摘要

主動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)的概念可以定義為通過實(shí)時(shí)改變某些設(shè)備來減少阻力，例如實(shí)時(shí)改變某些設(shè)備可以改變車輛周圍的氣流。使用這種設(shè)備還具有改善人體工程學(xué)和性能以及美學(xué)的附加優(yōu)勢(shì)。當(dāng)使用這類設(shè)備時(shí)，汽車的燃料消耗會(huì)顯著減少。本文的目的是利用主動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)的概念，通過格柵和氣壩來減少對(duì)乘用車的阻力。首先，對(duì)一輛乘用車的基礎(chǔ)工況進(jìn)行了分析，并在車速從60公里/小時(shí)到120公里/小時(shí)的范圍內(nèi)，使用主動(dòng)格柵和氣壩進(jìn)行了進(jìn)一步的模擬，每個(gè)主動(dòng)裝置的打開角度為0°到90°。然后在風(fēng)洞中以80公里/小時(shí)的速度對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行了縮小原型的驗(yàn)證。利用SolidWorks工具對(duì)整車進(jìn)行建模，并利用ANSYS Fluent進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，采用主動(dòng)格柵和氣壩后，阻力顯著降低了12.23%。

引言

由于對(duì)交通工具的需求很大，人們通常更喜歡強(qiáng)機(jī)動(dòng)性的車輛。因此，提高車輛的能量轉(zhuǎn)換效率是工程師們面臨的最重要的任務(wù)之一。大部分現(xiàn)有車輛使用傳統(tǒng)的化石燃料作為推進(jìn)手段，汽車的有害排放物造成了環(huán)境污染。以更少的燃料消耗和更少的排放來提高車輛的性能是當(dāng)前的需要，這可以通過車輛空氣動(dòng)力學(xué)達(dá)到一定程度。空氣動(dòng)力學(xué)不僅可以提高性能，還能降低油耗，從而減少了排放。更好的操控、美觀和人體工程學(xué)也是改善空氣動(dòng)力學(xué)的一些附加優(yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)綜述

車輛空氣動(dòng)力學(xué)是研究物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)作用在物體上的力。當(dāng)車輛靜止時(shí)，車輛的所有外表面都受到相同的大氣壓力；車輛的頂部，底部，前和后表面都施加相同的壓力，最終使車輛保持平衡。當(dāng)車輛開始在流體中移動(dòng)時(shí)，施加在外表面的壓力與速度的平方成正比。這些壓力改變了作用在車輛表面上的力，并可能極大地影響其性能?？諝鈩?dòng)力學(xué)家研究這種自然現(xiàn)象，試圖將抑制車輛運(yùn)動(dòng)的力最小化，有時(shí)甚至放大這些力來提高車輛的性能和安全性?？刂迫蜃兣臏厥覛怏w排放法規(guī)和快速增長(zhǎng)的燃料價(jià)格給設(shè)計(jì)工程師帶來了巨大的壓力，要求他們?cè)谧钚〕潭壬细淖冘嚿硇螤?，改進(jìn)目前的車輛設(shè)計(jì)。此外，減少氣動(dòng)阻力是一種經(jīng)濟(jì)技術(shù)，因?yàn)榕c提高發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)的效率相比，它可以以相對(duì)較低的成本實(shí)現(xiàn)。Hucho等人已經(jīng)表明，大約20%的燃油經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)性能與作用在車身上的氣動(dòng)阻力有關(guān)。其他因素包括天氣、司機(jī)、路線、傳動(dòng)裝置和維護(hù)。為了在主動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)中使用附加裝置，必須考慮多個(gè)源。例如，主動(dòng)格柵可以在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)暫時(shí)阻塞冷卻流，當(dāng)不需要冷卻時(shí)，通過執(zhí)行器主動(dòng)控制流量。車輛引擎蓋下啟用了一個(gè)關(guān)閉功能，靠近冷凝器，散熱器和風(fēng)扇模塊，以提高其效率。根據(jù)格柵外形、面積、冷凝器、散熱器和風(fēng)扇模塊的不同，該特性的阻力改善范圍從0.004到0.012不等。Andreas Kremheller等人利用全尺寸風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD研究了某款汽車的氣動(dòng)發(fā)展。隨著A柱的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，車門裝飾，擋風(fēng)玻璃角度的優(yōu)化以及引擎蓋的優(yōu)化，主動(dòng)格柵的概念被引入到車輛中，以達(dá)到冷卻的目的。觀察發(fā)現(xiàn)，在柵格百葉窗關(guān)閉的情況下，阻力系數(shù)降低了約4%，前升力降低了約20%。Ashit Kumar發(fā)表了一篇研究氣壩高度和位置影響的論文。將氣壩安裝在客車上，從阻力和升力的角度分析了氣壩的作用。同時(shí)分析了氣壩的使用對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的提高。Christoffersen等研究了跑車機(jī)翼與擴(kuò)散器的相互作用。采用CFD工具進(jìn)行了擴(kuò)壓角從3°到12°的數(shù)值模擬。結(jié)果表明，隨著擴(kuò)散角的增大，下壓力增大。同時(shí)還觀察到，尾部機(jī)翼的垂直高度對(duì)通過擴(kuò)散器的氣流沒有顯著影響。擴(kuò)散器對(duì)經(jīng)過后翼的氣流影響不大，但對(duì)基底壓力和下壓力的產(chǎn)生有很大影響。

數(shù)值模擬

車輛選擇與建模

以各種乘用車為參考，車輛的建模已經(jīng)在SolidWorks中完成。該模型經(jīng)過大量的幾何清理，以簡(jiǎn)化復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。在沒有任何氣動(dòng)附加裝置的情況下，將作用在基本乘用車上的氣動(dòng)力作為基準(zhǔn)條件。

表1 所選車輛的整體尺寸

對(duì)于流動(dòng)分析，考慮了以下假設(shè):

忽略了汽車的小細(xì)節(jié)和小部件

發(fā)動(dòng)機(jī)艙已被簡(jiǎn)化

車輛勻速行駛

道路壁面是靜止的

忽略了旋轉(zhuǎn)車輪的影響

圖1 無氣壩和有氣壩的車輛模型

為了減少阻力，主動(dòng)格柵的概念在這里被應(yīng)用。格柵葉片是在水平面上拍攝的。格柵葉片之間的距離固定為20mm，每個(gè)型材的厚度取15mm。格柵葉片的開口角度分別為0°、30°、45°、60°和90°。主動(dòng)氣壩是主動(dòng)氣動(dòng)附件，打開或關(guān)閉在不同的角度，為了適當(dāng)?shù)刂匦露ㄏ驓饬?，使阻力系?shù)最小，使得在車輛的前面和后面的壓力差最小。在這里，氣壩被認(rèn)為是中空的通道，在車體通過空氣從前到后流動(dòng)。通風(fēng)口在前面提供，以不同的角度打開或關(guān)閉。對(duì)于80公里/小時(shí)的速度，空氣壩在0°，30°，45°，60°和90°打開。取氣壩柵格厚度為20 mm，任意2個(gè)柵格之間的距離為30 mm。

分析

考慮4%的堵塞率和0.7的縱橫比，計(jì)算域尺寸選擇30 m長(zhǎng)，9.7 m寬，6.7 m高。利用ANSYS網(wǎng)格分析軟件對(duì)車體進(jìn)行網(wǎng)格生成。為模型生成非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。選擇接近曲率型網(wǎng)格。車身尺寸和面部尺寸特征用于網(wǎng)格的細(xì)化，以捕獲車輛周圍的流動(dòng)。用于模擬的邊界條件和設(shè)置見表2。

圖2 車身周邊網(wǎng)格

表2 邊界條件和設(shè)置模擬

結(jié)果與討論

基礎(chǔ)工況分析

基礎(chǔ)模型的結(jié)果表明，當(dāng)空氣在前方與車輛接觸時(shí)，速度變?yōu)榱?。因此，產(chǎn)生的壓力很大。該點(diǎn)被認(rèn)為是停滯點(diǎn)。當(dāng)空氣在引擎蓋上進(jìn)一步流動(dòng)時(shí)，氣流會(huì)附著在車輛上，并在擋風(fēng)玻璃處分離。這可以從不同速度下的壓力曲線中觀察到。由于這種流動(dòng)分離，產(chǎn)生了小的漩渦區(qū)域，但也可以觀察到擋風(fēng)玻璃底部的壓力略有上升。氣流重新附著發(fā)生在車輛的頂部，因此導(dǎo)致頂部的壓力降低。當(dāng)空氣在車輛的后端流動(dòng)時(shí)，再次形成流動(dòng)分離，從而產(chǎn)生在速度輪廓中觀察到的尾跡區(qū)域。在后擋風(fēng)玻璃上，也有一些流體重新附著導(dǎo)致該位置的壓力增加。另外，后端由于流動(dòng)分離，速度非常高，導(dǎo)致后端壓力降低，這是產(chǎn)生升力的主要原因。

帶有格柵的車輛分析

為了減小阻力，本文采用了主動(dòng)格柵，并進(jìn)行了仿真。格柵葉片在水平面上拍攝，開口角度分別為0°，30°，45°，60°和90°。為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)艙，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)制作了一個(gè)近似的發(fā)動(dòng)機(jī)組件。結(jié)果表明，當(dāng)柵格百葉窗完全關(guān)閉時(shí)，即在0°開狀態(tài)下，阻力系數(shù)最小。對(duì)于進(jìn)一步的模擬，格柵葉片被認(rèn)為是完全關(guān)閉的。

圖3 基礎(chǔ)車輛模型在80kmph時(shí)的壓力和速度云圖

圖4 主動(dòng)格柵0°時(shí)的壓力和速度云圖

圖5 氣壩90°時(shí)的壓力和速度云圖

帶有氣壩汽車分析

在考慮氣壩的情況下進(jìn)行了進(jìn)一步的模擬。它被認(rèn)為是車身上的空心通道，空氣從前面流向后面，前面有通風(fēng)口，可以以不同的角度打開或關(guān)閉。結(jié)果表明，當(dāng)氣壩柵格完全打開時(shí)，由于氣流中斷和氣流平滑導(dǎo)致的阻力系數(shù)最小，為90°。得到的阻力系數(shù)為0.256。此外，還對(duì)帶有附加后擴(kuò)散器的氣壩和全封閉格柵葉片組合的基準(zhǔn)車身進(jìn)行了仿真。最小阻力系數(shù)為0.244。

討論

表3給出了各種模擬結(jié)果的總結(jié)：

表3仿真結(jié)果總結(jié)

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>

采用聚乳酸(PLA)制作了基準(zhǔn)車輛模型的1:27縮小模型和帶有氣動(dòng)附加裝置的車輛模型的3D原型模型。所選車型尺寸分別為19.296 cm、7.037 cm和5.407 cm。

風(fēng)洞試驗(yàn)

試驗(yàn)采用開式風(fēng)洞進(jìn)行，試驗(yàn)截面尺寸為300mm × 300mm，長(zhǎng)度為1000mm。該裝置配備3.0馬力感應(yīng)電機(jī)，最大風(fēng)速可達(dá)30米/秒。在縮小模型上以22.22 m/s的速度進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)得到的阻力系數(shù)為0.229。為了驗(yàn)證仿真值，還對(duì)縮小模型進(jìn)行了數(shù)值分析，得到阻力系數(shù)為0.241。該數(shù)值與風(fēng)洞結(jié)果進(jìn)行了比較，相關(guān)系數(shù)在10%以內(nèi)。

結(jié)論

采用主動(dòng)格柵百葉窗、氣壩和擴(kuò)散器等附加裝置對(duì)基準(zhǔn)車輛模型進(jìn)行了空氣動(dòng)力學(xué)分析。基礎(chǔ)工況模型的阻力系數(shù)在0.278左右較為合理。為了進(jìn)一步降低這一阻力系數(shù)，增加附件的使用，如主動(dòng)格柵百葉窗，空氣壩和擴(kuò)散器。在全封閉狀態(tài)下主動(dòng)格柵百葉窗和露天壩的加入使總阻力系數(shù)分別降低了5.75%和7.91%。通過采用主動(dòng)格柵、氣壩和擴(kuò)散器來降低基準(zhǔn)模型的總阻力系數(shù)約為12.23%。成功地完成了整車模型的數(shù)值分析，并與縮小原型模型的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。數(shù)值結(jié)果與風(fēng)洞結(jié)果的相關(guān)性在10%以內(nèi)。

文獻(xiàn)來源：

Tandon, R., Agrewale, M., and Vora, K., "Aerodynamic Analysis of a Passenger Car to Reduce Drag Using Active Grill Shutter and Active Air Dam," SAE Technical Paper 2019-28-2408, 2019, https://doi.org/10.4271/2019-28-2408.