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基于STAR-CCM+某轎車的空氣動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)

2020-10-24 22:33:07·  來(lái)源：汽車CFD技術(shù)之家  
　
風(fēng)洞試驗(yàn)開(kāi)發(fā)前期通過(guò)CFD分析，對(duì)造型進(jìn)行仿真優(yōu)化，并根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果指導(dǎo)模型風(fēng)洞試驗(yàn)優(yōu)化，優(yōu)化主要集中在風(fēng)阻關(guān)鍵的部件，如格柵密封、氣簾通道、A柱裝飾條
風(fēng)洞試驗(yàn)
開(kāi)發(fā)前期通過(guò)CFD分析，對(duì)造型進(jìn)行仿真優(yōu)化，并根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果指導(dǎo)模型風(fēng)洞試驗(yàn)優(yōu)化，優(yōu)化主要集中在風(fēng)阻關(guān)鍵的部件，如格柵密封、氣簾通道、A柱裝飾條、A柱型面、后視鏡、尾燈導(dǎo)流條、行李箱尾部等。在工裝車風(fēng)洞試驗(yàn)中，對(duì)底盤封裝、輪轂密封、前后輪擋板、機(jī)艙流動(dòng)、尾部擴(kuò)散器等優(yōu)化和研究。
降阻方案研究
A 柱裝飾條
A柱是氣流分離的重要部位，通過(guò)加裝A柱裝飾條，可一定程度改善風(fēng)阻、風(fēng)噪。在前期CFD仿真分析中評(píng)估有無(wú)A柱裝飾條，以及不同寬度的A柱裝飾條對(duì)風(fēng)阻的影響，并在模型風(fēng)洞試驗(yàn)中測(cè)試驗(yàn)證了3種寬度的A柱裝飾條，分別為10mm、15mm 和18mm，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果如下：
 
（1）在0°偏角的情況下，10mm、15mm 和18mm寬的A柱裝飾條降阻效果接近，均為1count左右。A柱裝飾條在達(dá)到一定的寬度后，并不會(huì)繼續(xù)降低風(fēng)阻系數(shù)，并且需要滿足相應(yīng)的視野法規(guī)要求；
（2）在側(cè)風(fēng)情況下，A柱裝飾條的降阻效果遠(yuǎn)大于0°偏角。并且因?yàn)閭?cè)風(fēng)時(shí)氣流不穩(wěn)定，同一偏角重復(fù)測(cè)試時(shí)，測(cè)試值會(huì)有一定的偏差，比如在5°和10°偏角相同工況重復(fù)測(cè)試時(shí)，均有1count 的偏差。
A柱裝飾條在降低風(fēng)阻系數(shù)的同時(shí)，也能提升A柱附近的風(fēng)噪水平。
后視鏡
后視鏡作為車身重要的外凸件，對(duì)風(fēng)阻、風(fēng)噪均有較大影響。一般情況下，一對(duì)后視鏡的風(fēng)阻系數(shù)在10至20counts之間，有一定的優(yōu)化空間。對(duì)多種造型風(fēng)格后視鏡進(jìn)行了CFD仿真分析及模型風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試研究，并對(duì)其中一種后視鏡進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)優(yōu)化，測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。
 
（1）無(wú)外后視鏡是模擬應(yīng)用電子后視鏡的情形，近幾年較多的概念車采用無(wú)外后視鏡設(shè)計(jì)（車內(nèi)電子后視鏡），整車正迎風(fēng)面積和風(fēng)阻系數(shù)均能降低，在提升風(fēng)阻性能的同時(shí)，可大幅改善風(fēng)噪問(wèn)題。歐盟及日本均已通過(guò)相關(guān)電子后視鏡法案，在不久的將來(lái)，工程量產(chǎn)應(yīng)用將逐步變成現(xiàn)實(shí)。
（2）對(duì)后視鏡1的鏡體優(yōu)化，后視鏡風(fēng)阻系數(shù)僅有9counts，在風(fēng)噪測(cè)試中，風(fēng)噪性能也有提升。
（3）后視鏡2和后視鏡3為兩種造型風(fēng)格和安裝形式都不同的后視鏡，相比后視鏡1，風(fēng)阻、風(fēng)噪均要差一些。
仿真和試驗(yàn)對(duì)比圖片如圖4所示。
 
在后視鏡的風(fēng)阻優(yōu)化中，需考慮對(duì)風(fēng)噪的影響，以提升乘坐舒適性。
氣簾
汽車的空氣阻力有10%至20%左右來(lái)自于輪胎周邊，通過(guò)在前保霧燈附近開(kāi)通氣簾（AirCurtain，又稱為氣幕）通道，使前端部分氣流進(jìn)入氣簾入口，通過(guò)氣簾通道，將氣流從前輪輪腔兩側(cè)流出，改善前輪附近的氣流。
在開(kāi)發(fā)前期通過(guò)CFD仿真優(yōu)化，對(duì)氣簾入口、出口尺寸和位置，以及通道形狀等影響點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，見(jiàn)圖5的速度場(chǎng)對(duì)比，然后在模型風(fēng)洞試驗(yàn)中驗(yàn)證及優(yōu)化。
 
在試驗(yàn)中，通過(guò)油泥改變通道內(nèi)側(cè)型面及出口，制作多套樣件用于模擬不同樣式的氣簾入口，且車輪為真實(shí)旋轉(zhuǎn)車輪，可準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)際的降阻效果，最終通過(guò)仿真和試驗(yàn)優(yōu)化，氣簾可降低風(fēng)阻系數(shù)3counts，氣簾實(shí)物構(gòu)造如圖6所示。
 
氣簾作為重要的造型特征，能提升風(fēng)阻性能，目前在各大車企中已得到較廣泛的應(yīng)用。但氣簾的應(yīng)用需要與前端霧燈附近造型相結(jié)合，并非所有車型都適合做氣簾，對(duì)于霧燈深度淺或者前保兩側(cè)氣流較平順的車型，氣簾的降阻效果會(huì)變差。
底盤封裝
汽車下車體平整度較差，車底氣流混亂，空氣阻力較大，是非常重要的優(yōu)化方向。通過(guò)底盤封裝，疏導(dǎo)底部氣流，可使氣流更平順地通過(guò)車底，是降低風(fēng)阻的重要途徑。一般后懸架及油箱附近部件凸出較明顯，對(duì)車底氣流干擾較大，通過(guò)在油箱前端及附近增加導(dǎo)風(fēng)板，可有效引導(dǎo)該區(qū)域的氣流方向。本車對(duì)比研究了三種封裝導(dǎo)風(fēng)板方案的降阻效果，如表2 所示。
 
（1）方案一，在油箱前的地板上安裝一條小尺寸導(dǎo)流斜板，將該處氣流向斜下方引導(dǎo)，減少氣流卷入油箱兩側(cè)的凹坑區(qū)域，試驗(yàn)和仿真中均可降低風(fēng)阻系數(shù)3counts；
（2）方案二，在油箱兩側(cè)安裝水平方向的導(dǎo)風(fēng)板，相當(dāng)于蓋住油箱兩側(cè)的凹坑，直接避免底部高速氣流卷入，仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)降阻效果都明顯，在風(fēng)洞測(cè)試中可降低風(fēng)阻系數(shù)10counts；
（3）方案三，在方案二的基礎(chǔ)上，增加前端大面積的封裝導(dǎo)風(fēng)板，因?yàn)樵撧I車地板平整度高，無(wú)明顯凸起，氣流較平順，因此額外增加的導(dǎo)風(fēng)板僅多降低2counts，仿真總計(jì)降低風(fēng)阻系數(shù)10counts。
 
從圖7可明顯看出，基礎(chǔ)狀態(tài)車底氣流紊亂渦流較多，在車底增加三種不同的封裝導(dǎo)風(fēng)板方案，速度場(chǎng)均有不同程度的改善。因封裝導(dǎo)風(fēng)板會(huì)增加整車重量、成本升高，對(duì)比三種導(dǎo)風(fēng)板方案，第二種方案的降阻性價(jià)比最高。
輪轂密封
輪胎總成對(duì)整車風(fēng)阻系數(shù)影響較大，其中輪轂形狀及密封面積影響著車輪表面及其周圍流場(chǎng)中的渦量，以及影響車輪后方流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，從而影響整車風(fēng)阻。因此進(jìn)行輪轂密封面積的風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試的研究及應(yīng)用。
 
根據(jù)該輪轂造型特征，將輪轂密封面積等分成3份，如圖8所示，分為密封1/3、密封2/3和全密封3個(gè)工況進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試，每個(gè)工況均為車輛旋轉(zhuǎn)狀
態(tài)，測(cè)試降阻曲線如圖9所示，全部密封最多可降低整車風(fēng)阻系數(shù)3.4%，在工程實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)榭紤]剎車片散熱需求，不可能做到全部密封，但可在輪轂造型設(shè)計(jì)時(shí)提供一定的參考。
 
目前市面上一些新能源汽車已經(jīng)逐步使用了氣動(dòng)設(shè)計(jì)輪轂，外觀平整且輪轂密封面積較高，不過(guò)這種輪轂因?yàn)椴焕谏?，不適合應(yīng)用在高性能車上。
其它常見(jiàn)優(yōu)化措施
通過(guò)結(jié)合CFD仿真與試驗(yàn)，對(duì)常規(guī)優(yōu)化方案進(jìn)行更細(xì)致的優(yōu)化，比如本車優(yōu)化的A 柱型面、尾燈導(dǎo)流條、鴨尾特征、前后輪擋板、機(jī)艙底護(hù)板、后保底部擴(kuò)散器等等。
（作者：江柳，趙志明，魯建立）
（重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司）
 
 
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