汽车A柱形态对整车气动性能影响

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车辆 A 柱的形态直接影响气流在前部的分离，对整车风阻系数影响非常明显，目前针对汽车 A 柱区域的研究主要分析 A 柱区域的气动噪声性能及优化，并未对风阻性能进行分析 A 柱型面的变化除影响气动噪声外，对于风阻同样具有一定影响，因此，本文基于某纯电车型的气动性能开发过程，通过 CFD 虚拟计算，结合车辆空气动力学原理，分析 A 柱形状变化对整车气动性能的影响，确定 A 柱优化趋势。 01 数值模拟 本文选取某纯电车型作为研究对象，通过对 A柱型面参数的调整，分析 A 柱型面参数的改变对于整车风阻系数的影响。 对几何模型进行几何修复，在保证整车外造型与 CAD 数模一致的前提下，对整车外造型进行局部简化，生成面网格。同时将车轮封闭，封闭进气格栅，对底盘进行封闭处理，计算模型不包括底盘零件以及发动机舱内零件。 计算所采用的计算域为：车前计算区域长度为 3 倍车长(L)，车后计算区域长度为 6 倍车长。计算区域高度为 6 倍车高(H)，宽度为 8 倍车宽(W)，如图1所示。 图1  计算域示意图 为减少整体网格数量以及所需计算资源，对整车周围进行三层网格加密，生成体网格，如图2所示。 图2  整车加密区示意图 计算域入口使用恒定速度入口，选取计算车速为 38.89 m/s，对应 140 km/h 车速。计算域出口采用压力出口，并且压力恒定为 P = 0，地面设置为按照风速移动。 根据计算可以获得整车气动阻力系数 Cd，CdⅹA，升力系数 Cl以及横摆力矩系数 CYM等。本文仅关注整车气动阻力系数 Cd。 02 A柱型面对于整车风阻的影响 本文对于A柱型面的研究主要包括以下3个方面：（1） A 柱内侧面偏移量△l，如图 3(a)所示，其中黑色边界为基础模型截面，红色虚线为调整后示意截面图；（2） A 柱迎风面与前挡玻璃面高度差 h，如图3(b)所示，其中黑色边界为基础模型截面，红色虚线为调整后示意截面图；（3） A 柱内侧面与前挡玻璃交线偏移量 w，设向整车坐标系 Y=0 处偏移量为正，反向则为负，如图3(c)所示，其中黑色边界为基础模型截面，红色虚线为调整后示意截面图。 图3  A柱型面参数截面示意图 2.1  A 柱内侧面偏移量对于整车风阻的影响 为研究 A 柱内侧面偏移量△l 的变化对于整车风阻的影响，仅对△l 值进行调整，不改变其他参数值。分别选取△l = 7 mm、14 mm、20 mm 进行CFD 仿真分析，计算结果流线图如图 2.1.1 所示，其中图 4(a)为基础模型计算结果，图 4(b)、(c)、(d)分别为△l = 7 mm、14 mm、20 mm 时 A 柱区域流线图。 图4  不同△l 条件下A柱区域流线图 根据 A 柱区域流线的变化可以看出，随着△l的不断增大，该区域的气流附着情况具有明显改善。此外，根据 CFD 计算结果显示，当△l=7mm、14mm、20mm 时，整车风阻系数变化量△Cd=-0.011、-0.009、-0.010。由图 2.1.2 所示，对于本车型而言，当 A 柱内侧面偏移量△l 增大时，整车风阻系数随之降低。并且当△l ＞ 7mm 时△l 的改变对于整车风阻系数的影响较小，△Cd随之变化幅度较小；当 A 柱内侧面偏移量△l ＜ 7mm 时整车风阻系数随着△l 的增大而减小，并且风阻系数减小幅度较大。 图5  整车风阻系数随△l 变化曲线 2.2  A 柱迎风面与前挡玻璃面高度差对于整车风阻的影响 为研究A柱迎风面与前挡玻璃面高度差h的变化对于整车风阻的影响，仅对 h 值进行调整，不改变其他参数值。由于基础模型高度差 h 为 10mm，因此仅选取高度变化量△h=-5 mm、-10 mm 的模型进行 CFD 仿真分析。计算结果流线图如图 6所示，其中图 6(a)为基础模型计算结果，图6(b)、(c)则分别为△h=-5 mm、-10 mm 条件下A 柱区域流线图。 图6  不同△h条件下A柱区域流线图 减小 A 柱迎风面与前挡玻璃面高度差可以有效改善 A 柱区域气流分离，降低整车风阻系数。当△h=-5 mm、-10 mm 时，整车风阻系数改变量为△Cd= -0.006、-0.009，如图 7所示，本车型通过降低 A 柱迎风面与前挡玻璃面高度差可有效降低风阻系数，且当△h＜ 5mm 时，风阻系数的变化随△h 的变化而产生的变化较大，当△h≥ 5mm 时，风阻系数随△h 的增大而降低的趋势则较缓。 图7  整车风阻系数随△h变化曲线 2.3  A 柱内侧面与前挡玻璃交线偏移量对于整车风阻的影响 与 2.1、2.2 相同，在保证其他参数不变的前提下，仅对 A 柱内侧面与前挡玻璃交线偏移量 w 进行调整，设向整车坐标系 Y=0 处偏移量为正，反向则为负。选取△w=+12 mm、+8 mm、-5 mm、-10mm、-15 mm 的模型进行 CFD 仿真计算，计算结果流线图如图 8 所示，其中图 8(a)为基础模型计算结果，图 8(b)、(c)、(d)、(e)、(f)则分别为△w = +12 mm、+8 mm、-5 mm、-10 mm、-15 mm条件下 A 柱区域流线图。 图8  不同△w条件下A柱区域流线图 与基础模型对比可知，A 柱内侧面与前挡玻璃交线偏移量的改变会加剧 A 柱区域气流的分离情况，且 越大分离效果越显著。此外，根据 CFD计算结果显示，当△w=+12 mm、+8 mm、-5 mm、-10 mm、-15 mm 的情况下，整车风阻系数的改变量为△Cd=+0.001、+0.001、+0.004、+0.004、+0.006，如图 9所示。由此可见，对于本车型来说△w的变化不利于整车的气动阻力特性，并且△w＜0时 Cd值随△w 变化趋势较大。当△w＞0 时整车Cd值的变化量为+0.001，不随△w 的增大而改变。 图9  整车风阻系数随△w变化曲线 03 结论 本文基于某车型利用 CFD 仿真计算对影响 A型面的 3 个参数(A 柱内侧面偏移量△l、A 柱迎风面与前挡玻璃面高度差 h、A 柱内侧面与前挡玻璃交线偏移量 w)进行分析研究，得出以下结论： 1、增大 A 柱内侧面偏移量△l 有利于 A 柱区域气流附着，并有效降低整车风阻系数。当△l＞7mm 时△Cd随之变化幅度较小；当△l ＜ 7mm 时整车风阻系数随着之有较大幅度的降低。 2、减小 A 柱迎风面与前挡玻璃面高度差可以有效改善 A 柱区域气流分离，降低整车风阻系数。当△h＜5mm 时，风阻系数的变化随△h 的变化而产生的变化较大，当△h≥5mm 时，风阻系数随△h 的增大而降低的趋势则较缓。 3、A 柱内侧面与前挡玻璃交线偏移量的改变会加剧 A 柱区域气流的分离情况，且 越大分离效果越显著，不利于整车风阻系数的优化。

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