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摘要
随着DrivAer模型的引入，越来越多的气动研究和CAE方法开发活动都基于这一详细的通用车身上展开。由于该模型的开放性，它不仅被学术界迅速采用，而且还被多家汽车原始委托生产厂商和CAE软件开发人员所应用。DrivAer提供了高质量的实验数据，可以验证现有的空气动力学CAE能力，并加速发展新的精密数值计算方法。
在过去的几十年里，SUV的注册数量，特别是在欧洲，已经明显地增加了。除此之外，这种车的特点是横截面积大、地面净空增加、车轮较大。DrivAer无法描述此类车辆。因此，需要扩展这种通用汽车的概念。为了进一步扩展DrivAer的可用性，提出了一种新的模型，即所谓的AeroSUV。AeroSUV的结构与一种DrivAer结构类似且代表了一款典型的中型SUV。引入的车辆几何结构能够承载现有驱动装置的某些部分，例如后端。新AeroSUV的几何结构将作为开放式几何结构在ECARA网站（http://www.ECARA.org/）上下载。本文着重介绍了AeroSUV的概念布局，并对物理四分之一比例试验模型的设计进行了说明。此外，还将提供初始风洞试验数据和CFD结果。
介绍
自WLTP引入以来，空气动力学对确定消耗量的影响显著增加。此外，确定过程不仅是基于模型，而且还基于单个汽车的饱和度，包括所有外部附加部件。这导致了在气动研究和开发中更高要求的提出。对于生产汽车的研发过程中的调查或是早期阶段的研究，都需要与单个汽车类别相对应的通用模型。
在过去的几年里，SUV在全球市场上获得了最大增速的份额。对于这一段，只报道了少部分特征是SUV基本形状的通用模型。此外，与今年的车辆相比，其余车型缺乏细节。这阻碍了气动研究成果的传承。此外，对原始设备制造商的基本研究仅限于以前的模型，因此并没有怎么被发表。
为了弥补这一不足，并以可用于研究学术、原始设备制造商和供应商的高质量SUV模型为特色，本工作重点研究了AeroSUV的开发。为了分析模型的使用以及强调其必要性，首先考虑现有模型的研究。通过对市场上引入的SUV模型的分析和法律标准的具体规定来扩展，以规定AeroSUV的几何要求。此后，才能创造第一个设计。因为AeroSUV将会提供一个真实的形状，此项设计是空气动力学优化。这是用于FKFS的25％比例模型的几何的结果。
现有通用模型
copy; 2019 SAE International. All Rights Reserved.
图1
SAE参考几何结构（左上角）[2]，与Al Garni等人的通用SUV相对应。（右上角）[3]，对应于Wood等人的通用SUV。（左下）[4] 以及DrivAer模型（右下角）[5]
与Le Good和Garry相对应的是，现有的空气动力学研究模型可以细分为简单的车身和基本的车型。第一类包括像图1左上角所示的Ahmed或SAE参考体这样的几何体。这些几何结构是抽象的，但它们捕捉了地面附近三维钝体的基本流动特征。为了抽象地描绘不同的尾部，可以改变或改变这些部分的倾斜角度。
在研究流动细节时，这些模型必须适应其几何复杂性。1995年Cogotti提出了一项对SAE进行地面模拟的研究，增加了不同的轮和轮拱。这个全尺寸模型的特征后来被Kuthada等人发现。对于25%比例的模型。根据Wiedemann的散热器模拟器或简化的发动机机体和热交换器，在该设计中增加了一个通用的冷却风道。Baeder等人采用了这种几何设置。以验证引擎盖下的CFD模拟。在随后的工作中，该模型进一步扩展到地板下区域传热的验证工作中。
即使添加了车轮或通用引擎盖下几何图形，外部轮廓的详细程度与研究的详细程度之间始终存在差异。此外，这种自适应导致了一个单独的解决方案，这与仅仅捕获基本流特性的简单体的正确想法存在争议。
还有第二种参考车型，即所谓的基本车型。它们的特点是不太抽象的形状，可以描绘不同的车辆类别。2004年，Al-Garni等人推出了第一款SUV的通用模型。如图1所示。它已经被Krishnani和周用于SUV减阻的研究。该模型提供了一个类似SUV的横截面积，但接近角和离去角没有正确建模。此外，车轮完全集成。Wood等人在2015年对此进行了改进。使用通用SUV，如图1的左下角所示。它的基本外形源自于1970年至2011年间发布的多款SUV。该模型已被Forbes用于不同模拟方法的比较，或被Kabanovs用于喷雾冲击的数值研究。
这些模型大多是在汽车风洞中很少考虑地面模拟技术的时候发布的。因此，大多数型号没有或至少没有非旋转车轮。Wauml;schle等人表示，车轮的转动、轮罩以及它们之间的相互作用和车辆的尾部对流量有很大的影响。此外，即使是基本的汽车外形，其外部轮廓的细节程度也有限，而且往往忽略冷却空气的流动。
与当今生产的汽车相比，这一缺失的细节得到了Heft等人的补充。2012年，他们提出了一个称为DrivAer的通用模型（如图1右下角所示）。它有一个现实的轮廓和特点，三个不同的后端几何（轿车，房地产和快速回来）以及两个底层配置（平面和详细）。车轮是详细的，可以旋转。
Wittmeier和Kuthada[16]对该模型进行了扩展，增加了通用的传动系统和冷却空气系统，形成了所谓的开放式冷却DrivAer模型（OCDA）。所得到的模型提供了一个类似于生产车的流场，使得研究流动细节成为可能，因为所有的干涉几何细节都存在。
尽管这款车型具有理想的细节水平，但它无法描绘SUV的空气动力学特性。较大车轮的旋转、车身的纵横比或离地间隙的增加等引起的流动特性对空气动力特性都有很大影响。因此，需要一个高细节的SUV模型来进行空气动力学研究。AeroSUV将填补详细通用车型领域的空白。
AeroSUV的发展
对于AeroSUV的开发过程，必须根据SUV车型的标准来定义需求。这包括几何和空气动力学要求以及所需的模块化。根据需要，利用CFD对得到的模型进行了优化，并给出了最终的模型。
要求
如今，市场上推出的中型SUV大多具有较大的底盘高度和车轮尺寸。此外，SUV的接近角、离去角和纵向通过角都比轿车和旅行车有所增加，以改善越野车的外观和性能。一些车型的底盘高度比普通SUV低，被称为城市跨界SUV，而另一些车型的底盘更高，以增强越野能力。由于几何尺寸变化较大，首先分析其法律要求。
在欧盟，SUV没有严格的定义。德国联邦汽车运输管理局（KBA）将该段定义为不满足M1G车辆等级所有要求，但具有越野印象的车辆。除其他外，M1G规定了越野车的几何特征如下：最小离地间隙定义为车轴下180mm，车辆中部200mm。接近角设置为至少25°且离去角设置为至少20°。最后，定义了不小于20°的纵向通过角。
在美国，SUV最好注册为轻型卡车。因此，必须遵守《联邦法规》（CFR）sect;523.5-b。几何限制与欧共体（M1G）定义的越野车类别相对应，但接近角为28°、纵向通过角为14°。欧盟和美国的法规允许忽略一个几何参数，仍然满足要求。
根据行驶速度和条件，SUV在市场上的底盘高度通常是可调的。因此，AeroSUV的乘坐高度也应可调。底盘高度影响着离地间隙、总高度、接近角、离去角和超越角。至少，对于乘座高度的顶部位置，AeroSUV应同时满足欧盟M1G和美国sect;523.5-b的要求。对于空气动力转向的标准乘座高度，这些值不必满足。
|
车型 长（mm） 宽（mm） 高（mm） |
|||
|
奥迪 Q5 |
4629 |
1893 |
1655 |
|
宝马 X3 |
4708 |
1891 |
1676 |
|
路虎发现运动版 |
4589 |
1894 |
1724 |
|
奔驰GLC |
4656 |
1890 |
1639 |
|
保时捷麦肯 |
4681 |
1923 |
1624 |
表1 在市场上选择的中级SUV的尺寸和衍生的AeroSUV尺寸
法规中没有关于SUV外形尺寸的信息。因此，如表1所示，这些数值来自市场上的实际中级SUV。显示的宽度不考虑侧视镜。
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图2 AeroSUV的几何要求
总长度在4600-4700毫米之间变化，从而形成了AeroSUV所需的长度范围。宽度和高度的值以相同的方式导出。由此产生的几何要求如图2所示。对于SUV来说，阻力系数越低越好。阻力系数的目标范围为0.30-0.35，代表了一款厌氧动力的高级中级SUV。由于关于生产SUV的升力分布信息很少，所以升力平衡最好是中性的。作为对几何值的补充，AeroSUV的横截面积在2.4-2.6 m2之间。
AeroSUV应采用模块化设计，提供与生产车相同的详细程度。此外，普通SUV与房地产后端，快背或轿跑SUV正在日益普及。一些汽车制造商也推出了掀背车型。在现有的通用车型中，DrivAer车型已经提供了这三种后端变体。AeroSUV车型的设计必须与这些后端兼容。此外，还采用了引擎盖下室、传动系统和车轮设计。
气动优化
根据需求，可以设计模型的第一个概念。该模型满足几何要求，但由于需要气动复杂模型，需要进一步优化。在CFD中以25%的比例进行了优化。模拟包括一个开放的格栅和冷却空气流量。
数值设置
在EXA-PowerFLOW环境下，采用CFD数值模拟方法对某航空越野车进行了气动优化。该商业求解器基于格子玻尔兹曼方法，在汽车工业中得到了广泛的应用。设置符合EXA最佳实践。模拟体积简化为阻塞率为0.1%的盒子，向上游延伸9个车长，向下游延伸13个车长。模拟装置由大约78mio组成。流体细胞（体素），最细的细胞大小为0.6毫米。采用轮缘滑动网格结合轮缘旋转壁边界条件，建立了轮缘旋转的数学模型。为了模拟与斯图加特大学模型尺度风洞（MWK）相同的地面条件，将相应的5带系统定义为动壁边界条件。剩余建筑面积设置为无摩擦墙。
采用多孔介质模拟由于散热器和热交换器所造成的压力损失。无冷却气流的结构是基于一个封闭的上下格栅，以模拟风洞中用于确定冷却阻力的典型测量。根据以下公式，流速50m /s时，可得雷诺数为2.3times;106。
Re u lw
a
其中uinfin;=流速，lw=轴距，nu;a =空气的运动粘度
优化过程的结果
优化的重点是阻力和升力的分布。由于所定义的几何要求和所需的适应驾驶者后端的能力，用于优化的参数是有限的。图3显示了分析参数的子集。
图3 AeroSUV模型的优化参数
最初的优化集中在车辆前部。仿真结果表明，增大的掠角和减小的倾斜角，加上延伸的前悬，可以减小阻力和升力。然而，这也降低了接近角。因此，根据飞行器的几何要求，将其优化限制在最小接近角范围内。
此外，据报道车身的负俯仰角通过形成扩散器来减小阻力。如前所述，AeroSUV的底盘高度需要可调。这提供了调整底盘高度以描述不同驾驶条件的机会。综合考虑最小离地间隙和空气动力学，设置俯仰角为-1.5°。
如前所述，发动机室内的几何结构以及冷却空气出口的位置和尺寸均采用DrivAer。先前的研究表明，减少冷却空气的泄漏流量可以减少阻力。因此，DrivAer的风道被改造成了新的几何结构。阻力降低了0.004，冷却空气流量增加了27%。
最后，对后车底进行了优化。这个过程导致一个弯曲的车底，形成一个后扩散器。尽管排气管集成在后车底，但布局设计是对称的。优化后的升力阻力系数分别为0.328和-0.024，满足气动要求。
AeroSUV的几何结构
图4基线条件下
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