汽车空气动力学与车身造型研究最新进展

第１７卷第６期沈阳大

学学

报

Ｖ０１．１７．Ｎｏ６

２００５年１２月

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＥＮＹＡＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

Ｄｅｃ．２００５

文章编号：１００８—９２２５（２００５）０６—００３９—０６

汽车空气动力学与车身造型研究最新进展

张国忠１，赖征海２

（１沈阳大学机械工程学院，辽宁沈阳１１００４４；２．华晨金杯有限公司研发中心，辽宁沈阳

１１００４４）

摘要：阐明ｒ汽车车身开发准则，论述了汽车造型与空气动力学演绎过程，分析了汽车车身造型和汽

车空气动力学研究方法，给出了未来汽车车身研究方向与研究任务．

关键词：汽车；空气动力学；空气阻力系数；车身造型设计；凤洞；数值仿真；ＣＡＥ中国分类号：Ｕ

４６１

文献标识码：Ａ

１概

述

（ＣＦＤ）必将给汽车空气动力学以新的面貌．

（３）美学准则

１．１汽车车身研究任务

汽车造型的目的是以其外形的美去吸引和打现代汽车凝聚近百年人类工业文明的全部成动观者，使其产生拥有这种车的欲望．汽车造型涉果，成为“改变世界的机器”．和汽车发展一样，汽及科学和艺术两大方面．设计师需要懂得车身结车车身发展也历经了结构、性能、外形、安全节能与构、制造工艺、空气动力学、人机工程学、工程材料环保四个发展阶段．研究终极成果直指降低汽车燃等知识．同时，设计师更需要有高雅的艺术品位和油消耗量、提高汽车加速度和最大行驶速度三大经丰富的艺术知识．

济性与操纵稳定性指标．具体包括气动力、气动力（４）概念设计准则（超前化法则）

矩、汽车空气动力稳定性、汽车表面三维流场和表

概念设计及概念车将会对产品有更大的影响．面压强以及汽车外形局部动力学特征等，并通过汽

我们虽无法预测现代科技的走势，却完全可以预车的外形变化——车身造型予以体现．

见一定时期内人的需求．概念车则能更多更快地１．２汽车车身研究开发准则

反映这一点，使我们能够更迅捷地应对变化的市

汽车及车身在其发展进程中，逐步形成一些场．

不成文的开发准则，这些准则可归纳如下：

（５）智能化设计准则

（１）自主一移动设计准则

信息技术革命正在推动汽车设计翻开新的一１８８６年汽车诞生以后，《纽约时报》就在一篇页．自动化、智能化、多功能将成为２１世纪汽车发报道中提出了“ＡＵｑＯ—ＭＯＢＩＬＥ”（自主一移动）展的新趋势．车身也在其中，诸如表面清洁技术、概念，这是人们对这种“新生儿”的最佳描述．汽车表面采光技术、车身材料减阻技术等．

在本质上是一种交通工具，是在一定的时间内使（６）绿色设计准则

主体（人或物）完成相应的空间位移．先驱的“自主汽车生产与其他产业一样，呈现出绿色战略～移动”依然是指导今日设计的不二准则．

趋势，这就是向资源利用合理化、废弃物产生少量（２）空气动力学设计准则

化，对环境无污染或少污染的方向发展．生产绿色空气动力学特性是影响汽车性能的最重要因汽车已提到议事日程，绿色汽车将是环保汽车的素，它针对汽车给环境、能源带来的弊端，解决了代称．

汽车动力性、安全性方面的诸多问题，而且与汽车２汽车造型与空气动力学演绎与发展

造型技术相互依存．空气动力学性能越来越被重视，以低阻物体为出发点、减小正投影面积、追求空气动力学上的每一项进展，都直观地反映楔型风格和表面平滑化等，而且计算流体动力学

在汽车造型的变化上．几十年来，汽车造型的种种

收稿日期：２００５—０９—０５

万　作者简介：张目忠（１９３６一），男，山东寿光人，沈阳大学特聘教授，博士生导师方数据

沈阳大学学报

第１７卷

变化，都可以找到其空气动力学的依据１１１．

（１）马车型汽车．汽车诞生前，马车是陆地上最好的交通工具，可以说，汽车是从马车的机动化开始的．在汽车造型方面，没有专门的设计人才，汽车外形基本上沿用了马车的造型．

（２）箱型汽车．马车型车身，很难抵御风雨的

侵袭．福特公司生产了一种新形式的像一只大箱子的车身，称作“箱型车身”．当汽车车速超过１００ｋｍ／ｈ后，功率几乎都用来克服空气阻力了．因此，人们开始降低车的高度和迎风面积用于克服

空气阻力．

（３）甲壳虫型汽车．１９３０年后，人们越来越重视车身外形对减少空气阻力的影响．如美国克莱斯勒公司生产的小客车，采用了流线型的车身外形，宣告了汽车造型新时代的开始．当时流线型车身的代表是德国大众公司的“甲壳虫”汽车．

（４）船型汽车．为了克服“甲壳虫”汽车对横风的不稳定性，１９４９年美国福特公司推出了福特Ｖ８型汽车，这种汽车的前翼子板和发动机罩、后翼子板和行李舱罩融于一体，大灯和散热器罩也形成整体，车身两侧形成一个平滑的面，车室位于车的中部，整个车像一只小船，因此称为“船型汽车”．

（５）鱼型汽车．船型汽车尾部向后伸出，在高速时会产生较强的空气涡流．对此，人们把船型车的后窗玻璃逐渐倾斜，成为斜背式，很像鱼的脊背，称之为“鱼型汽车”．鱼型汽车车身气流平顺，涡流及侧面形状阻力不大．不过在高速时会产生一种使车轮附着力减小的升力，影响侧风

稳定性．

（６）楔型汽车．在鱼型汽车的基础上，将车身整体向前下方倾斜，将车身尾部截短并如刀切一样

平直，这种造型能有效地克服升力，改善汽车行驶

稳定性．从空气动力学角度来看，楔型汽车已接近理想的造型，成为现代汽车车身造型的主流方向．

３汽车车身造型设计方法

作为汽车，首先向人们展示的就是它的外形，外形关联到汽车的命运．在全球汽车企业中，汽车造型工作都是由公司的最高层直接领导。

３．１车身造型设计的内涵

现代车身造型设计的显著特点就是把空气动力学和车身造型这两个本来就密不可分的问题结合起来进行研究，把技术问题和美学问题杂糅在一起，使车身造型设计科学、先进，具有前蟾性，符合汽车造型国际流行标准，还要体现汽车空气动力学的最新研究成果，并满足国际、国家法规．

万　

方数据３．２车身结构造型

（１）总体外形

自马车型到箱型，由甲壳虫及船型以及鱼型向楔型的转变，汽车变得越来越美观：流畅自然的线条圆滑简洁的过渡，明快优美的曲线，给人以舒展流畅、强劲的动感和平衡安全、生机勃勃的力量之美．可队说，外表呈楔型的汽车已经是很理想的车型了．在追求个性、高效的今天，外形及其关联的气动阻力依然受制于高速安全性、经济性、操纵

稳定性．

（２）细部造型

现代轿车的外形一般用圆滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线．前围与侧围、前围侧围与发动机罩，后围与侧围等采用圆滑过渡，发动机罩向前下倾，车尾后箱盖短而高翘，后冀子板向后收缩，挡风玻璃采用大曲面，且与车顶圆滑过渡，前风窗与水平面的夹角在２５。～３３。之间，侧窗与车身相平，椭圆状前后灯具、门手把嵌入车体内，车外后视镜、车身表面尽量光洁平滑，车底用平整的盖板盖住，降低整车高度等等Ｌ２ｊ见图１．

图１汽车车身总体和局部造型

（３）导流板与扰流板技术

为减小因车速增加所产生的升力，在前保险杠Ｆ方装上向下倾斜的连接板．连接板与车身前裙板连成一体，中间开有合适的进风口加大气流度，减低车底气压，这种连接板称为导流板．在轿车行李箱盖上后端做成像鸭尾似的突出物，将从车顶冲下来的气流阻滞而形成向下的作用力，这种突出物称为扰流板．扰流板与水平方向呈一定角度，其横截面的平滑面在上，抛物面在下，这样会产生负升力，用来抵消车身上的升力．３．３车身造型设计

车身造型包括形态、质地、色彩、人机关系等内涵，应尽量完满体现汽车的物质功能和精神功能，充分满足人们在实用和审美两个方面的需求．从美学观点出发，汽车造型一个是以其外在的感性形式所呈现出的形式美或艺术美，另一个足以

其内在的理性形式所呈现出的技术美或科技美．

一般的美学法则包括：比例与尺寸、对称与均衡、稳定与轻巧、＿：ｉ了奏与韵律、统一与变化、调和与对

比、主从与重点、比拟与联想、单纯与风格等“…．

第６期张国忠等：汽车空气动力学与车身造型研究最新进展

４１

４汽车空气动力学研究现状

（２）升力

众所周知，由于汽车车身上部和下部气流流自从世界上有了第一辆汽车以后，德国就在速不同，使车身上部和下部形成压力差，从而产生航空风洞中进行了车身外形实验研究．后来德国升力并产生纵倾力矩，直接影响汽车操纵稳定性人贾莱 克兰柏勒提出前圆后尖的水滴状最小空和弱化汽车动力的发挥．

气阻力造型设计方案，从而找到了解决形状阻力（３）空气阻力系数ｃｎ

的途径．美国人Ｗ．Ｅｌａｙ于１９３４年用风洞测量了“空气阻力系数”是衡量现代轿车性能的第一各种车身模型的空气阻力系数．法国人Ｊ．参数．汽车在行驶中，围绕着汽车重心产生纵向、Ａｎｄｒｅａｕ则提出了汽车表面压差阻力的概念，并侧向和垂直三个方向的气动力．其中纵向气动力研究了侧风稳定性．２０世纪４０年代，另一位法国是最大的空气阻力，并受制于空气阻力系数（１Ｄ．人Ｌ．Ｒｏｍａｎｉ对诱导阻力进行了研究．６０年代初，２０世纪５０年代至７０年代，空气阻力系数维持在英国人Ｗｈｉｔｅ通过风洞实验提出了估算空气阻力０．４－－０．６之问．７０年代，各国倾力降低ＣＤ值，使系数的方法．到７０年代，汽车空气动力学才真正其维持在０．２８～０．４之间．一般测定汽车的ｃＤ成为－ｒｑ独立学科．我国是在８０年代才较为系统值有风洞测试法．非风洞法则有滑行试验法、行驶地研究汽车空气动力学的．

功率平衡法等．

４．１理论基础

４．２研究方法

（１）理想空气动力学模型

（１）基础理论研究

空气动力学的研究发现，圆头在前、尖端在后空气运动规律的基础是质量守衡、动量守衡的雨滴、泪珠状的形体最易于通过气流．然而飞机和能量守衡定律，可由Ｅｕｌｅｒ、ＮＳ等数学方程组来与汽车都不可能与其形似，对于汽车，必须充分考描述．然而有关不可压流体特性、流体阻力理论以虑与地面接触部分的影响，见图２．

及汽车绕流特性等基础理论研究还有待深化．

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（２）风洞试验

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风洞是利用巨大的风扇，把空气吸入管孔中，

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再利用整流板及管孔渐小的设计，把吸进的空气＼

加以整流和加速，使之达到所需的风速，然后再送／一—弋／

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入风洞的试验段中．在设计和改进汽车时，作出相＼＼、、

应的模型或实物，并放人风洞进行空气动力学测

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试．

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国内外大型汽车制造公司不惜耗费巨资建造

Ｇ＝０４６

汽车试验风洞，见表１．美国通用汽车公司研制出

图２理想流体力学形体

４５００

ｋＷ、叶片直径１３．１１ＴＩ的世界上最大的风洞

装置．

表１世界各国风洞主要性能参数表

当用风洞测试时要注意的技术问题是＿４“Ｊ：界层．而在风洞中空气相对于模型或原型支承面（１）用模型在风洞中测试出的汽车空气阻力有运动，从而形成了边界层，使ｃｂ值的测试有误

系数ＣＤ值有１０％－－２０％误差，因为试验所用的差．

模型很难与汽车原型做到几何相似和空气动力学风洞或实车道路空气动力学特性试验包括：相似．

①通过表面丝带法和网格丝带法测试车身表面流（２）汽车沿道路行驶时，空气相对于路面的态，见图３；②通过烟度发生器实施烟流法测试汽速度为零（假设无自然风时），在路面上不存在边万　

方数据车车身周围流态，见图４；③通过荧光添加剂喷雾

４２

沈阳大学学报第１７卷

法和水流模拟法进行流动模拟试验，以及用高速摄影法对雨水和灰尘流动特性进行印证；④通过肥皂泡法、丝带法和烟流法，对发动机室和驾驶室内的气流流态进行试验印证；⑤通过滑石粉法和泥土熏量分析法印证泥垢附着状态等．

流体动力学（简称ｃＦＤ）．从目前发展来看，ＣＦＤ在预测汽车外形变化对三维流场特性的影响方面是最有效的，很适用于汽车外形的造型分

析［４－－７］．

数值仿真方法在国外发展较快，方法很多，可概括为有限差分法、有限元法和边界元法三大类，主要方法见表２．德国大众汽车公司、意大利菲亚特Ｒｉｃｈｅｒｃｈｅ技术中心、瑞典沃尔沃汽车公司、法国戴姆勒．奔驰公司、日本三菱公司等都卓有成效地进行了数值分析．美国福特汽车公司Ｗｉｌｌｉａｍｓ等人在雷诺数８×１０６、风速４９ｍ／ｓ来流条件下，对１／２缩尺度的不同尾部造型的轿车模型进行了风洞试验．并通过模型ＣＡＤ数据，利用ＳＴＡＲ—ＣＤ和ＦＩＤＡＰ软件采用有限差分法（ＦＶＭ）、有限元法（ＦＥＭ）求解三维可压和不可压ＲＡＮＳ方程组对流场进行了仿真．仿真采用＊一ｅ湍流模型，ＳＴＡＲ－ＣＤ计算共用８０万个非结构网格，ＦＩＤＡＰ共用１９万个结构网格．计算出的车身前部、车底、地面和中心对称面上压力分布均与试验结果吻合较好；横截面的速度矢量分布、纵向涡量、总压损失等也与风洞试验结果基本一致．由于标准ｒ—ｅ湍流模型不适于模拟分离流动，两种方法计算出的车身后背部压力分布、后窗流动起始分离线和

圈３丝带法测试车身表面流态

图４烟度法测试汽车车身流态

行李盖处流动再附着线与试验结果差别较大．阻力系数的计算值大于试验值．计算出的升力系数与试验结果基本相符．

（３）数值仿真

数值计算方法从计算分析角度上定义为计算

表２模拟仿真的主要方法

吉林大学进行了汽车二维外流场、汽车尾流场、汽车三维分离流动、汽车模型表面压力等仿真研究．中国气动中心和东风汽研院给出了车身外三维流场ＣＦＤ网格、车身对称而上压力分布、纵

向速度矢量、车尾处横向速度矢量．清华大学用三

国内利用微机环境开展ＣＦＤ研究，遇到的问题是网格点数目不足，一般仅为三四十万个网格点；ＣＰＵ机时过长，一个复杂的三维流场往往需要一个月．软件则以国外方法为主，例如Ｆｉｎｇｅｒ网格，Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ、Ｊａｍｅｓｏｎ和ＴｖＤ计算格式等，

缺乏特色．

维不可压缩平均Ｎ．ｓ方程和ＮＮＧ模型，模拟了长安微型汽车三维外流场，给出了汽车纵向各截面的压力和速度分布、车轮表面速度矢量分布等，北京航空航天大学汽车研究所主要侧重汽车外流场计算软件开发与减阻技术．

（４）基本研究成果

国内吉林大学等进行了风洞试验［４］ 其中有红旗ＣＡ７７４轿车在ＦⅡ０９风洞中的两次改型方

案的试验、天津三峰客车模型在长春ＦＤ一０９风洞

万方数据　

第６期张国忠等：汽车空气动力学与车身造型研究最新进展

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中的试验、国产小公共汽车在北京航空航天大学的Ｄ－１、Ｄ－２、Ｄ－４风洞的试验、Ａｕｄｉｌ００型轿车ｌ：５模型的２０种改造方案在ＦＤ－０９风洞的试验、载货

汽车ＣＡＩＯＢ及其改型ＣＡｌ４１汽车在ＦＬ－８“风洞

的试验等．

以红旗ＣＡ７７４轿车试验结果为例作简要说明：①对其前阻风板大小、形状、安装角度、位置不同的９种方案进行了试验，优选出阻力系数和升力系数较低的方案；②使汽车前脸变圆，阻力系数有一定程度的减小．汽车前脸的形状受制于各种因素，须经试验确定；③发动机罩与前挡风玻璃夹角在４０。以下时，分离线与再附着线变化不大，即阻力与升力变化不大．发动机罩与水平线的夹角由３。变为８。，横向与纵向曲率与基本型一致；④该车背部在阶背状态下减小后窗倾角为半斜背式；然后进一步减小后窗倾角到取消行李箱为快背式；最后在快背式基础上加装后扰流板．上述造型的变化使空气动力特性参数出现了较大的变

化；⑤车身底部凸凹不平，气流呈湍流状态，摩擦

阻力和升力增加．在车底部安装光滑底板后，使气动阻力系数降低１３．８％，升力系数降低５４％．

５现代汽车研究方法与研究任务

随着计算机技术、数学分析方法的发展，在ＣＦＤ方法仿真汽车空气动力学特性的基础上，研发出汽车空气动力学设计ＣＡＥ平台．例如，在国家“８６３计划”的“复杂流场数值模拟”、国家自然科学基金项目的“工程旋涡分离流动研究”、清华

大学“９８５工程”的“数字化轿车”、“轿车关键技术

研究”等项目的支持Ｆ，清华大学流体控制ＣＡＥ室以ＩＣＥＭ—ＣＦＤ和ＳＴＡＲ．ｃＤ商业软件为基硎；，研制开发出汽车设计ＣＡＥ平台．

５１

ＣＡＥ平台的基本开发方法

基于把功能、美学、ＣＦＤ三大要素结合起来

进行汽车造型设计，从而形成了汽车造型设计方

法‘…：

（１）用专家系统工程方法提升前人风洞试

验、实车道路测试、数字仿真和理论研究成果，该成果咀数据库形式，实现可供计算机提取的知识平台．

（２）开展新的风洞或者道路空气动力学特性测试，给出气动力、气动力矩、汽车内外三维流场、泥垢附着、雨水灰尘流动等动力学研究成果．

（３）通过逆向工程或实车电子数据，建立汽车局部车身或整个车身的外形，进而为用数值分析方法仿真出汽车气动力和内外三维流场构建基

万　

方数据础．

（４）针对汽车车身分布结构，构造多个智能体，开展分布式并行研究．如汽车流场数据库模块将包括：发动机罩和前风窗之间的局部气流分离；汽车后部的气流分离和尾涡流；汽车底部与地面

之问的气流；车轮转动对三维流场的影响；内部气

流的影响；细小表面突起的影响等部分．

（５）软件嵌入：操作系统软件（如ＷｉｎＸＰ）；三维造型软件（如ＣＡＴＩＡ）；集成平台（如ＶＣ）；流场

分析软件（如ＳＴＡＲ—ＣＤ、Ａ础ＬＱｕＳ）等．

（６）软件包的多模块、多功能、跨平台的耦合集成研究．实施软件质量控制、程序验证、需求输入；完成功能输出、设计更改、扩充、软件评价等．

５．２空气动力学研究工作

仿真主要应做以下几方面工作Ｌ７，９Ｊ：

（１）研究先进的几何建模和网格生成技术以及网格特征对解题精度、收敛性及稳定性的影响．

（２）旋涡分离流动是汽车绕流场中不可避免的流动现象，应寻求更准确的物理描述模型．

（３）非定常流动是汽车流场的本质属性，非定常流动研究的发展，将对汽车旋涡分离流动进行有效的控制，并改善汽车的行驶稳定性和经济

性．

（４）湍流流动计算方法研究应集中在湍流模型、大涡模拟和直接数值模拟三方面．而在不远的将来就有可能对汽车粘性流动进行数值模拟．

（５）发展数值算法，促进使用大尺度涡流模

拟、小尺度湍流模型方法求解全Ｎ。Ｓ方程组．

（６）对已有的程序和计算方法进行验证，找出存在的问题，从而推动数值仿真的进一步发展．

５３未来车型的展望

面对日趋激烈的市场竞争，在满足空气动力性要求的前提下，车身造型更注重视觉效果，显现出艺术化、多样化和个性化的发展趋势．可以预见，未来汽车的造型将更为平滑、流畅、富有个性，甚至个人提出外形，如模仿宠物、凭空虚幻等．从空气动力学出发外形设计也不会千篇一律，正如鸟和鱼都是流线型的，但我们并不会搞混金丝雀和秃鹰、金鱼和鲨鱼一样，只要不违反国家标准，不影响市容市貌，什么外形的汽车都有可能出现．

６结语

汽车车身研究呈现把汽车空气动力学和车身造型更加紧密结合起来进行研究的特点；未来汽车车身的造型将更为平滑、流畅、富有个性；ＣＦＤ技术将进一步完善和发展，并将在ＣＡＦ技术平台