风阻系数的改善研究，汽车底部流场分析

多情剑客无情剑

1 引言
整车空气动力性对汽车的动力性、经济性和操控安全性都有直接影响。随着绿色节能思想在我国的逐渐深入，汽车空气动力性已成为汽车设计时所考虑的重要特性，而风阻系数是影响整车空气动力性的重要因素之一。改善汽车的风阻系数不仅可以改善汽车的动力性，同时还可以提高燃油经济性等性能。本文以某车型作为实车模型，借助计算流体动力学（CFD）仿真手段对汽车底部的空气流场进行分析，研究改善风阻系数的结构方案，并对各种方案进行评估，对比其压力云图、速度矢量图、整车风阻系数等关键参数，为汽车底部护板类结构设计提供依据。
2 风阻系数对燃油经济性的影响
而根据研究表明，小型客车用于克服气动阻力的燃油消耗量为50%左右，空气动力性良好的轿车，其风阻系数可以达到0.3，比一般轿车的0.4下降了约25%，燃油经济性可改善12%左右。假设一般家用轿车按每年行驶20000公里，则每年节省燃油消耗量约为180L左右，节油成本还是比较可观的。
3 风阻系数的改善研究
3.1 汽车底部流场分析
下面以某实际开发车型为例，研究汽车风阻系数的改善方案。
首先在汽车底部没有安装任何改善空气动力性的结构时，用CFD仿真手段对某实车模型进行流场分析，得出整车的压力云图如图1所示。分析图1可以得到以下信息：
区域a为汽车发动机底部区域，该区域内压力情况较复杂，压力不均匀，判断此区域存在涡流现象；
区域b为车轮前部区域，该区域所受气流压力面积较大，增加了车轮的能量耗损；
区域c为后悬架与油箱前部区域，气流流经该区域时对汽车底部的压力有增加。
3.2 发动机下护板对风阻系数的影响
3.2.1 方案分析与模型建立
对图1中a区域的压力云图进行分析。该区域位于汽车发动机底部，由于发动机本体形状复杂，所以该区域平整程度较差，并且与机舱相通，流经汽车底部的气流容易在此区域处形成紊流，导致此区域部件所受气流压力情况复杂。因此考虑在此区域底部增加护板结构，该护板可以使发动机底部变得平整封闭。安装发动机下护板后的实车模型如图2所示：
3.2.2 压力云图及中截面矢量图对比
如图3所示，增加发动机下护板后，利用CFD仿真手段，对比安装前后发动机底部区域压力云图，可以看到该区域部件所受压力不仅变得均匀，而且还有一定程度的减小。
进一步对比安装发动机下护板前后整车的中截面矢量图可以看出，安装发动机下护板后，整车的紊流现象也有明显改善，汽车尾部真空区减小，同时压差阻力小。
3.2.3 风阻系数对比
同时用软件对发动机下护板安装前后的风阻系数（Cd值）进行计算，得出对比结果如表1所示：
从表1可以看出，在相同迎风面积前提下，采用增加发动机下护板方案后，整车风阻系数降低了0.009，降低幅度约为2.54%。
3.3 汽车轮胎前部扰流板对风阻系数的影响
3.3.1 模型建立与压力云图对比
分析图1中b区域的压力云图可以看到，汽车底部气流在车轮前部形成了较大压力区，压力区越大则该区域紊流现象将会越明显。因此考虑在轮胎前部增加扰流板结构，减小车轮前部所受气流压力区面积，从而改善车轮所受阻力，增加前轮扰流板后的实车模型如图4所示：
从图4可以看出，车轮前部增加扰流板后，气流对车轮前部的压力区面积明显减小，车轮所受紊流影响也相应减小。
3.3.2 风阻系数对比
利用CFD对前轮扰流板安装前后的风阻系数（Cd值）进行计算，得出对比结果如表2所示：
从表2可以看出，采用增加前轮扰流板方案后，整车风阻系数降低了0.010，降低幅度约为2.76%。
3.4 地板扰流板对风阻系数的影响
3.4.1 模型建立与速度矢量图对比
分析图1中c区域的压力云图可以看到，当汽车底部气流运动到油箱和后悬架区域时，该区域内部件所受压力有所增加，因此考虑在此区域前增加扰流板结构，减小此区域所受气流压力区面积，增加地板扰流板后的实车模型如图5所示：
从图5可以看出，汽车增加地板扰流板结构后，油箱与地板间隙处本来存在的涡流现象消失。
3.4.2 风阻系数对比
利用CFD对地板扰流板安装前后的风阻系数（Cd值）进行计算，得出对比结果如表3所示：
从表3可以看出，在相同迎风面积前提下，采用增加地板扰流板方案后，整车风阻系数降低了0.005，降低幅度约为1.43%。
4 结论
通过以上改善汽车风阻系数的方案可以看出，在汽车底部采用增加汽车发动机下护板、前轮扰流板、地板扰流板等结构后，整车风阻系数改善是较为明显的，并得出以下几条结论：
1）当汽车底部平整度较差时，可以增加护板类结构尽量使得底部平整封闭，可以有效减少涡流现象和整车的压差阻力，从而降低风阻系数；
2）对汽车底部受气流冲击较大的区域如轮胎、悬架前部等，可以增加扰流板来降低此区域所受气流压力，减轻紊流现象从而降低风阻系数。