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汽車(chē)比例油泥模型風(fēng)洞氣動(dòng)優(yōu)化原則與實(shí)踐
2020-12-15 13:30:01· 來(lái)源：2020中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集 作者：張英朝，關(guān)青青，鄭濤，苗振華，周君堂，桑濤
油泥模型是車(chē)身設(shè)計(jì)中用油泥雕塑的汽車(chē)模型，具有方便實(shí)用、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。隨著汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，在汽車(chē)造型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，使用小比例油泥模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)
油泥模型是車(chē)身設(shè)計(jì)中用油泥雕塑的汽車(chē)模型，具有方便實(shí)用、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。隨著汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，在汽車(chē)造型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，使用小比例油泥模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，已經(jīng)被汽車(chē)企業(yè)廣泛采用。造型設(shè)計(jì)師在風(fēng)洞試驗(yàn)中根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以對(duì)油泥造型進(jìn)行方案的不斷修改和調(diào)整，同時(shí)進(jìn)行風(fēng)阻測(cè)試，來(lái)獲得最佳風(fēng)阻系數(shù)的汽車(chē)造型。已有很多企業(yè)使用全尺寸油泥模型進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的研究，但全尺寸油泥模型制作周期長(zhǎng)，費(fèi)用較高，在設(shè)計(jì)初期無(wú)法進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的應(yīng)用，因此在汽車(chē)外形開(kāi)發(fā)前期，需利用小比例油泥模型在風(fēng)洞中進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化。本文主要介紹小比例油泥模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的可行性，油泥模型的加工過(guò)程，以及采用小比例油泥模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的流程進(jìn)行研究和實(shí)踐，為利用小比例油泥模型進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
一、油泥模型的特點(diǎn)
油泥是一種人工制造的材料，具有可塑性強(qiáng)，粘性強(qiáng)、韌性強(qiáng)、強(qiáng)度高且不易干裂變形等特點(diǎn)，便于成形、修改和補(bǔ)充，可以反復(fù)切削使用，所以油泥設(shè)計(jì)人員可以很便捷地對(duì)汽車(chē)表面細(xì)節(jié)等進(jìn)行試驗(yàn)、探索和比較，使模型和實(shí)車(chē)保持一致。
小比例模型優(yōu)勢(shì)更為明顯，一是制作小比例模型所需時(shí)間很短，改型修改很快，可以提高新品研發(fā)速度，節(jié)省大量的研發(fā)成本；二是小比例模型非常容易轉(zhuǎn)移，增加了風(fēng)洞選擇的靈活性。
二、比例模型風(fēng)洞試驗(yàn)基本原則
1.幾何相似性
幾何相似指的是小比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)車(chē)的幾何形狀、外廓尺寸相似，某些情況下還需要部分或完全模擬汽車(chē)底部結(jié)構(gòu)、各種附件和汽車(chē)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但在多數(shù)試驗(yàn)中，只要做到按比例形狀、外廓尺寸相似就足夠了。一般來(lái)說(shuō)，小比例模型的制作可以具有很高的真實(shí)度，以保證對(duì)各個(gè)重要局部流場(chǎng)的真實(shí)模擬。本文采用的油泥模型是通過(guò)油泥模型銑削機(jī)進(jìn)行數(shù)控加工獲得的，能夠保證足夠精度的幾何相似。通過(guò)對(duì)工藝和流程的控制，實(shí)現(xiàn)模型的幾何相似要求。
2.雷諾數(shù)相似
雷諾數(shù)Re是表征慣性力和粘性力的比值，是一個(gè)無(wú)量綱的相似準(zhǔn)則參數(shù)。定義如下：
式中，v為試驗(yàn)風(fēng)速（m/s）；ρ為空氣的密度(kg/m3)；d為特征長(zhǎng)度(m)，通常模型的長(zhǎng)度可以作為特征長(zhǎng)度使用；μ為空氣的粘度系數(shù)(Pa·s)。
雷諾數(shù)影響整個(gè)流場(chǎng)狀態(tài)，從而影響到模型的六分力，因此要求試驗(yàn)時(shí)的雷諾數(shù)盡量接近實(shí)車(chē)行駛時(shí)的雷諾數(shù)，即v與d的乘積需要相等。但這在風(fēng)洞試驗(yàn)中很難達(dá)到，因?yàn)閴嚎s性的限制，風(fēng)洞的最高速度會(huì)有限制。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究表明：當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定值后，氣動(dòng)系數(shù)基本不變化，粘性影響已經(jīng)不顯著。根據(jù)SAE J1252建議，汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)的雷諾數(shù)不小于0.7×106，一般汽車(chē)模型風(fēng)洞試驗(yàn)的雷諾數(shù)應(yīng)該大于3×106。
本文采取1：3小比例油泥模型，模型長(zhǎng)度為1444.8mm，試驗(yàn)風(fēng)速為120km/h，空氣的密度為1.293kg/m3，空氣的粘度系數(shù)為17.9×10-6Pa·s，則對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為：
很明顯，當(dāng)風(fēng)速為140 km/h、160 km/h時(shí)均滿(mǎn)足SAE推薦的雷諾數(shù)相似要求，所以可以用此小比例油泥模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。
三、氣動(dòng)優(yōu)化流程
1.油泥模型制作流程
如圖為小比例油泥模型制作流程。
我們將模型按要求縮小為原來(lái)的1/3，得到1/3比例模型，并測(cè)量關(guān)鍵的模型尺寸，為后續(xù)模型加工提供尺寸參考。
制作油泥模型時(shí)需要先制作模型毛坯，一般用發(fā)泡塑料制作，既能呈現(xiàn)出模型基本造型，又可以牢固地固定油泥。模型毛坯是在整個(gè)汽車(chē)原造型基礎(chǔ)上內(nèi)縮而來(lái)，同時(shí)需要為表面填敷油泥留有20mm的加工余量。另外由于風(fēng)洞試驗(yàn)中車(chē)底氣流對(duì)整體影響較大，所以需對(duì)底盤(pán)造型進(jìn)行單獨(dú)加工以保留底部細(xì)節(jié)。
模型的泡沫毛坯制作完成后，將軟化的油泥均勻涂抹在模型毛坯底盤(pán)造型以及上車(chē)體表面，待其冷卻固化后，銑削并修整完成模型制作。模型完成的效果如圖所示，經(jīng)過(guò)最后的模型測(cè)量結(jié)果顯示，誤差在0.3mm內(nèi)，模型加工精度誤差達(dá)到了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)要求，滿(mǎn)足試驗(yàn)幾何相似性。
2.風(fēng)洞試驗(yàn)
經(jīng)過(guò)數(shù)控銑削加工的小比例油泥模型，如圖所示，與原數(shù)字模型相比，精確的保留了車(chē)身前部霧燈凹槽、前唇等對(duì)整車(chē)氣動(dòng)性能影響較大的細(xì)節(jié)部位，車(chē)身附件如后視鏡、門(mén)把手等通過(guò)3D打印制作。
將小比例油泥模型安裝在吉林大學(xué)汽車(chē)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的小比例模型試驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)其進(jìn)行氣動(dòng)力試驗(yàn)。根據(jù)風(fēng)洞雷諾數(shù)相似的理論，對(duì)該小比例油泥模型進(jìn)行雷諾數(shù)掃描試驗(yàn)，得到風(fēng)速為110~150km/h的阻力系數(shù)，其他對(duì)比試驗(yàn)在120km/h的風(fēng)速下進(jìn)行。本次試驗(yàn)共有三個(gè)工況：①去掉后視鏡；②封車(chē)輪；③去掉后視鏡+封車(chē)輪。
試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，風(fēng)洞試驗(yàn)很好的可以分辨出各部件對(duì)真車(chē)風(fēng)阻系數(shù)的影響。
3.雷諾數(shù)相似探討
本次試驗(yàn)雷諾數(shù)根據(jù)前文分析在允許雷諾數(shù)相似區(qū)間。風(fēng)洞試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)的小比例油泥模型運(yùn)用3D掃描技術(shù)將其掃描處理成適合CFD計(jì)算的數(shù)字模型，提供給造型設(shè)計(jì)部門(mén)進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，或者CFD仿真部門(mén)，用CFD軟件對(duì)汽車(chē)進(jìn)行仿真，從而完成對(duì)汽車(chē)氣動(dòng)減阻優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要，指導(dǎo)最終的造型設(shè)計(jì)。
結(jié)合掃描的數(shù)模進(jìn)行CFD分析，聯(lián)合本次的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)雷諾數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果如圖所示。（注：縱坐標(biāo)數(shù)值由于保密已隱藏）
從圖中可以看出，雷諾數(shù)在2*106的情況，風(fēng)阻系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加，即風(fēng)速的增加，或者模型長(zhǎng)度的增加，變化幅度在0.2%~-0.5%之間，變化不大。通常認(rèn)為這時(shí)，模型處在自準(zhǔn)區(qū)，可以認(rèn)為比例模型試驗(yàn)結(jié)果可以獲得同全尺寸一致的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果。
為了對(duì)比風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果，同時(shí)也進(jìn)行了CFD的仿真模擬，仿真在120km/h下風(fēng)速下進(jìn)行，采用Star-CCM+軟件計(jì)算，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)的三種試驗(yàn)工況，模型設(shè)置如圖所示。
計(jì)算域設(shè)置如下圖，為了減小仿真過(guò)程中壁面對(duì)流場(chǎng)的影響，模型前部距入口邊界約為4倍車(chē)長(zhǎng)，模型后部距出口邊界約為8倍車(chē)長(zhǎng)，計(jì)算域高度約為5倍車(chē)高，寬度約為6倍車(chē)寬。
入口邊界設(shè)置為速度進(jìn)口，出口邊界設(shè)置為壓力出口，其他固體壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面。為了更好地模擬汽車(chē)周?chē)臍饬髁鲃?dòng)，需在模型周?chē)O(shè)置加密域，并在模型表面設(shè)置邊界層，第一層厚度為0.5mm，以1.5倍比例增長(zhǎng)，共6層，總網(wǎng)格量為850萬(wàn)。
湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的定常K-ε模型，最大步數(shù)設(shè)置為3000步，結(jié)果穩(wěn)定后提取cd值。
試驗(yàn)工況的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖所示。
由圖可以看出，試驗(yàn)和仿真的吻合度較好，說(shuō)明小比例油泥模型的風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD仿真有很好的相關(guān)性，仿真結(jié)果對(duì)模型的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有很高的參考價(jià)值。
4.仿真分析
對(duì)掃描小比例油泥模型后得到的數(shù)字模型可進(jìn)行CFD仿真分析，從空氣動(dòng)力性能上為車(chē)身外形設(shè)計(jì)提供改進(jìn)方案，優(yōu)化車(chē)身氣動(dòng)性能。
如圖所示為車(chē)輛前部的壓力云圖，發(fā)現(xiàn)此處存在很大的正壓區(qū)，這是由于車(chē)輛前部直接承受空氣來(lái)流的沖擊，對(duì)氣流有很大的阻礙，是車(chē)身阻力的重要組成部分。
從圖中還可以看出，車(chē)輪迎風(fēng)面處也存在很大的正壓區(qū)，因?yàn)檐?chē)輪也是受到氣流的正面沖擊，對(duì)車(chē)輛的氣動(dòng)阻力會(huì)有一定影響。
如圖所示為車(chē)身中截面尾部的流線圖和速度云圖，可以看出，車(chē)身尾部出現(xiàn)明顯的亂流，氣流不能平穩(wěn)地匯合，增大了氣動(dòng)阻力；尾部還有大面積的低速區(qū)，這也是氣動(dòng)阻力產(chǎn)生的重要原因。
除此之外，還可對(duì)車(chē)輛許多部位進(jìn)行仿真分析，為采取有效的氣動(dòng)減阻措施提供參考依據(jù)，從而方便空氣動(dòng)力學(xué)工程師對(duì)油泥模型造型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以得到最佳氣動(dòng)性能的油泥造型，可進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)車(chē)氣動(dòng)性能。
四、結(jié)論
本文從空氣動(dòng)力學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)需求出發(fā)，結(jié)合汽車(chē)造型開(kāi)發(fā)流程和需要，論證了小比例模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的可能性，對(duì)小比例油泥模型加工過(guò)程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，制作了滿(mǎn)足風(fēng)洞試驗(yàn)要求的小比例油泥模型，驗(yàn)證了其可行性，為以后更好的運(yùn)用小比例油泥模型進(jìn)行汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)提供了重要參考依據(jù)。結(jié)果表明，小比例油泥模型在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)，快捷，高效，可以快速對(duì)造型方案進(jìn)行減阻優(yōu)化的設(shè)計(jì)評(píng)估，也有利于造型和工程的意見(jiàn)交流和方案商定。同時(shí)利用小比例油泥模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，還可以對(duì)其進(jìn)行仿真優(yōu)化對(duì)標(biāo)和借鑒，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的相關(guān)性，研究得到風(fēng)洞試驗(yàn)與CFD仿真的差異與規(guī)律，為以后的仿真計(jì)算準(zhǔn)確度提供參考依據(jù)。
本文來(lái)源：
張英朝，關(guān)青青，鄭濤，苗振華，周君堂，桑濤. 汽車(chē)比例油泥模型風(fēng)洞氣動(dòng)優(yōu)化原則與實(shí)踐[C].2020中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，上海，2020：1566-1570.
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