如果用一種武功來形容風(fēng)阻對(duì)標(biāo)，那一定是歐陽鋒的“蛤蟆功”，蛤蟆功能夠一招制敵的關(guān)鍵就是發(fā)功前的“積勁聚力”，就如同風(fēng)阻對(duì)標(biāo)之前的充分準(zhǔn)備。為了實(shí)現(xiàn)最完美的對(duì)標(biāo)，實(shí)驗(yàn)和仿真之前都需要充分的準(zhǔn)備。

關(guān)于風(fēng)阻對(duì)標(biāo)，相信各大主機(jī)廠都有一套自己的流程與準(zhǔn)則。本文就借助現(xiàn)代杰恩斯在空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的“他山之石”，為大家呈現(xiàn)風(fēng)阻對(duì)標(biāo)如何厚積薄發(fā)。


 //杰恩斯1/4縮比模型在FKFS/IVK風(fēng)洞中的測(cè)試（SAE 2011-01-0158）

01  到底如何處理才能實(shí)現(xiàn)幾何模型的一致？

提起實(shí)驗(yàn)和仿真的對(duì)標(biāo)，相信大家第一反應(yīng)就是模型的一致性。除了大家都會(huì)關(guān)注的數(shù)據(jù)版本的一致性之外，杰恩斯的對(duì)標(biāo)更進(jìn)一步的準(zhǔn)確還原了實(shí)驗(yàn)所用的幾何。我們知道仿真中的數(shù)模通常由造型設(shè)計(jì)給出，物理樣車的加工雖然使用的也是同樣的數(shù)模，但是樣件加工本身會(huì)存在誤差，本例中的加工誤差約為3mm；而裝配使得實(shí)際模型的誤差進(jìn)一步增加到5mm。如果仿真繼續(xù)使用原始的幾何模型——這樣的差異對(duì)于1/4縮比模型來說不可忽略。



所以模型裝配完成后，又對(duì)該模型進(jìn)行了掃描。然后再使用變形工具，對(duì)仿真的原始模型進(jìn)行morphing，使其貼合到掃描模型上，保證仿真所用的模型和實(shí)驗(yàn)一致。

“這過程有點(diǎn)費(fèi)勁啊，可以直接用掃描后的幾何嗎？”

如果掃描的點(diǎn)云質(zhì)量不錯(cuò)，直接用也并非不可。無奈掃描質(zhì)量常常是令人堪憂的，尤其是對(duì)于縮比模型，其掃描曲面的不光滑程度相比于整車可能會(huì)更嚴(yán)重，還是老老實(shí)實(shí)做morphing吧。

除了車身之外，還有輪胎的準(zhǔn)確性，大家還記得我們?cè)?ldquo;小小的車輪”那篇文章中介紹過準(zhǔn)確模擬輪胎的難點(diǎn)嗎？不過本例中使用的是鋁制的溝槽胎，而非常規(guī)的橡膠輪胎，因此直接在輪胎表面設(shè)置旋轉(zhuǎn)壁面邊界條件即可。

02  風(fēng)洞環(huán)境也要一致哦

對(duì)于風(fēng)洞環(huán)境，首先要考慮的就是風(fēng)洞幾何。仿真的數(shù)值風(fēng)洞完全還原了IVK風(fēng)洞駐室內(nèi)的幾何，包括各種支撐和測(cè)量機(jī)構(gòu)。為了進(jìn)一步避免把邊界條件設(shè)置到回流以及流場(chǎng)波動(dòng)較大的面上，風(fēng)洞的進(jìn)、出口都被向外延伸了一定距離。



為了盡量復(fù)現(xiàn)真實(shí)路面行駛工況，現(xiàn)代風(fēng)洞通常會(huì)應(yīng)用邊界層處理系統(tǒng)和五帶系統(tǒng)等設(shè)施。這些裝置也需要在仿真中考慮。五帶系統(tǒng)的模擬比較簡(jiǎn)單，直接把實(shí)驗(yàn)同等尺寸的幾何設(shè)置為移動(dòng)壁面條件，即可很好的模擬五帶的效果。邊界層抽吸的處理則較為復(fù)雜，實(shí)際風(fēng)洞中通過一個(gè)或多個(gè)孔板進(jìn)行抽吸，而計(jì)算中為減少計(jì)算量通常將孔板簡(jiǎn)化為平面，并在該面上設(shè)置出流邊界條件進(jìn)行模擬。



對(duì)于空風(fēng)洞來說，將實(shí)際的抽吸流量直接設(shè)置到計(jì)算模型中，同時(shí)將來流速度指定為該面上的水平速度即可模擬邊界層抽吸的效果；然而當(dāng)車輛置入風(fēng)洞后，流動(dòng)則會(huì)在車頭附近滯止，并繞過車頭流向兩側(cè)。因而車輛前方的邊界層抽吸位置，也會(huì)產(chǎn)生一定的橫向速度，在仿真中忽略的話會(huì)造成一定的誤差。更為麻煩的是，不同的車型，以及不同的擺放位置，都會(huì)影響到此速度分布，因此即使在抽吸面上施加一個(gè)統(tǒng)一的速度分布，也是不準(zhǔn)確的。



更合理的方法是在邊界層抽吸面上方的一定距離位置，設(shè)置一個(gè)采樣面，在計(jì)算過程中，每隔一定時(shí)間記錄該采樣面上的水平速度，并將其映射到抽吸面上。若干次迭代之后，邊界層抽吸面附近的流場(chǎng)趨于穩(wěn)定，其作用效果才接近于實(shí)際。



另外，為了快速的越過初始流場(chǎng)，并增加計(jì)算的穩(wěn)定性，還需要在必要的區(qū)域施加消除壓力波動(dòng)的措施。

03  風(fēng)阻系數(shù)還需要修正？

“我們?cè)谟?jì)算設(shè)置時(shí)，不是已經(jīng)把風(fēng)洞的因素都考慮進(jìn)去了嗎，為什么還要對(duì)風(fēng)阻進(jìn)行修正？”

大家知道，計(jì)算風(fēng)阻系數(shù)需要用到參考速度（換算為動(dòng)壓），即前方來流的速度；如果還要進(jìn)一步對(duì)標(biāo)壓力測(cè)點(diǎn)的壓力系數(shù)，則還需要用到參考?jí)毫Α?br />
在開放路面的仿真中（阻塞比小于1%），計(jì)算空間內(nèi)的遠(yuǎn)方來流速度可直接作為參考速度。而在風(fēng)洞中，由于噴口的射流效應(yīng)、收集口阻塞和車輛本身帶來的阻塞（一般汽車風(fēng)洞的阻塞比為10%），車輛所“感受到“的參考速度和計(jì)算中設(shè)置的參考值有所不同。



01  “風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如何修正？”

對(duì)于空風(fēng)洞，可以使用壓力探針測(cè)量天平中心的動(dòng)壓，并調(diào)節(jié)風(fēng)洞控制系統(tǒng)，使天平中心的風(fēng)速符合預(yù)期。然后進(jìn)行實(shí)車測(cè)試時(shí)，許多風(fēng)洞會(huì)直接沿用空風(fēng)洞的控制參數(shù)，并使用空風(fēng)洞測(cè)得的天平中心動(dòng)壓作為計(jì)算風(fēng)阻系數(shù)的參考。而有的風(fēng)洞，則會(huì)進(jìn)一步對(duì)風(fēng)洞的控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以修正放入車輛后的阻塞效應(yīng)。

02  “仿真能否使用相同的辦法？”

仿真可以使用上述的空風(fēng)洞法，但是，盡管仿真完全復(fù)原了駐室區(qū)域，卻難以反映整個(gè)風(fēng)洞循環(huán)的特征，尤其是風(fēng)機(jī)特性對(duì)整個(gè)流動(dòng)環(huán)路內(nèi)的沿程阻力較為敏感。因此如果使用和風(fēng)洞相同的修正方法，得到的結(jié)果仍會(huì)有少許差異。而假如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)本身還有額外的修正，仿真工程師又無法獲取修正的細(xì)節(jié)，則將對(duì)修正帶來另外的困擾。



03  “還有更好的辦法嗎？”

為了更好的修正車輛的阻塞效應(yīng)，現(xiàn)代杰恩斯的這個(gè)項(xiàng)目中，借助了開放路面的仿真計(jì)算提出了一種更合理的方法。

由于開放路面的仿真中，車輛的阻塞比足夠小（~1%），因此可以獲得準(zhǔn)確的參考速度和參考?jí)毫Γ欢鴰в姓鎸?shí)幾何的數(shù)值風(fēng)洞中，準(zhǔn)確的參考速度和參考?jí)毫κ俏粗?。不過二者的流動(dòng)具有高度相似性，因而車身周圍的無量綱參數(shù)可以認(rèn)為是相同的。如果任選車身周圍的兩個(gè)位置，分別對(duì)兩種仿真計(jì)算求取其壓力系數(shù)，令其壓力系數(shù)相等，便可反算出帶有真實(shí)幾何的數(shù)值風(fēng)洞中的參考速度和參考?jí)毫@兩個(gè)未知量。

在具體的計(jì)算過程中，為了減小截?cái)嗾`差的影響，可選取兩個(gè)壓力系數(shù)差異較大的位置，比如車輛前方的滯止區(qū)和車頂?shù)呢?fù)壓區(qū)（想知道具體計(jì)算過程的小伙伴們，可以私信我們哦）。

那么修正結(jié)果如何呢？下圖給出了仿真與實(shí)驗(yàn)的風(fēng)阻系數(shù)對(duì)比?？梢妿缀鯇?duì)于每個(gè)方案，新方法修正后的結(jié)果都是與實(shí)驗(yàn)最接近的。



04  風(fēng)阻對(duì)標(biāo)還有哪些需要注意的？

風(fēng)阻對(duì)標(biāo)除了要考慮上述的內(nèi)容之外，根據(jù)不同的風(fēng)洞和對(duì)標(biāo)的目的，還有一些因素不可忽視：

1.如果實(shí)驗(yàn)用到了真實(shí)車輪，仿真中也需考慮對(duì)輪胎下側(cè)變形和胎紋的復(fù)現(xiàn)；

2.如果實(shí)驗(yàn)中的車身姿態(tài)沒有鎖死，則也需要考慮升力對(duì)車身姿態(tài)的影響；

3.有些風(fēng)洞的收集口會(huì)根據(jù)車輛大小進(jìn)行調(diào)整，因此收集口的變動(dòng)也需體現(xiàn)在模型中。

完美的對(duì)標(biāo)確實(shí)不容易，大部分的實(shí)驗(yàn)和仿真可能都不具備完全對(duì)標(biāo)的條件，那么對(duì)于沒有在仿真中體現(xiàn)的影響因素，則需要分辨其可能的影響：

1.如果計(jì)算不考慮風(fēng)洞幾何和邊界層抽吸，則風(fēng)阻的絕對(duì)值基本難以保證，對(duì)標(biāo)的精力應(yīng)主要放在方案效果上；

2.如果發(fā)艙冷卻氣流出口有較大開口在輪腔附近，則必須考慮精確評(píng)估前輪尾流對(duì)冷卻阻力的影響；

3.如果仿真是基于開放路面且沒有五帶系統(tǒng)，車輪也是光頭胎，那么基本就不用考慮升力的對(duì)標(biāo)了；

4.如果仿真和實(shí)驗(yàn)幾何有較大差異，甚至計(jì)算模型有缺失，那還是不要對(duì)標(biāo)了，否則會(huì)無所適從；此時(shí)就讓仿真工具回歸其本源屬性吧——我們是設(shè)計(jì)優(yōu)化的好幫手。

05  小結(jié)

看到這兒，相信大家已經(jīng)感受到一個(gè)完美的風(fēng)阻對(duì)標(biāo)有多不容易。正如開篇提到的“蛤蟆功”，看似平淡無奇，卻能夠讓歐陽鋒位居五絕。對(duì)于風(fēng)阻的對(duì)標(biāo)，也唯有充分準(zhǔn)備，才能厚積薄發(fā)。謹(jǐn)以下圖總結(jié)的風(fēng)阻對(duì)標(biāo)流程獻(xiàn)給各位辛苦的CFDer。



關(guān)于仿真和實(shí)驗(yàn)的對(duì)標(biāo)，除了前后處理的一致性之外，還有最關(guān)鍵的求解器，也就是仿真算法的準(zhǔn)確性。為此，盧比和鋼蛋的小酒館近期會(huì)為大家?guī)韮杀灰粯拥碾u尾酒——“從RANS到DNS，湍流經(jīng)歷了什么？”以及“玻爾茲曼眼中的流體力學(xué)”，敬請(qǐng)期待。