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從車輛能量管理的角度認(rèn)識風(fēng)阻

2019-06-09 17:57:24·  來源：路面車輛空氣動力學(xué)  
　
引言對于普通乘用車空氣動力學(xué)工程師而言，雖然還有側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性、氣動升力和風(fēng)噪聲等開發(fā)工作，但是風(fēng)阻開發(fā)無疑是其最重要的工作內(nèi)容。風(fēng)阻系數(shù)開發(fā)的最終目的，
引言
   
對于普通乘用車空氣動力學(xué)工程師而言，雖然還有側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性、氣動升力和風(fēng)噪聲等開發(fā)工作，但是風(fēng)阻開發(fā)無疑是其最重要的工作內(nèi)容。風(fēng)阻系數(shù)開發(fā)的最終目的，是降低整車能耗。因此，從車輛能量管理的大框架出發(fā)，理解風(fēng)阻系數(shù)開發(fā)工作，將更有利于貼近工程實際，提升工作質(zhì)量。

1. 車輛能量轉(zhuǎn)換鏈
   無論將什么能源用于車輛推進(jìn)，都至少存在三個能量轉(zhuǎn)換過程。從一次能源開始到最終在汽車行駛中產(chǎn)生熱能的整個過程，被稱作能量轉(zhuǎn)換鏈。
  第一步：一次能源（化學(xué)能、太陽能或核能等），將能量轉(zhuǎn)存到汽車能量載體（電池、汽油和氫等）中。
  第二步：車輛推進(jìn)系統(tǒng)把能量以動能或勢能的行駛從上述能量載體中轉(zhuǎn)移到汽車的機械部件中。
    第三步，機械能轉(zhuǎn)換成熱能，釋放到周圍環(huán)境中。
  在每一個能量轉(zhuǎn)換鏈的結(jié)合點，都存在能量損失。但是，一般的車輛能量管理的概念，產(chǎn)生于能量轉(zhuǎn)換的第二步，旨在不影響性能和安全性的情況下，提升經(jīng)濟(jì)性并減少污染物排放，并維持車輛正常工作。
 以純電動車為例，下圖將能量轉(zhuǎn)化鏈中的第二步和第三步定性的表示出來。
   在這個復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)化路徑中，需要空氣動力學(xué)控制的一環(huán)，便是控制汽車在空氣中運動時對周圍空氣的“拖拽、拉扯” ，將有效的機械能向周圍空氣傳遞的過程。
2. 風(fēng)阻的來源
有幾個“怪”？
   對風(fēng)阻來源的理解，可以從著名的達(dá)蘭貝爾悖論（D‘Alembert's paradox）中得到啟發(fā)。也就是，在忽略粘性的理論模型中，在流體中運動的形體表面的壓力分布是對稱的，并且其承受的流體阻力為0。因此，空氣的“粘性”是風(fēng)阻的唯一來源。
 
  圍繞車輛的外部流場如上圖所示。在沒有發(fā)生流動分離的現(xiàn)象時，流體的“粘性”作用僅限于厚度為幾毫米的薄層之內(nèi)，即邊界層（boundard layer）內(nèi)。在邊界層的外部流動可以被視為非粘性流場，并且其壓力會對邊界層施加影響。在邊界層內(nèi)，空氣速度從處于邊界層外側(cè)的外部非粘性流場的速度，降低到壁面位置的0。當(dāng)發(fā)生流動分離現(xiàn)象時，邊界層就會“擴散”開來，并且在所謂的分離區(qū)內(nèi)空氣的運動則完全被“粘性”所控制。
 所謂“粘性”的微觀機理，不過是空氣分子之間通過“碰撞”傳遞動量的過程。在層流邊界層內(nèi)，通過空氣分子間的碰撞，車身表面會“拉扯”著幾毫米薄層內(nèi)的空氣一同前進(jìn)。當(dāng)發(fā)展到湍流邊界層后，邊界層內(nèi)的空氣發(fā)生了強烈的速度擾動，這種湍流擾動會引起額外的動量傳遞的效果。結(jié)果就會攪動更多的空氣參與車輛的運動。再進(jìn)一步發(fā)展，受車身形狀的影響發(fā)生“分離”現(xiàn)象后，整個分離區(qū)內(nèi)的空氣，都會被汽車“拖拽”著前行。
   在汽車駛過之后，那些被它“拖拽、拉扯”的空氣，會在其后方形成一條長長的尾跡，并且將這些從車身上獲得的動能，慢慢的摩擦耗散成熱量彌散到環(huán)境之中。至此，“攻城獅”們絞盡腦汁提升效率轉(zhuǎn)化而來的“機械能”，最終轉(zhuǎn)化成為低品位的熱能消散到環(huán)境中，這多少給人一種悲涼的宿命感。
3.   汽車風(fēng)阻開發(fā)的局限性 
汽車風(fēng)阻開發(fā)的局限性
    與航空領(lǐng)域不同，目前汽車空氣動力學(xué)的研究仍然由實驗方法所主宰，這是由汽車外形的復(fù)雜性所決定的。就像Wolf-Heinrich Hucho先生在其著作中所說的那樣，汽車空氣動力學(xué)仍然是一門經(jīng)驗科學(xué)，甚至可以說是一門“藝術(shù)”。
     前文對風(fēng)阻來源的描述 ，雖然只是定性的討論，但是也可以粗略的得出，環(huán)境流場的品質(zhì)對層流至湍流的轉(zhuǎn)捩以及分離現(xiàn)象的出現(xiàn)都會產(chǎn)生影響。進(jìn)而影響風(fēng)阻的具體數(shù)值。
  這種流場環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，環(huán)境湍流度和側(cè)風(fēng)。一方面，環(huán)境中的不穩(wěn)定陣風(fēng)、前車的尾跡和路邊的障礙物等，都會使得環(huán)境湍流度產(chǎn)生變化。另一方面，環(huán)境中的側(cè)風(fēng)同車輛的運動相耦合，使得車輛和環(huán)境空氣的相對速度并不完全的平行于汽車x軸。據(jù)統(tǒng)計，受側(cè)風(fēng)影響，美國乘用車行駛過程中的平均的偏航角度≈3°、商用車≈8°。
雖然，在具體的開發(fā)過程中，還有數(shù)值仿真和滑行試驗方法可以選擇。但是在很多情況下，風(fēng)洞試驗仍然是唯一相對可靠的手段。遺憾的是，受設(shè)備硬件局限性和試驗規(guī)范成熟度的限制，即使是風(fēng)洞試驗的結(jié)果也不能完全的代表真實道路環(huán)境中的情況。因此，從能量管理的角度出發(fā)，要求風(fēng)阻開發(fā)工程師要全面的了解各種風(fēng)阻系數(shù)開發(fā)手段的局限性。

4.   結(jié)語
  
在汽車上，很少有一項技術(shù)指標(biāo)像風(fēng)阻系數(shù)這樣，除了實際的工程意義，還額外附加了很多玄妙的廣告效應(yīng)。當(dāng)前，一方面油耗和排放法規(guī)不斷嚴(yán)苛，將能耗視為生命線的電動汽車逐漸普及 ；另一方面，具有國際水平的兩座新的風(fēng)洞設(shè)備即將投入使用。工程需求和開發(fā)硬件都已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，再加之車企們“技術(shù)廣告”的需求，眼見著空氣動力學(xué)專業(yè)，將會成為“風(fēng)口上的豬”隨著新風(fēng)洞的起風(fēng)飛上天。
    
但是，作為一名技術(shù)工程師，在這繁花錦簇之中，卻也難免心生不安。從能量管理本質(zhì)出發(fā)，理解風(fēng)阻開發(fā)、不斷克服開發(fā)手段的局限性將是我們面臨的又一個重要問題。

參考文獻(xiàn)：
[1] 《車輛能量管理：建模、控制與優(yōu)化》.Xi Zhang(中) Chris Mi(美)著. 2013.02
[2] 《Aerodynamics of Road Vehicles》. Wolf-Heinrich Hucho.第四版
 
 
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