微型客车气动阻力性能研究及优化设计.pdf

．设计． 计算 ． 研究 ． 微型客车气动阻力性能研究及优化设计 左辉辉 吕俊 成 上汽通用五菱汽车股份有限公司 【 摘要】 综合利用计算流体力学数值仿真分析与风洞试验验证相结合的方法对某量产微型客车进行整车全细节 空气动力学仿真分析和研究。对 比分析前保险杠 、 后视镜 、 车窗等零部件对气动阻力的影响。研究表明 ， 采用优化前 保险杠并增 加导流板 、 修 改后视镜造型 、 车窗一体化设计等方 案 ． 可使该车气动 阻力系数减少约 6 ％。 主题词 微型客车计算流体力学气动阻力优化 中图分类号 U 4 6 9 ． 1 l 文献标识码 A文章编号 1 0 0 0 3 7 0 3 2 0 1 3 0 1 0 0 3 0 0 4 Re s e a r c h a n d Op t i mi z a t i o n De s i g n o f Ae r o d rn a mi c Dr a g Pe r f o r ma n c e o f M i n i -c o m m e r c i a l Ve h i c l e Z u o Hu i h u i ，L v J u n c h e n g S AI C - GM- Wu l i n g Au t o mo b i l e C o ． ， L t d ． 【 A b s t r a c t ] T h r o u g h t h e c o m b i n e d m e t h o d s o f c o m p u t a t i o n a l fl u i d d y n a m i c s C F Ds i m u l a t i o n a n a l y s i s a n d w i n d t u n n e l t e s t v e ri fi c a t i o n ，a e r o d y n a mi c s i mu l a t i o n s t u d i e s a r e c o n d u c t e d o n mi n i - c o mme r c i a l v e h i c l e i n f u l l d e t a i l ． Co mp a r a t i v e a n a l y s e s a r e ma d e r e g a r d i n g t h e i mp a c t s o f v e h i c l e p a r t s a n d c o mp o n e n t s s u c h a s t h e f r o n t b u mp e r ， r e a r v i e w ma n o r ，a n d w i n d o ws o n a e r o d y n a mi c d r a g p e r f o r ma n c e ．Re s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t a e r o d y n a mi c d r a g c o e ffic i e n t c a n b e r e d u c e d b y a p p r o x i ma t e l y 6 ％ wh e n s o l u t i o n s l i k e o p t i mi z i n g t h e f r o n t b u mp e r ． a d d i n g d e fl e c t o r ． a l t e rin g t h e s t y l i n g o f t h e r e a r v i e w mi r r o r a n d d e s i g n i n g i n t e g r a l wi n d o w s are a d o p t e d ． Ke y wo r d s M i n i - c o mme r c i a l v e h i c l e ， CF D， Ae r o d y n a mi c d r a g ， Op t i mi z a t i o n 1 前言 2 有 限元模型 随着微型客车体积增大和车速提高 ．其减阻研 究越来越重要 在车辆高速行驶过程 中气 动阻力 风阻 相 当于滚动阻力 的 2 ～ 3倍 ． 用于克服气动阻 力的燃油消耗量 占3 2 ％以上．而气动阻力系数 降低 3 0 ％可以降低油耗 1 2 ％左右l l l 目前 国内外对轿车气 动阻力的研究和应用已经非常深 入 ． 但是对微型 客车气动阻力的研究和应用相对较少 吉林大学汽 车汽车仿真与控制国家重点实验室对带有专用货箱 的中重型厢式货车添加减阻装置的研究表明 加装 导流罩能够有效降低气动阻力 1 8 ． 9 ％～ 4 4 ％ [5 】 。 这对微 型客车添加前导流板具有指导意义 湖南大学汽车 车身先进设计制造国家重点实验室研究了某轿车后 视镜形状和相对车身横向距离对气 动阻力的影 响． 结果表 明 后视镜 占整车气动阻力 的 4 ． 0 8 ％， 经过优 化气动阻力系数下降 2 ． 7 6 ％ 同 本文以某微型客车为 基础 ． 以降低其气动阻力为 目的， 通过计算流体力学 C F D 数值仿真和风洞试验 ， 对该车添加前导流板、 优化后视镜等多种减阻方式进行研究。 一 3 0 2 ． 1 基 本理 论 本文采用的 P 0 w e r F L O W 是 由美 国 E X A公司开 发 的 基 于格 子 玻 尔 兹 曼 方 法 L a t t i c e B 0 I t z m a n n Me t h o d 的 C F D软件 ． 可 以实现用全离散计算模 型 代替风洞试验[ 7 1 由格子气模型嘲 对玻尔兹曼运输方程进行离散 求解 ， 得到格子玻尔兹曼方程[ 9 1 f x e ， t 1 - f ／ ， t Q 1 式 中 ， t 为平均分布函数 ， 下标 i 表示粒子 的某 个运动方向； e 为各方 向上的微观速度矢量 ； Q 为引 入 的碰撞项 由于碰撞项 Q 计算量 巨大 ， B h a t n a g e r 、 G r o s s 和 K r o o k于 1 9 5 4年提出了简化的碰撞模式 ． 将玻尔 兹曼方程简化为 筹 叼 2 0 、 式 中． 为分子碰撞时间，又可称为松弛时间 ； 为 局部平衡分布函数 。 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．设计． 计算 ． 研究 ． 表 3仿真分析与风洞试验气动阻力系数对比 模 型 基础模型 第 1次优 化 第 2次优 化 第 3次优化 分析方法 仿真 试验 仿真 试验 仿真 试验 仿真 试验 气动阻力系数 0 ． 3 9 3 0 ． 4 0 3 0 ． 3 7 8 0 ． 3 8 8 0 ． 3 7 6 0 ．3 8 7 0 ． 3 6 9 0 ． 3 7 9 变化百分 比 - 3 ． 8 ％ - 3 ． 7 ％ - 4 _ 3 ％ - 4 ． 0 ％ 一 6 ． 1 ％ - 6 ． O ％ 仿 真与试验误差 2 ． 5 8 ％ 2 ． 8 4 ％ 2 ． 6 4 ％ 能 ， 找出潜在的优化改进 区域 。 同时采用优化前保险 杠并添加前导流板 、 修改后视镜造型 、 进行车窗一体 化设计等减阻方案减小了整车气动阻力系数约 6 ％． 并且在风洞试验 中得到验证 ． 其误差小于 3 ％ 本次优化改型方案已经在某量产微 型客车上得 到应用 根据用户的反馈 ． 优化后的车型在造型上更 加美观 ． 且可降低 3 ％～ 6 ％的油耗。 参 考 文 献 1 傅立敏． 汽 车空气动力学． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 6 ． 2 高歌．概念 车身局 部参数化建模与 C F D仿真一体化研究 与应用 【 学位论文】 ． 长春 吉林大学 ， 2 0 0 8 ． 3 H u c h o W H ． A e r o d y n a mi c s o f R o a d V e h i c l e s 4 t h e d ． S A E I n t e rna t i o n a l ， Wa r r e n d a l e ， P e n n s y l v a n i a ， 1 9 9 8 ． 4 傅立敏 ． 蔡国华． 降低国产轿车阻力 的风洞试验研 究． 空气 动力学学报 ， 1 9 9 8 。 1 6 2 1 4 7 ～ 1 5 3 ． 5 王新字 ， 王登 峰 。 范士杰 。 等． 商用 车空气动力 学附加装置 减阻技术的研究及应用． 机械工程学报 ， 2 0 1 1 ， 4 7 6 1 0 7 ～ 2 ． 6 袁 志群 ． 谷正气 ． 卢克龙． 汽车后视镜气 动干涉阻力特性 的 数值计算研究． 湖南工业大学学报 ， 2 0 1 0 ， 2 4 3 8 1 ～ 8 5 ． 7 程 雪玲 ． 胡非 ． 赵松年 ． 等． 格子玻尔 兹曼 方法及其在大气 湍 流研究 中的应用． 地球科学进展 ， 2 0 0 7 ， 2 2 3 2 4 9 ～ 2 6 0 ． 8 Ha My J ， P o me a u Y， P a z z i s 0 D．Mo l e c u l a r D y n a mi c s o f a C l a s s i c a l L a t t i c e G a s T r a n s p o r t P r o p e r t i e s a n d T i me C 0 r r e l a t i o n F u n c t i o n s ． P h y s i c s Re v i e w A， 1 9 7 6， 1 3 1 9 4 9 ～1 9 6 0 ． 9 栗 怀广．钝体空 气动力学 的格子玻尔兹曼 方法 f 学位论 文1 ． 成都 西南交通大学 ， 2 0 0 9 ． 1 0 B h a t n a g e r P， Gr o s s E P， K r o o k M K． A Mo d e l f o r C o l l i s i o n P r o c e s s i n G a s e s ． P h y s i c s Re v i e w， 1 9 5 4， 9 4 5l 1 ． 1 1 Hi g u e r a F， J i me n e z J ， S u c e i S ． L a t t i c e G a s Dy n a mi c s w i t h En h a n c e d Co l l i s i o n ． E u r o p h y s i c s L e t t e r s ， 1 9 8 9， 9 3 4 5 ． 1 2 王一伟 ． 王 洋 ， 安亦 然 ， 等． 基于 L B M方 法的高速列 车空 气动力学计算． 中国科学 ， 2 0 0 8 ， 3 8 1 1 1 7 9 5 ～ 1 8 0 4 ． 责任编辑晨曦 修改稿收到 日期为 2 0 1 2年 8月 1日 上接 第 2 9页 21 0 2 2 0 2 3 0 2 4 0 预紧力／ k N 图 1 1 预紧工况不 同测点应力值变化 1 6 0 墨1 4 0 1 2 0 H 1 0 0 8 0 6 0 1 7 1 8 l 9 2 O 爆发压力／ MP a 4号 片 5号 片 6号 片 *7号片 图 1 2 爆发工况不 同测点应力值变化 分析表 1 、 表 2及图 9发现 ， 气缸盖顶板测点位 置在安装过程中产生的应力约 占气缸盖顶板整体应 力值 的 7 5 ％～ 8 5 ％ 框架加强筋顶面上主应力方 向均 2 0 1 3年第 1 期 沿框架筋板走 向分布 ． 即采用框架顶板结构 ， 使整个 气缸盖的应力都集 中在加强筋上 ．保证了顶板的可 靠性 ； 爆发工况时气缸盖顶板应力幅值变化较小 ， 因 此 动态 载荷较 小 。 5 结束语 运用有限元法对某发动机四气 门单体气缸盖顶 板的承载方式进行分析研究表明．气缸盖顶板在预 紧工况的应力值约 占顶板整体应力 的 7 5 ％～ 8 5 ％。针 对高应力区进行顶板优化设计研究发现．采用带有 加强筋板的框架顶板结构形式可以改善并改变顶板 的承载方式 ，提高顶板的可靠性。并通过试验验证 了分析的准确型 ．为四气 门单体气缸盖顶板的可靠 性设计提供了依据 参 考 文 献 1 张儒华 ． 左正兴 ． 廖 日东． 等． 气缸盖中一些关键结构的承 载机理研究． 内燃机学报 ， 2 0 0 4 ， 3 ． 2 2 ． 2 陈 山．于怀 明． 气缸 盖结构改进设计分析 ．山东 内燃机 ． 20 03， 4． 责任编辑展曦 修改稿收到 日期 为 2 0 1 2年 9月 2 6日。 一 3 3 一 ∞ 加 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 0 B d 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m