对升力系数和侧向力系数的测试和计算需要进一步研究。
参考文献(References):
傅立敏.汽车空气动力学[M]. 北京：机械工业出版社，1998.
Fu Limin.Automobile Aerodynamics[M]. Beijing：China Machine Press，1998.(in Chinese)
傅立敏，汽车尾迹涡的形成及其控制[J].汽车工程，2000，22(1)：13-16.
Fu Limin. Vehicle Trail Turbulence Form and Control [J]. Automotive Engineering，2000，22 (1)：13-16.(in Chinese)
姜乐华，谷正气. CFD 在汽车空气动力学研究中的应用[J].湖南大学学报，1997，24(4)：52-56.
Jiang Lehua，Gu Zhengqi. Application Research in Automobile Aerodynamics of CFD[J].Journal of Hunan University，1997，24(4)：52-56. (in Chinese)
王夫亮，傅立敏. 侧风对轿车气动特性影响的数值模拟研究[J].哈尔滨工业大学学报，2006，38(8)：1255-1258.
Wang Fuliang，Fu Limin.Numerical Simulation of the Crosswind Effects on the Aerodynamic Performance of a Sedan[J]. Journal of Harbin Institute of Technology，2006，38(8)：1255-1258.(in Chinese)
韩善灵，朱平，林忠钦. 侧向气动力对汽车稳态响应的影响[J].上海交通大学学报，2005，39(9)：1445-1448.
Han Shanling，Zhu Ping，Lin Zhongqin.The Influence of Lateral Aerodynamics on Stationary Response of a Vehicle[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University，2005，39(9)：1445-1448. (in Chinese)
CHADWICK A，GARRY K，HOWELL J.Transient Aerodynamic Characteristics of Simple Vehicle Shapes by the Measurement of Surface Pressures [C]. SAE Paper 2000-01-0876.
谷正气. 汽车车身外流场的数值计算与应用研究[D].长沙：湖南大学，1994.
Gu Zhengqi. The Research of Automobile Aerodynamic Numerical Calculation and Applications [D]. Changsha：Hunan University，1994. (in Chinese)
傅立敏. 轿车外形参数对空气动力特性参数的影响[J]. 吉林工业大学学报，1997，27(4)：11-14.
Fu Limin.The Effect of the Vehicle Shape Arguments on the Aerodynamic Characteristics[J].Journal of Jilin University of Technology，1997，27(4)：11-14. (in Chinese)
罗建曦，张扬军.汽车底部复杂流场数值模拟[J]. 汽车工程，2003，25(4)：330-333.
Luo Jianxi，Zhang Yangjun.Numerical Simulation on Complex Flow Field under Vehicle [J]. Automotive Engineering，2003，25(4)：330-333 . (in Chinese)
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