２０２０年（第４２卷）第９期
汽 车 工 程
ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０２０（Ｖｏｌ．４２）Ｎｏ．９
ｄｏｉ：１０．１９５６２／ｊ．ｃｈｉｎａｓａｅ．ｑｃｇｃ．２０２０．０９．０１０
原稿收到日期为２０１９年１１月１３日，修改稿收到日期为２０２０年１月１６日。通信作者：李现今，高级工程师，博士，Ｅ ｍａｉｌ：ｌｉｘｉａｎｊｉｎ＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ。
李现今，李?隆
（北京新能源汽车股份有限公司，北京 １００１７６）
［摘要］ 汽车在高速行驶中的经济性和稳定性与汽车受到的空气阻力和升力直接相关。与传统燃油车相比，降低风阻对于电动汽车提升续航里程和降低能耗更加重要。本文中采用雷诺时均方法对某款纯电
动ＳＵＶ车型进行在１
２０ｋｍ／ｈ车速下整车外流场仿真分析，并将风阻系数和升力系数与等比例油泥模型风洞试验的结果进行了对比。采用常用的Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ε湍流模型对该ＳＵＶ车型后扰流板进行仿真优化。研究了该ＳＵＶ的后扰流板上表面不同倾斜角度对整车气动升力和阻力系数的影响；进一步，在最佳倾角的基础上，通过５种后扰流板通孔形式的对比分析，确定了最优状态的后扰流板。最终的验证试验结果表明，整车风阻系数降低３．９％，而升力系数的增加在可接受范围内。
关键词：电动ＳＵＶ；后扰流板；风阻；升力；仿真分析
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＲｅａｒＳｐｏｉｌｅｒｉｎａｎＥｌｅｃｔｒｉｃＳＵＶ
ＬｉＸｉａｎｊｉｎ＆ＬｉＺｈｅｌｏｎｇ
ＢｅｉｊｉｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅＣｏｒｐｏｒａｔｅＬｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１７６
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ｔｈｅｆｕｅｌｅｃｏｎｏｍｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｖｅｈｉｃｌｅｉｎｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｄｒｉｖｉｎｇｉｓｄｉｒｅｃｔｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅａｅｒｏ
ｄｙ ｎａｍｉｃｄｒａｇａｎｄｌｉｆｔｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｆｕｅｌｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｒｅｄｕｃｉｎｇａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｄｒａｇｉｓｍｕｃｈｍｏｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｉｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｄｒｉｖｉｎｇｍｉｌｅａｇｅａｎｄｌｏｗｅｒｉｎｇｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，Ｒｅｙｎｏｌｄｓｔｉｍｅ ａｖｅｒａｇｅｓｃｈｅｍｅｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｃｏｎｄｕｃｔａｖｅｈｉｃｌｅｅｘｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎａｂａｔｔｅｒｙｅｌｅｃｔｒｉｃＳＵＶａｔａｓｐｅｅｄｏｆ１２０ｋｍ／ｈ，ｗｉｔｈｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｄｒａｇａｎｄｌｉｆｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈａｔｏｆｔｈｅｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔｏｆｃｌａｙ
ｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓａｍｅｓｃａｌｅ．ＴｈｅｃｏｍｍｏｎＲｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－εｔｕｒｂｕｌｅｎｔｍｏｄｅｌｉｓｕｓｅｄｔｏｐｅｒｆｏｒｍａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｒｅａｒｓｐｏｉｌｅｒｏｆｔｈａｔＳＵＶｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｃｌｉｎｅｄａｎｇｌｅｓｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅｏｆｓｐｏｉｌｅｒｏｎｔｈｅｄｒａｇａｎｄｌｉｆｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｂｅｓｔａｎｇｌｅｏｂｔａｉｎｅｄ，ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｓｔａｔｅｏｆｒｅａｒｓｐｏｉｌｅｒｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｃ
ｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙａｎａｌｙｓｉｓｏｎｆｉｖｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｔｈｒｏｕｇｈｈｏｌｅｓｏｎｓｐｏｉｌｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｆｉｎａｌｖａｌｉｄａｔｉｏｎｔｅｓｔｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｄｒａｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｒｅｄｕｃｅｓｂｙ３．９％，ｗｈｉｌｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｌｉｆｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｂｕｔｉｎａｃｃｅｐｔａｂｌｅｒａｎｇｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃＳＵＶ；ｒｅａｒｓｐｏｉｌｅｒ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｄｒａｇ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｌｉｆｔ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ
前言
汽车在高速行驶中，来自空气的作用力会对汽车产生很大的影响，气动阻力影响汽车能耗，气动升力影响行驶稳定性。据统计，当车速达到８０ｋｍ／ｈ时，５０％左右的动力输出用于克服空气阻力。通过
降低风阻来降低能耗提高续航里程，对于电动汽车
的意义尤其重大。另外，在高速状态下，如果气动外型设计不好，升力过大，将对汽车的行驶安全造成一定影响。之前，有很多关于汽车标模ＭＩＲＡ模型的
气动力研究［
１－６］
，但大多局限于对标模或者一般轿车的气动力研究，而缺乏对高速行驶的ＳＵＶ车型的气动力研究。文献［
７］中就面包车尾部造型对其气
·１２１２ ·汽 车 工 程２０２０年（第４２卷）第９期
动特性的影响做了研究，文献［８］和文献［９］中对汽车底部流场做了研究，文献［１０］和文献［１１］中分别对俯仰运动和非定常运动对升力的影响做了研究，文献［
１２］中对汽车前、后轴的升力情况作了研究。本文中针对高速行驶的电动ＳＵＶ的后扰流板上表面倾斜角度、开孔大小和形状对整车气动阻力和升力的影响进行了研究。首先，针对该电动ＳＵＶ车型
的基础状态，通过雷诺时均的Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ε、Ｓｔａｎｄａｒｄｋ－ε、ＳＳＴｋ－ω、Ｓｔａｎｄａｒｄｋ－ω、Ｒｅｙｎｏｌｄｓｔｒｅｓｓ和Ｓｐａｌａｒｔ Ａｌｌｒａｍａｓ等６种湍流模型，在车速为１２０ｋｍ／ｈ的工况下进行整车外流场仿真分析，并将气动阻力系数和升力系数与等比例油泥模型风洞试
验结果对比，结果显示Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ε湍流模型仿真和试验的差异最小。接着采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ε湍流模型对后扰流板气动性能进行仿真。针对该ＳＵＶ的后扰流板上表面倾斜角度对整车气动升阻力系数的影响，优化了后扰流板的倾斜角度；并针对该ＳＵＶ的５种后扰流板结构进行仿真分析，根据风阻系数和气动升力系数，得到最优状态的后扰流板结构。在验证试验中，优化后风阻系数下降了３ ９％，升力系数有所上升，但在可接受范围内，有效地降低了整车能耗，提高了续航里程。
１ 理论基础
１ １ 计算模型与网格
计算模型为整车模型，含有平整的底盘护板，前机舱部件齐全，主动进气格栅处于关闭状态，模型如图１和图２所示。计算体网格采用Ｔｒｉｍ网格，边界层采用６层网格，总厚度２ｍｍ，总网格量为３
千万个。
图１
整车侧视图
图２ 整车底视图
１ ２ 计算方法概述
对流场的仿真方法有：直接数值模拟（ｄｉｒｅｃｔｎｕ ｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＤＮＳ）、大涡数值模拟（ｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＬＥＳ）和雷诺平均数值模拟（Ｒｅｙｎｏｌｄｓａｖ ｅｒａｇｅｄＮａｖｉｅｒ Ｓｔｏｋｅｓ，ＲＡＮＳ）和格子玻尔兹曼方法
（ｌａｔｔｉｃｅＢｏｌｔｚｍａｎｎｍｅｔｈｏｄ）等［１３］
。
１ ２ １ ＤＮＳ方法
由于Ｎ－Ｓ方程本身是封闭的，故从原则上可直接求解所有湍流问题。用ＤＮＳ方法直接求解
Ｎ－Ｓ方程，能获得最精细的流场信息。但该方法计算量特别巨大，对软硬件均要求较高，只适合简单的模型，对整车这样复杂的模型仿真无法实现。
１ ２ ２ ＬＥＳ方法
ＬＥＳ的基本思想是：把湍流瞬时运动通过某种滤波方法分解为大尺度运动和小尺度运动两部分。
大涡运动通过直接求解Ｎ－Ｓ方程计算；小涡运动的影响概化为亚格子雷诺应力，须通过建立模型求解。
１ ２ ３ ＲＡＮＳ方法
由于雷诺平均方程是不封闭的，故ＲＡＮＳ的核心思想是建立雷诺应力封闭模型，使平均运动方程可解。目前比较常用的ＲＡＮＳ模型有零方程模型、一方程模型、二方程模型和代数应力模型。ＲＡＮＳ方法比前两种方法大大减小了对计算机硬件的要求，是目前车辆工程界处理湍流问题的最常用方法。１ ２ ４ 格子玻尔兹曼方法
从分子动力学的玻尔兹曼方程出发，可推导出空间和时间离散的格子玻尔兹曼方程，该方程的低阶形式收敛为Ｎａｖｉｅｒ Ｓｔｏｋｅｓ方程。该方法直接模拟湍流的计算量也难以接受，而将格子玻尔兹曼方程同大涡模拟的方法相结合，能以可接受的计算资源量模拟湍流，并获得很高的精度。但目前该方法的商用软件十分昂贵，本文中不予采用。
２ 湍流模型的确定及其仿真与试验
针对该电动ＳＵＶ车型在车速为１２０ｋｍ／ｈ
工况，采用ＳＴＡＲＣＣＭ＋软件，通过有限体积的ＲＡＮＳ方法，分别以Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ε
、Ｓｔａｎｄａｒｄｋ－ε、ＳＳＴｋ－ω、Ｓｔａｎｄａｒｄｋ－ω、ＲｅｙｎｏｌｄＳｔｒｅｓｓ和Ｓｐａｌ ａｒｔ Ａｌｌｒａｍａｓ（ＳＡ）等６种湍流模型进行整车外流
场仿真分析。Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ε计算结果的速度云
图和速度等势面图如图３和图４所示。为验证
２０２０（Ｖｏｌ．４２）Ｎｏ．９李现今，等：某电动ＳＵＶ后扰流板气动特性的研究·１２１３ ·
仿真结果，同时进行了基础状态的等比例油泥
suv车是什么意思模型风洞试验。
图３ 速度云图（ｙ＝０
）
图４ 速度等势面图
２ １ 气动阻力仿真结果
计算大约在２０００步时达到稳定，总共迭代３０００步，取２５００～３０００步的平均值作为气动系数。计算的风阻系数Ｃｄ结果见表１
。表１ Ｃｄ计算与试验结果的比较
速度／
（ｋｍ·ｈ－１
）
湍流模型计算值试验值相对误差／％
１２０
Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－εＳｔａｎｄａｒｄｋ－εＳＳＴｋ－ω
Ｓｔａｎｄａｒｄｋ－ωＲｅｙｎｏｌｄＳｔｒｅｓｓ
ＳＡ
０ ２９９０ ３０００ ３１７
０ ３０３０ ３０１０ ２９８
０ ３０５
２ ０１ ６３ ９０ ７１ ３２ ３
从表１可以看出，在阻力系数的计算中，ＳＳＴｋ－ω的结果与试验的偏差略大，
其它湍流模型所得仿真结果与试验值相对误差在２ ５％以内。２ ２ 气动升力仿真结果
气动升力系数Ｃｌ计算与试验结果的比较见表２。从表２可以看出，在升力系数的计算中，各种湍流模型所得仿真结果与试验值相对误差比阻力系数的大，最多相差４０％。
综合表１和表２的结果看，采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ε湍流模型时误差较小。因此，后续的外流场仿真优
化中采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ε湍流模型。
表２ Ｃｌ计算与试验结果的比较
速度／
（ｋｍ·ｈ－１
）
湍流模型计算值试验值相对误差／％
１２０
Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－εＳｔａｎｄａｒｄｋ
－ε
ＳＳＴｋ－ω
Ｓｔａｎｄａｒｄｋ－ωＲｅｙｎｏｌｄＳｔｒｅｓｓ
ＳＡ
０ ０５００ ０６００ ０６１
０ ０６３０ ０５９０ ０５２
０ ０４５
１１ １３３ ３３５ ６４０ ０３１ ３１５ ６
３ 后扰流板的优化
３ １ 后扰流板旋转方案优化
后扰流板的外观如图５所示，而图６则示出其对称截面中线形状和初始方位。该款ＳＵＶ的后扰流板第１种优化方案是在图６所示初始方位的基础上，使后扰流板绕其前端中点而与车身常用坐标系的ｙ轴平行的轴线旋转１°至６°，间隔１°，如图５所示，分别进行整车外流场仿真，观察其气动系数的变化，结果如图７所示。
图５ 后扰流板外观图
图６ 后扰流板对称截面中线形状及其初始方位
由图可见：随着后扰流板旋转角度的变化，阻力系数先降后升，在４°时达到最小值；而升力系数则先升后降，在４°时达到最大值。综合考虑升、阻力系数的变化，认为旋转４°时为最优的状态，风阻系数为０ ２９４，通过速度云图（图８）可以看出，优化后气流
·１２１４ ·汽 车 工 程２０２０年（第４２卷）第９
期
图７ 后扰流板旋转角度示意图
从后扰流板分离后，沿着后扰流板上表面方向的低速气流延伸得更远，尾涡更加稳定，使整车风阻
更低。
图８ 后扰流板旋转优化前（左）后（右）附近流场示意图
３ ２ 后扰流板开孔方案分析
第２种优化方案是在扰流板上开通孔。在最优的４°倾角的后扰流板基础上，设计了５种后扰流板开通孔
方案，如图９
所示。
图９ 后扰流板５种开孔方案示意图
５种方案均具有两个对称的气流入口和出口。方案１和方案２的通道出口长度为２６５ｍｍ，不同在于方案２的出口略微上抬。方案３、４、５的出口长度均为２
００ｍｍ，方案３为在方案２的基础上，两入口Ｙ向两侧各减小３２ｍｍ，方案４为在方案２的基础上两孔内侧减小６５ｍｍ，方案５为方案２出口２００ｍｍ，出口的上部不变，下部略微上抬。
后扰流板通孔和不通孔的差异，体现在图１０和图８速度云图中后扰流板附近气流的差异。仿真的数据如图１１所示。可以看出：阻力方面，由于后扰流板通孔后有气流补充进了尾涡区，加强了尾涡区空气的流动，空气受到的阻碍减弱了，５种通孔方式对应的风阻系数从通孔前的０
２９４减小了０ ００２～０ ００８，效果最好的方案５风阻降至０ ２８６；升力方面，由于气流从通孔斜向下流动，说明这部分气流比没有通孔时的流动额外受到了向下的作用力，即汽车会受到空气向上的升力，从整体上看说明气流从车辆上方的绕流更多，也类似于机翼上升原理，翼型上方的绕流越多升力越大，因而通孔后的升力系数比通孔前０ ０６的水平显著提高了０ ０３０～０ ０３９
。
图１０ 方案１（左）和方案２（右）
的速度云图
图１１ ５种通孔式后扰流板的风阻、升力系数对比图
不同形式通孔之间的差异，从图１２和图１０的速度云图可以看出：方案４、５的气流从后扰流板分离后，沿着后扰流板上表面方向的低速气流延伸得更远，低速区和上方高速区的边界更清晰光滑，尾涡
更加稳定，使整车风阻更低；升力方面，由于通孔附近的气流方向为下后方，如果气流向后向下的局部流动得到加强，说明车辆向前向上的受力小幅增加，即风阻小幅减小，
升力小幅增加。
图１２ 方案３（左）、方案４（中）和方案５（右）的速度云图
通过仿真优化后的后扰流板，采用风阻最小的方案５在风洞中进行验证试验（图１３）。测试结果：风阻系数为０ ２９３，升力系数为０ ０８３，如图１４所示。风阻系数比优化前降低了约３
９％，升力系数大幅增加，约增大了８４％，但仍在工程接受范围内；风
２０２０（Ｖｏｌ．４２）Ｎｏ．９李现今，等：某电动ＳＵＶ后扰流板气动特性的研究
·１２１５ ·
阻系数仿真值比试验值约小２ ４％，升力系数仿真值比试验值约大１３％，吻合较好。说明仿真手段对于该电动ＳＵＶ
后扰流板的气动特性开发是有效的。
图１３
后扰流板的风洞试验图
图１４ 升、阻力系数仿真与试验对比图
４ 结论
本文中采用雷诺时均方法，对在１２０ｋｍ／ｈ车速下某款纯电动ＳＵＶ车型进行整车外流场仿真分析，得出如下结论。
（
１）分析了该ＳＵＶ的后扰流板上表面不同倾角对整车风阻系数、升力系数的影响，在基础状态上后扰流板上表面旋转４°时风阻系数最小。
（２）在最佳倾角的基础上，对后扰流板５种通孔方案进行对比仿真，结果第５种方案的风阻系数最小，故选取它为最优方案。
（３）以转角４°和第５个通孔方案为后扰流板的最优状态，在风洞试验中进行验证，结果表明气动阻力降低了３ ９％，而升力系数虽有较大的增加，但仍在合理范围内。
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