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幾何C車型空氣動力學(xué)開發(fā)
2021-10-21 22:37:59· 來源：電動學(xué)堂 作者：梅肖等
文章來源：1.吉利汽車研究院（寧波）有限公司研究表明，汽車行駛會受到周圍環(huán)境風(fēng)力影響，當(dāng)汽車車速超過80km/h的速度行駛時候，有60％的動力輸出用來克服空氣阻
文章來源：1.吉利汽車研究院（寧波）有限公司
研究表明，汽車行駛會受到周圍環(huán)境風(fēng)力影響，當(dāng)汽車車速超過80km/h的速度行駛時候，有60％的動力輸出用來克服空氣阻力，當(dāng)車速超過200km/h，將會有超過85％的動力輸出用來克服空氣阻力。對于部分電動車型，當(dāng)汽車風(fēng)阻降低10％，將會提升續(xù)航能力7％，甚至更多。
因此，降低整車風(fēng)阻，對節(jié)能減排，增加續(xù)航里程及改善汽車行駛性能都有重要的意義?？諝鈩恿W(xué)性能對于汽車市場的影響越來越受到重視，其廣泛的應(yīng)用在汽車造型和工程設(shè)計中，打造一臺低風(fēng)阻系數(shù)的車型，成為了汽車空氣動力學(xué)工程師業(yè)不斷追求的一個目標(biāo)。
如今，各大汽車廠百家爭鳴，越來越低的風(fēng)阻系數(shù)數(shù)據(jù)被放諸媒介。一臺低風(fēng)阻車型的背后是上百次甚至上千次的仿真優(yōu)化下逐步持續(xù)改善而獲得的。一臺車型有效的空氣動力學(xué)開發(fā)離不開試驗驗證的支持，檢驗仿真分析與試驗驗證的一致性，并在試驗中進(jìn)一步挖掘整車降阻潛力，是車型風(fēng)阻系數(shù)真實且有效的保證。
在幾何C空氣動力學(xué)開發(fā)過程中，利用STAR-CCM+軟件采用數(shù)值仿真的方法進(jìn)行整車仿真分析及優(yōu)化，結(jié)合在同濟(jì)大學(xué)完成的油泥車風(fēng)洞試驗，對分析結(jié)果進(jìn)行驗證和進(jìn)一步優(yōu)化，大幅降低了風(fēng)阻系數(shù)。
幾何C車型先后推動并落實的整車改善共方案24項，共降低整車風(fēng)阻系數(shù)0.067。在同濟(jì)風(fēng)洞完成的幾何C實車試驗中，在二人載荷、AGS關(guān)閉的狀態(tài)下，基礎(chǔ)風(fēng)阻系數(shù)為0.273，并且在工程可行的前提下，仍具備一定的降阻潛力。
1開發(fā)流程簡介
吉利汽車空氣動力學(xué)開發(fā)分為目標(biāo)控制，虛擬開發(fā)及風(fēng)洞試驗驗證三部分工作。
目標(biāo)控制是整個開發(fā)流程的核心主線，基于開發(fā)車型信息進(jìn)行競品分析、可行性分析之后制定目標(biāo)，并在后續(xù)各個開發(fā)階段進(jìn)行評估、控制和最后的驗收。虛擬開發(fā)是從競品分析、CAS分析優(yōu)化、整車分析優(yōu)化到試驗階段的驗證對標(biāo)及優(yōu)化和最后的驗收工作。風(fēng)洞驗證包括了競品車型風(fēng)阻驗證、油泥車風(fēng)洞試驗驗證及實車驗證。
2開發(fā)階段仿真分析
2.1邊界條件
計算域的進(jìn)口邊界為速度進(jìn)口，入口速度為120kph,出口為0Pa壓力出口；其余周圍四個面均設(shè)置為滑移壁面邊界條件；車輪旋轉(zhuǎn)。
2.2物理模型
整車采用STAR-CCM+軟件進(jìn)行計算模擬，物理模型選擇不可壓縮RNGk-ε湍流模型。壁面邊界層采用壁面函數(shù)法求解。冷卻模塊芯體采用多孔介質(zhì)模型處理。
2.3仿真優(yōu)化方案分析
2.3.1前端優(yōu)化
整車前端優(yōu)化包括了發(fā)蓋末端上抬、發(fā)蓋上方特征優(yōu)化、發(fā)蓋導(dǎo)角優(yōu)化、無效格柵封堵、氣簾裝飾罩優(yōu)化、裝飾罩翻邊優(yōu)化、氣道形態(tài)優(yōu)化、前保外擴(kuò)程度優(yōu)化等，見圖2。
以氣簾裝飾罩的優(yōu)化為例，在設(shè)計過程中同時協(xié)調(diào)造型意愿、工程可行性及風(fēng)阻貢獻(xiàn)，在仿真優(yōu)化過程中氣簾裝飾罩造型演變歷程如下圖3，最終取消進(jìn)氣口遮擋，結(jié)合前保型面采用大開口進(jìn)氣造型，減少進(jìn)氣口氣流阻塞，降低風(fēng)阻。
其中水波紋造型階段氣簾仿真優(yōu)化分析見下圖4，從方案1到4逐漸調(diào)整氣簾裝飾罩入口進(jìn)風(fēng)面積的大小，使得進(jìn)風(fēng)口面積逐漸增大，分析結(jié)果見表1，在氣簾風(fēng)道出口不變情況下風(fēng)阻隨著氣簾入口增大而降低，前保邊緣分離減少。
氣道優(yōu)化主要是進(jìn)出口大?。ǜ叨燃皩挾龋⑽恢煤蜌獾佬兔妫箽饬髟跉獾赖牧鲃禹槙城覄偤觅N合輪胎邊緣流出，避免直吹輪胎或與輪胎之間分離增大，氣道的出口大小同樣需要保證布置和工程可行性。氣道寬度及位置部分仿真優(yōu)化方案見圖5。其中基礎(chǔ)方案分離過大，方案6氣流與前輪胎相切比較合理。
2.3.2后端優(yōu)化
如圖6，后端優(yōu)化包括了尾翼下壓、尾燈型面優(yōu)化、側(cè)尾翼型面優(yōu)化及后保外擴(kuò)。
后尾翼優(yōu)化方案如圖7所示，幾何C后尾翼的初始方案均為末端上翹且存在凹面的造型。幾何C首先將后尾翼凹凸面優(yōu)化為平滑表面，有利于氣流平穩(wěn)快速流經(jīng)尾翼表面（后尾翼A），之后調(diào)整后尾翼Z向高度，搭建了將尾翼高度下壓10mm（后尾翼B）及20mm（后尾翼C）模型，如表2所示，當(dāng)后尾翼高度下壓20mm時，尾流區(qū)更小，平衡度更好，尾部壓力更高，整車風(fēng)阻系數(shù)降低了0.006。
2.3.3車身局部附件優(yōu)化
圖8為針對局部及外接件優(yōu)化方案。以后視鏡為例（圖9），后視鏡初始造型base與過程版造型數(shù)據(jù)Mirror-A，base后視鏡迎風(fēng)面積較大但是鏡身邊緣角度合理，故后視鏡尾渦區(qū)大但相對穩(wěn)定，Cd*A較大；Mirror-A后視鏡迎風(fēng)面積較小，但邊緣角度過于內(nèi)收，導(dǎo)致出現(xiàn)了尾渦區(qū)不穩(wěn)定，將Mirror-A后視鏡邊緣角度優(yōu)化后可降低風(fēng)阻0.002。
3下車體優(yōu)化
下車體優(yōu)化內(nèi)容見下圖10，主要為護(hù)板型面、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輪輞造型優(yōu)化。下車體優(yōu)化原則為保證與前后保的平順搭接、盡量保證下護(hù)板的平整和合理覆蓋、對有增加風(fēng)阻風(fēng)險的孔洞封閉及結(jié)構(gòu)調(diào)整等。
以翻邊結(jié)構(gòu)為例，翻邊安裝結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化見圖11,優(yōu)化了前保搭接結(jié)構(gòu)，取消了前保翻邊，使下車體流場更加穩(wěn)定，共降低整車風(fēng)阻0.003，并且增加了固定點(diǎn)，增強(qiáng)了下護(hù)板強(qiáng)度。
輪胎及輪輞對整車風(fēng)阻均有較大影響。幾何C的輪輞由復(fù)雜的初始輪輻優(yōu)化成表面平整的五輻輪輞，在此基礎(chǔ)上又從開口面積及輻面型面兩方面經(jīng)歷三輪優(yōu)化，與造型共同設(shè)計出了低風(fēng)阻輪輞造型，最終降低風(fēng)阻0.006，如圖13。
4開發(fā)階油泥車風(fēng)洞試驗
4.1油泥車模型狀態(tài)
全細(xì)節(jié)油泥模型如圖14所示，其中前格柵、前唇、車標(biāo)、AGS、后視鏡、門把手、鯊魚鰭、后尾翼及下護(hù)板均采用ABS樣件，方便拆卸并且保證強(qiáng)度。風(fēng)洞試驗在上海同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞中心完成。
4.2油泥車基礎(chǔ)狀態(tài)風(fēng)洞試驗結(jié)果
風(fēng)洞試驗基礎(chǔ)狀態(tài)Cd=0.300,最優(yōu)狀態(tài)為Cd=0.282。各個附件風(fēng)阻貢獻(xiàn)見下表3。
4.3油泥車風(fēng)洞試驗優(yōu)化方案
油泥車風(fēng)洞試驗優(yōu)化方案見下表4。
結(jié)合仿真優(yōu)化結(jié)果，在風(fēng)洞試驗中對后尾翼高度優(yōu)化方案進(jìn)行了驗證，結(jié)果見表5，方案B的后尾翼末端下壓20mm方案，共降低整車風(fēng)阻0.006，體現(xiàn)到最終造型。
氣簾優(yōu)化試驗結(jié)果見下表6。氣簾關(guān)閉整車風(fēng)阻系數(shù)上升0.002，說明原本氣簾已經(jīng)具有正向降阻效果，與仿真結(jié)果一致。氣簾橫筋去掉口的大開口造型降阻效果明顯，在base基礎(chǔ)上降低風(fēng)阻系數(shù)0.005，部分優(yōu)化方案體現(xiàn)到最終造型。
5試驗車風(fēng)洞試驗驗證
幾何C車型在油泥模型風(fēng)洞試驗結(jié)束后，根據(jù)優(yōu)化方案進(jìn)行了造型及工程方案調(diào)整，后續(xù)又進(jìn)行了一系列的降阻潛力挖掘，并在同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞中心完成了最終的實車風(fēng)洞試驗驗收工作。
整車基礎(chǔ)狀態(tài)Cd=0.273（二人載），在試驗過程中對與造型共同設(shè)計的低風(fēng)阻輪輞造型優(yōu)化方案進(jìn)行了驗證，可降低風(fēng)阻整車風(fēng)阻0.004，即加裝低風(fēng)阻輪輞后整車風(fēng)阻狀態(tài)可達(dá)Cd=0.269。
6結(jié)論
幾何C的整個空氣動力學(xué)開發(fā)經(jīng)歷了仿真分析優(yōu)化—油泥車風(fēng)洞試驗驗證及優(yōu)化—結(jié)合試驗結(jié)果及后續(xù)仿真分析工作進(jìn)一步挖掘降阻潛力—實車風(fēng)洞試驗的幾個過程，在開發(fā)過程中得到了以下幾個結(jié)論：
1.幾何C車型baselineCd=0.273滿足開發(fā)要求,采用低風(fēng)阻輪輞的風(fēng)阻狀態(tài)為Cd=0.269，baseline狀態(tài)整車風(fēng)阻系數(shù)共降低0.067。
2.幾何C整個開發(fā)過程中貢獻(xiàn)度大的方案較少，如后尾翼高度調(diào)整降低整車風(fēng)阻0.006，輪輞造型優(yōu)化降低風(fēng)阻0.006，加裝AGS降低風(fēng)阻0.012，其余小方案較多，全車推動并落實的優(yōu)化方案共24項，因此，關(guān)注細(xì)節(jié)，積少成多，聚沙成塔是幾何C車型空氣動力學(xué)成功開發(fā)的重要原因。
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