摘要：通过结合计算机虚拟技术和实际风洞试验，对不同偏角的侧风状态下某SUV车型的空气动力特性进行研究，得到了不同侧风状态下整车的气动阻力系数、侧力和升力系数；试验结果表明，气动阻力系数、侧力和升力系数均随着侧偏角增大而增大。深入分析侧风对整车油耗、行驶稳定性以及气动噪声的研究提供了有利的参考。
关键词：空气动力；气动阻力；侧风；侧力；升力
中国汽车市场在经过10余年的高速发展后，消费者变得越来越理性，其对汽车产品的需求逐渐转向车辆的安全性、实用性、可靠性以及舒适性等，越来越苛求更低的气动噪声，以及高速行车的安全性和稳定性，特别是在不同的侧风影响下的稳定性。因此，开展侧风对整车空气动力性影响的研究意义迫切。通过对侧风偏角影响的研究，可以减轻驾驶员在补偿侧风产生的气动力矩所需额外的转向精力，从而更容易保证行驶的安全性；同时，通过结合计算机辅助技术对气动阻力、侧力、升力和能耗展开优化，可以有效的改善汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性，对汽车的设计开发具有重要的指导意义[1]。本文通过利用上海地面交通工具风洞中心对某SUV车型进行了空气动力性的测量，详细分析了不同侧风偏角下的整车气动特性；与虚拟仿真结果进行比较，良好的相关性也很好的验证了本次侧风对整车空气动力性影响研究的有效性和可行性。
1模型的建立及平台选择
1.1试验及仿真模型建立
在整车研发初期，一般会采用油泥模型进行风洞试验，但油泥模型存在较多的局限性，如：无法真实反映发动机舱的布置和气流通道；无法真实反映车辆底板以下的结构形状；无法真实反映车身外部的间隙和面差；无法模拟车轮的高速运转。因此其所得到的阻力、侧力、升力和能耗等数据的可参考性不高。为能尽可能获得更全面和准确的结果，本次试验模型采用完整整车，能真实的反映外形和细部尺寸、发动机舱、底盘、车轮以及车身附件；同时，考虑到与虚拟仿真对比的需求，CFD仿真模型也力求完整和准确，网格数在5300万，并选择了雷诺平均作为计算方法（该方法结合SST—K-Omega，能够很好的计算边界流场的情况，更为真实的反映流场的流动形态，从而提供更精确的分析结果[2，3]）。
1.2风洞试验模型
整车风洞试验的模型全部由气动天平支撑，如图1所示：整车模型和天平的连接通过车轮或限位装置，即在千斤顶位置，模型必须具备足够强度的固定点，各部分连接可靠，能够承载5000Pa的压力。
1.3空气动力学-气动声学风洞
为能准确的测量空气动力学的各项参数，需要采用更高精度的实验平台，如：大喷口、高流速、高精度、最低的壁面因素影响等；故选用上海地面交通工具风洞中心的回流式风洞作为本次研究的试验平台。该风洞具备高精度天平、风速测量、流道温度控制以及高速转鼓系统，其喷口尺寸（W×H）：6.5m×4.25m；喷口面积：27m2；收缩比：6；试验段长度：15m；风机直径：8.5m；输出功率：4MW；最大风速：250km/h。
1.4空气动力参数及坐标系定义
为便于测量，需对空气动力学相关系数、坐标系进行定义。如图2所示，依据SAE[4]标准，汽车风洞气动天平的测力中心在整车模型四轮着地点组成的矩形中心，6个力（矩）分量的正方向符合右手法则，相关定义如表1所示。汽车行驶中会遇到不同侧风的影响，同时行驶过程中的转向也会改变空气流动状态，在汽车表面形成不均匀的压力分布。如车辆A柱由于截面积增大而导致气流在此加速，并且伴随强烈的三维分离流动。因此，为便于对表面压力的测量和分析，需对气动压力系数Cps进行定义，公式如下:式中，Ps为汽车表面布置测得的表面静压力。
1.5测量工况
为实现更真实的模型实际道路工况，在完整整车状态下，增加对路面效应的考察；分别在-10°、-5°、0°、5°、10°、15°等6个侧风偏角（正负偏角的试验能更好的验证结果的可靠性），测量车辆在100km/h的速度下，气动阻力系数、侧力和升力系数及表面压力的变化。整车车辆的状态如图2所示。
2测量结果及分析
2.1侧风偏角对整车气动系数的影响
通过对某SUV进行整车风洞试验，分别获得-10°、-5°、0°、5°、10°、15°等6个侧风偏角的气动阻力系数、侧力系数和升力系数的结果，如表2所示。结果显示：-10°、-5°的结果与5°、10°的结果均为增大趋势，反映了本次试验条件及结果有很好的稳定性，保证了试验结果的准确性。对于整车风阻系数CD和升力系数CL，当偏角是0°、5°时的侧风影响较小，但偏角增大到10°时的侧风影响较大；而侧力系数Cs，则会随着偏角的变化而出现明显上升。由于气动阻力而产生的能耗Pdrag也随之增大。
2.2仿真与试验结果的对比
鉴于先进的CFD分析技术可以使新车型的空气动力学设计更加方便灵活、缩短开发周期，同时虚拟仿真在计算某些汽车流场时已经达到更高的精度。本文利用STAR-CCM+软件对该SUV整车进行不同侧风力的仿真分析，整车状态CFD分析采用与风洞试验室相同的边界条件进行仿真。图3为整车纵向中心对称面的仿真流态，从图中可以看出各流线之间不是等间距，而各流线之间间距的差异表明了升力的来源：间距近，则其流速高、静压低，产生与汽车行驶方向垂直的纵向力（升力），趋于将汽车提起，从而减小有效载荷；随之产生的俯仰力矩，则造成前后轴荷的转移。从图中也可以看出车身表面气动压力系数Cps的分布情况：格栅处有一驻点，经过驻点气流被加速，流向发动机罩盖，由于气流的加速，Cps值降低；随后，气流受到挡风玻璃的阻挡形成一个小的阻滞区，在阻滞区内Cps值增加；当气流经过前风窗，重新被加速，经过车顶到达顶盖后缘与后窗前缘时，开始减速，并发生了分离现象，Cps为负值，形成压差阻力本文仿真设置6种仿真工况，偏角范围从-10°到15°，每隔5°偏转。通过整车CFD虚拟仿真结果与试验结果比较（见表3），发现仿真结果中气动阻力系数与试验气动阻力系数仅差6～8个count，目前误差控制在2.5%以内；证明高精度的虚拟仿真可以对设计阶段的整车进行很有效的评估。
3结束语
本文通过试验对某SUV的气动阻力、侧力、升力系数以及阻力能耗进行研究，掌握在不同侧风偏角时各个系数和能耗之间的影响与关系；同时，结合虚拟仿真的手段，将仿真与试验结果建统计经济论文立关联。不仅能有效的对车辆的油耗、高速稳定性、气动噪声进行改进，同时能很好的基于计算机辅助手段，对优化方案进行快速的迭代，更快的寻找优化方案。
作者：宋名洋 单位：东南福建汽车工业有限公司
