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"漢"空氣動力學低風阻設計

2020-09-16 12:45:58·  來源：汽車CFD技術之家  作者：羅秋麗/張風利  
　
漢風阻開發(fā)過程為實現超低的風阻目標，漢在開發(fā)初期便定義了低風阻的設計策略，明確了如下設計原則：1、外造型采用前圓（頭）后方（尾）的風格；2、盡可能減少正
漢風阻開發(fā)過程

為實現超低的風阻目標，漢在開發(fā)初期便定義了低風阻的設計策略，明確了如下設計原則：

1、外造型采用“前圓（頭）后方（尾）”的風格；2、盡可能減少正壓區(qū)面積； 3、提高車體后部的壓力恢復，增加車尾背壓；4、減少氣流在車身表面的分離和內流損失。

這些理念與造型設計師、產品工程師提前進行了深入探討，對各種設計實現方式進行優(yōu)化驗證，空氣動力學性能與造型設計、產品設計、項目決策方達成了高度的融合。

空氣動力學形體優(yōu)化

良好的空氣動力學形體決定了車型風阻開發(fā)的最大潛力，由于涉及人機空間、總布置和造型姿態(tài)，在設計前期就需要被確定下來。Y=0截面和乘員艙上部的關鍵尺寸是主要的優(yōu)化對象，開發(fā)團隊應用基于網格變形的技術（如圖8所示）對外造型面進行快速修改和尋優(yōu)，將有效的方案轉換為幾何文件，輸出給造型設計師，大大提升了優(yōu)化的效率和空間。

車頭

降低車頭高度，可以減少前臉的正壓區(qū)面積，對降低風阻有積極的意義，漢的車頭高度比最初方案降低了40mm，風阻降低了5 count，如圖9所示。
 
前保險杠兩側的拐角位置是氣流管理的關鍵區(qū)域，設計師通常傾向于在此區(qū)域設計深坑、凸筋或飾條特征來增加車輛寬度方向的視覺效果，這給風阻設計帶來很大麻煩，此處的凹凸不平特征非常容易導致氣流分離，分離后氣流與下游車輪外側的紊亂氣流互相影響，使風阻大大增加。所以在此區(qū)域通常會設計空氣簾，將前保險杠迎風面的氣流引導到車輪外側，來補充車輪外側分離區(qū)的動量。經過與造型設計師的溝通和迭代優(yōu)化，漢最終在不增加空氣簾的情況下，車輪外的氣流分離區(qū)域很小，局部風阻基本沒有增加，如圖10~11所示。新一代“Dragonface”的前臉圓潤平滑，與完全光滑的前臉相比，風阻系數僅增加5count。
 
漢空氣動力學低風阻設計
 
車尾

車輛前后的壓差阻力是整車風阻的主要組成部分，提升車尾部的背壓對降低壓差阻力非常重要。車尾后部的尾渦受渦流旋轉的離心作用，渦心位置的壓力較低，應使渦心的位置盡可能遠離車體，以提升車尾部背壓。一般來說，采用圓角形狀的尾部氣流受壁面科恩達效應（CoandaEffect）和尾渦區(qū)內的低壓作用影響，容易使尾部氣流沿圓角內卷，造成圓角的局部負壓，并使尾渦中心更靠近車體。而對有清晰的分離邊緣的車尾，氣流果斷分離，受主流區(qū)的慣性作用，氣流向尾渦中心區(qū)內卷的現象推遲，尾渦中心離車體更遠。另一方面，圓角形狀的車尾，在不同雷諾數下氣流的分離位置是不固定的，而對尖銳邊緣的車尾，分離位置相對固定，尾渦的形態(tài)和風阻系數更穩(wěn)定[8]。因此漢采用了具有清晰分離邊緣的“方尾”造型，車尾四周的氣流分離線清晰，獲得了穩(wěn)定的尾渦結構以及更高的背壓。

 
車底部

車底部的氣流受地面與車體的擠壓效應、旋轉車輪的擾動以及車底部不平度的相互作用，氣流管理難度非常大。車底部風阻開發(fā)要求盡可能減少氣流的動量損失，主要做到兩點：一是在縱向垂直截面上，氣流從前保險杠下部受到壓縮進入底部后，需要保持在車底表面附著，氣流一旦脫體極易沖擊地面，形成地面次生邊界層，造成極大的動量損失。二是在車底的水平截面上，氣流受到旋轉車輪的干擾，在車輪后形成較大的氣流分離區(qū)，擠壓車底氣流向中間集中，形成動量損失。為了解決這兩個問題，漢對車底部的電池包以及前后保險杠的相對高度和布置角度、前輪擾流板的高度和位置、各導流板的形狀角度等進行了大量的分析優(yōu)化，來降低車底部氣流的動量損失。由圖15對比可以看出，最終方案前輪后的氣流分離得到明顯改善，車底部主流區(qū)的截面寬度增加。

前艙內流

前艙進氣導致的內流損失是整車風阻的重要組成部分，貢獻量可達到10~30count。漢從三方面進行前艙氣流管理：一是在滿足整車熱管理需求的基礎上，盡可能減小前格柵的進氣面積，并設計了主動進氣格柵（Active GrilleSystem,AGS），如圖17。在冷卻系統(tǒng)和空調系統(tǒng)不需要散熱的情況下，關閉AGS來降低風阻。風洞試驗表明，AGS在關閉狀態(tài)下比打開狀態(tài)整車風阻系數降低了12count；二是在前格柵到冷卻模塊之間做了良好的密封，使前格柵進入的冷卻氣流主要流向冷卻模塊，不向四周擴散，降低前艙內流阻力的同時，又可以提升冷卻效率；三是對前艙氣流的流出路徑進行管理。前艙氣流沿切向流出到主流區(qū)，比垂向流出更有利于降低風阻。采用全覆蓋的前艙下導流板后，前艙內的氣流主要流向車輪的輪腔，容易被卷入旋轉的車輪，增加動量損失。因此漢在前艙下導流板上設計了四個出氣口，引導氣流沿底部切向流出，如圖18~19。同時在前輪腔的后壁面上增加了大倒角，引導進入輪腔內的氣流從此處流向底部，而非從輪眉流向側圍，如圖20~21。
 
 
 
 
低風阻輪輞

旋轉車輪本身的風阻及其所導致的其它部位的風阻增加量占整車風阻的1/4[5, 6] ， 而漢要求0~100km/h 的加速時間達到3.9秒，需采用更寬的輪胎保證抓地力，這增加了風阻開發(fā)難度，因此漢在空氣動力學輪輞的開發(fā)方面投入了大量精力?；趯Χ嗫钶嗇y造型方案的仿真分析及優(yōu)化，漢開發(fā)的空氣動力學輪輞風阻系數比全封閉狀態(tài)僅增加4count。對另一款普通輪輞也進行了風阻優(yōu)化，優(yōu)化后的輪輞比全密封狀態(tài)風阻增加7count。如圖23，普通輪輞與空氣動力學輪輞、全封閉輪輞的輪外側總壓損失相當，均達到較好的減阻效果。
 
 
 

來源：羅秋麗，張風利，張榮榮，魏曉沖，李兵，彭倩→汽車低風阻開發(fā)中的設計要點
 
 
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