图９是随着后风窗倾角变化的汽车尾部湍流动能云图， 湍流动能是湍流强度的度量，是流动稳定性的标志。从图９ 中可以看出，湍流动能强度在不同的后风窗倾角下均发生了 变化，从而导致了尾部涡强度的变化，使得阻力系数ｃ。随之 而变化。在ｙ＝３２。时，尾部湍流动能强度较大，而在ｙ＝２５０ 和ｙ＝７００时尾部湍流动能强度则明显减小。 来了由升力引起的诱导阻力的降低，气动阻力因此得到降 低。但是随着尾部上翘角的进一步增大，车身尾部的流场结 构发生了改变，尾部的负压区域范围由此改变，这势必将影 响汽车前部和尾部的压力，阻力系数又随之有了明显的 上升。
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ｃ）Ｂ＝８。
（ｒ１）Ｂ＝１２０
图７发动机罩倾角变化下汽车前部压力 图５前风窗倾角变化下汽车前部压力云图
在传统汽车的设计中，由于发动机一般都为前置，因此 仅从空气动力学的角度看，前风窗倾角应该是越小越 好，但是过小的前风窗倾角会影响到驾驶员的视野范围，因 此在实际汽车车身外形设计时必须综合考虑气动特性与乘 驾性能的要求。 ５．２发动机罩倾角 通过改变１３，使其从００变化到１６０来研究发动机罩倾角 对气动阻力的影响。从图６的气动阻力系数随发动机罩倾 角变化的影响曲线中可以看出，随着１３的增大，阻力系数随 之有明显的降低趋势。 图７是随着发动机罩倾角变化的汽车前部压力云图。 发动机罩倾角的设计必须考虑到发动机尺寸，较大的发动机 罩倾角可能会影响发动机的布置归Ｊ。但是对于电动汽车而 言，由于没有发动机，因此为了降低气动阻力，在不影响外观 美学的前提下，发动机罩倾角的设计能有更大的余地和 空间。 ５．３后风窗倾角 从图８的阻力系数随后风窗倾角变化曲线中可以清晰 的看出，在ｙ＜３２。时，气动阻力系数ｃ。随着ｙ的增大而显著 增大；在ｙ＝３２。时，Ｃｄ达到最大值；在＇，＞３２。时，ｃｄ随着ｙ 的增大而减小，但是减小的幅度不大，并最终趋向于一个不
—ａ—ｕｉ：０ （１）
以准确计算前后压差阻力，所有模型网格数量均在１３００万
左右。图２给出了流场区域的纵向对称面网格。
功量万栏：
图２流场区域的纵向对称面网格示意图
ｉ２一纛＋瓦Ｉｐ孤ｉ—ｕ’一’』Ｊ＋≮ ｐ詈协警＝一詈＋毒（ｐ Ｏ孤ｕ４－ｉｔ—Ｐ瓦）氆
ｐｉ＋ｐｔ
湍流动能ｋ方程：
（２）４．２边界条件的设定 所有计算模型均被放置在一个１４倍车长×１０倍车宽×
万方数据
车气动外形设计特别是电动汽车提供理论依据和参考。 ２流场控制方程
汽车周围的流场是个定常、不可压缩、三维粘性流场。 理论上表达流体运动规律的方程是Ｎ—ｓ方程，但是由于其 直接求解存在很大的难度，因此工程上广泛采用雷诺时均方 程，为使方程封闭本文采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ ｋ一￡模型Ｈ１。用ＣＦＤ 上的仿真原理正是借助于商业软件的现有程序迭代求解雷 诺时均方程。 连续性方程：
一１ ８６— 万方数据变值０ ３ NhomakorabeaＯ ３ ｌ
Ｏ ０ ０ Ｏ ０ ０ ，ｆＪ爨懈ｒｆ莲 ０ ０ Ｏ Ｏ Ｏ ０
，． ，．，－ ，－ ．１－ ‘，．
９ ９ｒ、４ ９１ ８８ ８５ ８２ ７９ ７６ ７３ ７０ ６７ ６４ ：Ｏ：５ ３０ ３５４０４５ ５０ ５５ ６０ ６５ ７０ ７５ ８０ ８５ ９０ ９５ １ 一－辍垛弋崮
４．１网格的划分 基于前期进行过的有关汽车气动阻力ＣＦＤ仿真网格无 关性的研究Ⅲ，本文采用由六面体、四面体以及三棱柱与金 字塔组成的非结构化混合网格‘８｜，并在整车周围加密网格，
窗倾角变化曲线中可以看出，气动阻力系数随着前风窗倾角 的增大而增大。但是当ｄ降低到３０。以下时，气动阻力系数
Ｃ。便没有明显的变化，稳定在０．２８６５左右。
在汽车的发动机罩前缘处，随着发动机罩倾角的增大，负压
区域减小且压力升高，可见由于汽车前部对气流的阻挡面积 减小，使得气流能够更顺利的沿着发动机罩向后流动，分离 现象得到减弱，气流速度增大。而“死水区”的面积没有明显 的变化，但是区域内的高压在减小。这都导致了汽车前部压 力逐渐降低，前后压差减小，阻力系数随之有明显的减小。
能有很大的影响，因此如何设计良好的汽车外形从而减小气 动阻力是汽车整车开发过程中非常重要的环节之一。尤其 是对于电动汽车，由于其与传统汽车结构存在较大的区别，
完全可以对车身外形进行改变，达到使汽车的气动阻力降到
很小。 对于传统汽车，前风窗倾角、发动机罩倾角、后风窗倾角
基金项目：面向中美清洁能源合作的电动汽车前沿技术研究 （２０１０ＤＦＡ７２７６０—４０５） 收稿日期：２０１２—１２一１１修回日期：２０１３－０１一０２ －－－－——１ ８４－－－－——
的气动阻力均有明显的减小或增大的趋势，发动机罩倾角对气动阻力的影响最大，尾部上翘角影响次之，随后是后风窗倾 角，影响最小的是前风窗倾角。
关键词：典型角度；计算流体力学；仿真分析；正交试验；气动阻力 中图分类号：ＴＩＢ９１．９ 文献标识码：Ｂ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｔｙｐｉｃａｌ Ａｎｇｅｌｓ
一】８５— 万方数据
０．２９１７ ０．２９１１ ０．２９０５ ０．２８９９ Ｊ ０．２８９３
７
０．３０８２ ０．３０５２ Ｏ－３０２２ Ｏ．２９９２
薰０．２８８７
三０．２８８１
４ ０．２８７５ ０．２８６９ Ｏ．２８６３ ０．２８５７ ：４二８ ３二３６ ４０ ４４ ４８ ５２ ５６ ６０ ６４
藿０＿２９６２
０ ３ ０ ３ Ｏ ２ Ｏ ２ ｌ
Ｏ２
Ｏ
２
Ｏ２ ０２
科董；ｌ鬟嗡；耋暮ｉ謇｜Ⅸ哪踟叭§耋
ｏ ２ ４ ６
８
ｌＯ
１２
１４
１６
１８
２０
尾部上翘角ｏ／ｏ
后风窗倾角１／。
图１０
阻力系数随尾部上翘角变化曲线
图８阻力系数随后风窗倾角变化曲线
流从汽车底部流过，底部的气流速度加快，从而使得底部静
压减小，车身上下压差减小，从而降低了汽车的升力，由此带
第３０卷第１０期 文章编号：１００６—９３４８（２０１３）１０—０１８４—０５
计算机仿真
２０１３年１０月
典型角度对汽车气动阻力特性影响的仿真分析
王佳，杨志刚，朱晖
（同济大学上海地面交通工具风洞中心，上海２０１８０４） 摘要：研究汽车外形的前风窗倾角、发动机罩倾角、后风窗倾角以及尾部上翘角等典型角度对气动阻力特性影响的问题。为
ａｎｇｅｌｓ
ｓｕｃｈ
ａｓ
ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｏｎｔ—ｗｉｎｄｓｈｉｅｌｄ，ｈｏｏｄ，ｂａｃｋ—ｗｉｎｄｓｈｉｅｌｄ
ａｎｇｌｅ
ｏｎ
ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｄｒａｇ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｄ ＭＩＲＡ ｍｏｄｅｌ．
５仿真结果分析
图３是汽车四个典型角度的示意图。前风窗倾角ｑ：前
风窗下缘固定，与水平面夹角；发动机罩倾角Ｂ：发动机罩上 端固定，与水平面夹角；后风窗倾角１：后风窗上缘固定，与
水平面夹角；尾部上翘角０：底部下端固定，与水平面夹角。
图１阶背式ＭＩＲＡ结构 图３典型角度示意图 ４
ＣＦＤ仿真
５．１前风窗倾角 ａ的变化范围是２５。～６０。。从图４的阻力系数随前风
ｏ Ｏ．２９３２ ４ ０．２９０２ Ｏ．２８７２ Ｏ．２８４２ ０．２８１２ Ｏ ： ４ ６ ８ １０ １二１４ １６ １８
发动饥罩倾弁】Ｂ／
前风窗倾角ｄ，ｏ
图４阻力系数随前风窗倾角变化曲线
图６阻力系数随发动机罩倾角变化曲线
图５为前风窗倾角变化下的汽车前部压力云图。气流 沿着发动机罩向后流动，遇到前风窗的阻挡后，会在前风窗 玻璃的前缘产生气流分离，从而形成高压“死水区”，而后气 流又在前风窗玻璃的上缘重新附着。随着前风窗倾角的逐 渐增大，该“死水区”面积逐渐增大，从而使前部压力有显著 增加，阻力系数随之而变大。
Ｆｌｕｉｄ
Ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｄ１嘴
以及尾部上翘角是汽车车身外形的典型角度，其对汽车气动
１
引言
汽车的气动阻力对汽车的燃油经济性、操纵稳定性等性
阻力特性都有很大的影响…。傅立敏等人曾开展过这方面 的个别角度的风洞试验研究旧Ｊ，叶辉等人曾对尾部上翘角对 汽车的气动特性影响开展过数值仿真的研究¨ｏ，但是现有的 研究采集的数据点都不够多，而且都没有考虑四个角度同时 改变给气动阻力带来的综合影响，因此亦没能得出各个角度 对气动阻力影响程度大小的结论。 本文利用计算流体动力学（ＣＦＤ）软件，在保证足够多的 数据点的情况下，分别针对上述四个典型角度对汽车气动特 性的影响，在ＣＦＤ中进行仿真，并通过设计正交试验的方法 探讨四个典型角度同时改变带来的汽车气动阻力的综合影 响，得出了各个角度对气动阻力影响的主次关系，从而为汽
ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
ｏｎ
ａｎｇｌｅｓ
ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ
ｃｈａｎｇｅｄ
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ｓａｎｌｅ
ｔｉｍｅ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｅａｃｈ ｄｒａｇ ｉｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ
ｏｎ ｏｒ
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ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｗａｓ
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ｗｉｎｄｓｈｉｅｌｄ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ｗｈｉｌｅ ｆｒｏｎｔ—ｗｉｎｄｓｈｉｅｌｄ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ｈａｓ ｔｈｅｌｅａｓｔ ｉｍｐａｃｔ
ｉｔ． Ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；