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空氣動(dòng)力學(xué)性能集成開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2019-08-30 18:15:37·  來源：中汽中心空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室  作者：劉學(xué)龍  
　
隨著汽車性能的不斷提升，以及汽車智能化的飛速發(fā)展，對汽車產(chǎn)品的性能提出了更高的要求?？諝鈩?dòng)力學(xué)性能是汽車最重要的性能之一，與整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱
隨著汽車性能的不斷提升，以及汽車智能化的飛速發(fā)展，對汽車產(chǎn)品的性能提出了更高的要求?？諝鈩?dòng)力學(xué)性能是汽車最重要的性能之一，與整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性和舒適性等均有密切的關(guān)系，且空氣動(dòng)力學(xué)不再單純考慮某一方面，而是綜合考慮多個(gè)方面的影響，如風(fēng)阻、風(fēng)噪性能與車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性直接相關(guān)，整車污染物控制技術(shù)（涉水、除塵、防污、水管理等）影響車輛的行駛安全性和可靠性，高速穩(wěn)定性、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性影響車輛的高速行駛安全性。
 
中汽中心工程院通過引進(jìn)國內(nèi)外頂尖的空氣動(dòng)力學(xué)專家和資深工程師，建立了一支擁有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的空氣動(dòng)力學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，此外，一座專注于汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究的氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞和一座專注于熱力學(xué)研究的環(huán)境風(fēng)洞正在建設(shè)過程中，打造一體化、全流程的性能開發(fā)和測試評價(jià)服務(wù)平臺(tái)，為企業(yè)在整車降風(fēng)阻、高速下的操縱穩(wěn)定性、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性、整車水管理、涉水、除塵、氣動(dòng)聲學(xué)等方面提供完整的空氣動(dòng)力學(xué)解決方案，助力我國汽車產(chǎn)業(yè)升級。

 
汽車氣動(dòng)性能研究
 
當(dāng)前降低整車能耗的手段包括以下四種：氣動(dòng)減阻、輕量化、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、新能源技術(shù)。在新車型開發(fā)階段，通過整車外形優(yōu)化降低汽車風(fēng)阻從而降低汽車行駛阻力，是節(jié)能降耗最經(jīng)濟(jì)有效的手段。工程院開發(fā)服務(wù)團(tuán)隊(duì)掌握正向空氣動(dòng)力學(xué)性能開發(fā)技術(shù)，自產(chǎn)品規(guī)劃開始直至量產(chǎn)，空氣動(dòng)力學(xué)性能開發(fā)貫穿于整個(gè)過程，空氣動(dòng)力學(xué)工程師自效果圖階段即開始介入工作，與造型設(shè)計(jì)師共同討論確認(rèn)符合空氣動(dòng)力學(xué)的造型約束，集成CFD仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)、道路試驗(yàn)等多種開發(fā)手段，確保汽車氣動(dòng)性能目標(biāo)的達(dá)成。目前工程院已承接并完成國內(nèi)多款SUV、三廂乘用車、重型商用車、新能源車等的工程服務(wù)項(xiàng)目。

 
汽車氣動(dòng)噪聲技術(shù)研究
 
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)噪音和胎噪的大幅降低，以及新能源車的快速發(fā)展，氣動(dòng)噪聲（即風(fēng)噪）成為高速行駛汽車的首要噪聲源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)噪是客戶抱怨最多的汽車性能問題之一，其性能直接影響了消費(fèi)者的品牌認(rèn)可度和汽車銷量。風(fēng)噪的主要頻率范圍為100~4000HZ，排除密封、泄漏等工藝因素后，A柱、后視鏡、側(cè)窗、雨刷、天線、門把手等部位的渦流是產(chǎn)生風(fēng)噪的主要根源。工程院運(yùn)用LBM（格子玻爾茲曼）、LES（大渦模擬）等方法，在設(shè)計(jì)階段通過CFD仿真準(zhǔn)確預(yù)測汽車外形的變化引起的車內(nèi)噪聲的變化量大小，并形成了集CFD仿真、設(shè)計(jì)規(guī)范、風(fēng)洞試驗(yàn)、道路試驗(yàn)于一體的氣動(dòng)噪聲解決方案，為汽車企業(yè)減少研發(fā)成本、提高研發(fā)效率和研發(fā)質(zhì)量提供保障。
 
 
天窗風(fēng)振技術(shù)研究
 
在風(fēng)噪聲的諸多抱怨中，開天窗或側(cè)窗而引起的汽車顫振現(xiàn)象（即風(fēng)振，buffeting）是另外一個(gè)重要因素。天窗風(fēng)振顯著表現(xiàn)為開啟天窗時(shí)車內(nèi)以接近于 20Hz 的頻率周期性的波動(dòng)，乘客艙內(nèi)產(chǎn)生一種讓人不適的，低頻高振幅的噪音。天窗風(fēng)振是由于天窗前緣的剪切層產(chǎn)生的脫落渦撞擊到天窗開口的后緣（天窗玻璃的前緣），其產(chǎn)生的流動(dòng)激勵(lì)引起駕駛艙的亥姆霍茲共振。在汽車開發(fā)的早期，由于工程樣車的工藝導(dǎo)致泄漏，難以對風(fēng)振進(jìn)行有效評估。而隨著泄漏問題逐漸解決，天窗風(fēng)振問題便更為突顯，但設(shè)計(jì)定型使得汽車風(fēng)振問題的解決往往耗時(shí)且改善成本巨大。工程院通過耦合外部流動(dòng)和駕駛室內(nèi)部聲腔響應(yīng)，幫助工程師準(zhǔn)確預(yù)測天窗或側(cè)窗的顫振問題，并準(zhǔn)確評估顫振的嚴(yán)重性，發(fā)生和終止時(shí)的車速及對應(yīng)的峰值。因此，對于天窗風(fēng)振的研究可提前至設(shè)計(jì)階段，通過準(zhǔn)確預(yù)測顫振現(xiàn)象，并評估改進(jìn)方案的效果。

 
汽車外表面污染物控制技術(shù)研究
 
整車表面污染物控制是近年來汽車空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)新興研究課題。表面污染物是指附著在車身表面能夠影響駕駛?cè)藛T視野，以及車體自身可見性，系統(tǒng)性能和美觀的物質(zhì)，主要包括環(huán)境中的水滴（顆粒直徑1-3mm），路面上的塵土（顆粒直徑2.5-10μm），以及二者混合而成的泥漿。車身表面污染物長期累積，對于整車及各零部件性能都會(huì)產(chǎn)生不同程度的負(fù)面影響，如：

- 阻擋駕駛員視線：如前、后擋風(fēng)玻璃；外后視鏡
- 降低車自身能見度：如前大燈、尾燈
- 損壞零部件：如攝像頭、雨刮器
- 影響車身美觀及用戶體驗(yàn)
- 造成二次污染，傳遞給車輛乘用人員。

工程院運(yùn)用大渦模擬(LES)瞬態(tài)仿真技術(shù)對行駛狀態(tài)下污染物附著過程進(jìn)行模擬計(jì)算，在保證風(fēng)阻、風(fēng)噪等性能的前提下，降低車輛外表面污染物水平。

 
側(cè)窗雨水管理技術(shù)研究
 
一款車型的水管理質(zhì)量問題直接會(huì)影響整個(gè)品牌的銷量和形象，無效水管理帶來強(qiáng)烈的客戶抱怨，如車門滲水、天窗露水、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水等。整車水管理是指各種外界水環(huán)境與車輛各種狀態(tài)組合下的舒適性和可靠性，涉及水密封和水防護(hù)、外車體污染、側(cè)窗和后視鏡雨水條件下視野優(yōu)化、雨水槽排水、前照燈起霧等。側(cè)窗雨水管理表現(xiàn)為在雨水條件下，雨刮片推動(dòng)雨水越過A柱，會(huì)影響側(cè)窗的可見度，同時(shí)希望在側(cè)窗稍微打開時(shí)，雨水不會(huì)越過A柱進(jìn)入乘員艙，而對于后視鏡而言，則希望保證后視鏡在雨水條件下的可視性。側(cè)窗雨水管理與風(fēng)阻、風(fēng)噪是相互矛盾的關(guān)系，在空氣動(dòng)力學(xué)開發(fā)的過程中，如果忽視側(cè)窗雨水管理，則可能會(huì)導(dǎo)致較嚴(yán)重的側(cè)窗雨水管理的問題，影響駕駛安全性。側(cè)窗雨水管理與前風(fēng)擋玻璃、A柱、后視鏡設(shè)計(jì)等均有直接的關(guān)系。工程院運(yùn)用CFD仿真、環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)、道路主觀評價(jià)試驗(yàn)等方法，對側(cè)窗雨水管理進(jìn)行開發(fā)研究，確保車輛在雨水條件下的可視性。CFD可以模擬雨滴和車身的相互作用，雨刮的運(yùn)動(dòng)可以采用多種方法模擬，如Overset、動(dòng)量源，通過跟蹤分析雨水來優(yōu)化A柱的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)定型之前通過水管理分析優(yōu)化A柱設(shè)計(jì)。

 
 

 
車輛涉水性能研發(fā)
整車涉水性能研發(fā)，即車輛在通過被水淹沒的道路時(shí)，車輛及關(guān)鍵零部件自身防水的能力。車輛涉水可能導(dǎo)致的問題：
-發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管口進(jìn)水，導(dǎo)致熄火，甚至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水、報(bào)廢；
-電子零件進(jìn)水，導(dǎo)致零件短路；
-排氣管進(jìn)水，導(dǎo)致三元催化器壽命減短。

工程院具備整車涉水仿真和試驗(yàn)的能力，在設(shè)計(jì)階段通過CFD仿真的手段，采用VOF方法模擬水的流動(dòng)，車輛可以采用Overset來考慮整車的運(yùn)動(dòng)，或者采用相對運(yùn)動(dòng)的方法模擬水流或邊界的速度，得到冷凝器、散熱器、中冷器等部件的水面高度隨時(shí)間的變化曲線，以及流過這些部件的水的質(zhì)量流量，預(yù)測評估車輛涉水風(fēng)險(xiǎn)，提升車輛的涉水性能。
前照燈起霧
前照燈起霧影響用戶體驗(yàn)、降低行駛安全、加速部件老化，導(dǎo)致：
 
- 空氣中的水蒸氣遇冷凝結(jié)在車燈配光鏡內(nèi)表面，影響車燈外觀；
- 降低車燈照明效果，影響行車安全；
- 結(jié)露積水難以排出，嚴(yán)重影響車燈燈泡的使用壽命和車燈內(nèi)電路安全；
- 水蒸氣在車燈反射鏡和透鏡表面的長期凝結(jié)，將腐蝕材料，導(dǎo)致車燈材料加速老化變形、破壞光學(xué)效果等。

起霧原因主要為三點(diǎn)：
- 前照燈自身的密封性能不良，造成起霧嚴(yán)重后，在前大燈熱循環(huán)死角形成露水；
- 透氣孔位置布局不合理及數(shù)量過多，造成前大燈內(nèi)部吸潮過量；
- 造型曲面落差過大，造成前照燈內(nèi)部熱循環(huán)不暢。

 
側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性技術(shù)研究
 
在高速行駛時(shí)，汽車很容易發(fā)生橫擺、側(cè)滑，甚至側(cè)翻等失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響行車安全，汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性即汽車在行駛過程中遇到側(cè)風(fēng)干擾時(shí)保持航道和穩(wěn)定行駛狀態(tài)的能力。國外學(xué)者及主機(jī)廠已建立針對側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的仿真和道路測試規(guī)范，并將該研究應(yīng)用到量產(chǎn)車型開發(fā)中，如美國福特公司對旗下撼路者、福睿斯、B-MAX等車型進(jìn)行了橫風(fēng)穩(wěn)定性道路測試；日本豐田、馬自達(dá)等公司也進(jìn)行了相關(guān)研究。奔馳公司更是率先開發(fā)了側(cè)風(fēng)穩(wěn)定輔助系統(tǒng)，作為主動(dòng)安全控制的全新模塊，裝配在S級、GL級、GLA級，以及smart fortwo 等多款車型上。國內(nèi)整車企業(yè)針對汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能開發(fā)的重點(diǎn)是降低整車風(fēng)阻，對側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的研究幾乎處于空白。工程院正在開展該方面的研究，開發(fā)具有高精度的大規(guī)模瞬態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，并建立基于整車空氣動(dòng)力學(xué)與多體動(dòng)力學(xué)的聯(lián)合仿真體系。
制動(dòng)冷卻性能研發(fā)
 
車輛制動(dòng)系統(tǒng)性能對車輛行駛安全性和可靠性至關(guān)重要，制動(dòng)系統(tǒng)性能需要大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，才能保證車輛在任何情況下的制動(dòng)性能。制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是防止剎車盤過熱從而導(dǎo)致制動(dòng)效率下降或制動(dòng)失效。因此，如何在車型開發(fā)早期預(yù)測車輛的制動(dòng)性能，以避免過設(shè)計(jì)或后期高昂的設(shè)計(jì)變更成本，同時(shí)可以樣車測試的成本。工程院運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算方法，對車輛制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行高精度瞬態(tài)仿真，在設(shè)計(jì)早期預(yù)測極端測試工況下制動(dòng)系統(tǒng)的熱性能，并提出改進(jìn)優(yōu)化措施，保證車輛的制動(dòng)性能。

空氣動(dòng)力學(xué)產(chǎn)品研發(fā)及配套
空氣動(dòng)力學(xué)產(chǎn)品按驅(qū)動(dòng)方式可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，其中主動(dòng)式尾翼、主動(dòng)式進(jìn)氣格柵（AGS）等為主動(dòng)式產(chǎn)品。主動(dòng)式尾翼在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用源自F1方程式賽車，隨著空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的空氣動(dòng)力學(xué)先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用推廣到普通乘用車上，從而帶來空氣動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)的巨大進(jìn)步。AGS是通過測量發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、機(jī)油溫度、空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)、進(jìn)氣溫度等信息，依靠控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣格柵的百葉片開啟一定角度或者關(guān)閉的裝置。主動(dòng)進(jìn)氣格柵可降低車輛行駛過程中的氣動(dòng)阻力，提高機(jī)艙熱效率，提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性。工程院依托風(fēng)洞試驗(yàn)室、環(huán)境艙、空調(diào)單體試驗(yàn)臺(tái)等研發(fā)設(shè)備，為行業(yè)提供空氣動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)及配套服務(wù)。 
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