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幾何C車型空氣動力學開發(fā)
2021-10-21 22:37:59· 來源：電動學堂 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)境風力影響，當汽車車速超過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)境風力影響，當汽車車速超過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，當汽車風阻降低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性能對于汽車市場的影響越來越受到重視，其廣泛的應用在汽車造型和工程設計中，打造一臺低風阻系數(shù)的車型，成為了汽車空氣動力學工程師業(yè)不斷追求的一個目標。
如今，各大汽車廠百家爭鳴，越來越低的風阻系數(shù)數(shù)據(jù)被放諸媒介。一臺低風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，并在試驗中進一步挖掘整車降阻潛力，是車型風阻系數(shù)真實且有效的保證。
在幾何C空氣動力學開發(fā)過程中，利用STAR-CCM+軟件采用數(shù)值仿真的方法進行整車仿真分析及優(yōu)化，結合在同濟大學完成的油泥車風洞試驗，對分析結果進行驗證和進一步優(yōu)化，大幅降低了風阻系數(shù)。
幾何C車型先后推動并落實的整車改善共方案24項，共降低整車風阻系數(shù)0.067。在同濟風洞完成的幾何C實車試驗中，在二人載荷、AGS關閉的狀態(tài)下，基礎風阻系數(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開發(fā)分為目標控制，虛擬開發(fā)及風洞試驗驗證三部分工作。
目標控制是整個開發(fā)流程的核心主線，基于開發(fā)車型信息進行競品分析、可行性分析之后制定目標，并在后續(xù)各個開發(fā)階段進行評估、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及優(yōu)化和最后的驗收工作。風洞驗證包括了競品車型風阻驗證、油泥車風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
計算域的進口邊界為速度進口，入口速度為120kph,出口為0Pa壓力出口；其余周圍四個面均設置為滑移壁面邊界條件；車輪旋轉。
2.2物理模型
整車采用STAR-CCM+軟件進行計算模擬，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、前保外擴程度優(yōu)化等，見圖2。
以氣簾裝飾罩的優(yōu)化為例，在設計過程中同時協(xié)調造型意愿、工程可行性及風阻貢獻，在仿真優(yōu)化過程中氣簾裝飾罩造型演變歷程如下圖3，最終取消進氣口遮擋，結合前保型面采用大開口進氣造型，減少進氣口氣流阻塞，降低風阻。
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逐漸調整氣簾裝飾罩入口進風面積的大小，使得進風口面積逐漸增大，分析結果見表1，在氣簾風道出口不變情況下風阻隨著氣簾入口增大而降低，前保邊緣分離減少。
氣道優(yōu)化主要是進出口大小（高度及寬度）、位置和氣道型面，使氣流在氣道的流動順暢且剛好貼合輪胎邊緣流出，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、側尾翼型面優(yōu)化及后保外擴。
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后視鏡迎風面積較小，但邊緣角度過于內(nèi)收，導致出現(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，主要為護板型面、結構優(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、盡量保證下護板的平整和合理覆蓋、對有增加風阻風險的孔洞封閉及結構調整等。
以翻邊結構為例，翻邊安裝結構仿真優(yōu)化見圖11,優(yōu)化了前保搭接結構，取消了前保翻邊，使下車體流場更加穩(wěn)定，共降低整車風阻0.003，并且增加了固定點，增強了下護板強度。
輪胎及輪輞對整車風阻均有較大影響。幾何C的輪輞由復雜的初始輪輻優(yōu)化成表面平整的五輻輪輞，在此基礎上又從開口面積及輻面型面兩方面經(jīng)歷三輪優(yōu)化，與造型共同設計出了低風阻輪輞造型，最終降低風阻0.006，如圖13。
4開發(fā)階油泥車風洞試驗
4.1油泥車模型狀態(tài)
全細節(jié)油泥模型如圖14所示，其中前格柵、前唇、車標、AGS、后視鏡、門把手、鯊魚鰭、后尾翼及下護板均采用ABS樣件，方便拆卸并且保證強度。風洞試驗在上海同濟大學風洞中心完成。
4.2油泥車基礎狀態(tài)風洞試驗結果
風洞試驗基礎狀態(tài)Cd=0.300,最優(yōu)狀態(tài)為Cd=0.282。各個附件風阻貢獻見下表3。
4.3油泥車風洞試驗優(yōu)化方案
油泥車風洞試驗優(yōu)化方案見下表4。
結合仿真優(yōu)化結果，在風洞試驗中對后尾翼高度優(yōu)化方案進行了驗證，結果見表5，方案B的后尾翼末端下壓20mm方案，共降低整車風阻0.006，體現(xiàn)到最終造型。
氣簾優(yōu)化試驗結果見下表6。氣簾關閉整車風阻系數(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基礎上降低風阻系數(shù)0.005，部分優(yōu)化方案體現(xiàn)到最終造型。
5試驗車風洞試驗驗證
幾何C車型在油泥模型風洞試驗結束后，根據(jù)優(yōu)化方案進行了造型及工程方案調整，后續(xù)又進行了一系列的降阻潛力挖掘，并在同濟大學風洞中心完成了最終的實車風洞試驗驗收工作。
整車基礎狀態(tài)Cd=0.273（二人載），在試驗過程中對與造型共同設計的低風阻輪輞造型優(yōu)化方案進行了驗證，可降低風阻整車風阻0.004，即加裝低風阻輪輞后整車風阻狀態(tài)可達Cd=0.269。
6結論
幾何C的整個空氣動力學開發(fā)經(jīng)歷了仿真分析優(yōu)化—油泥車風洞試驗驗證及優(yōu)化—結合試驗結果及后續(xù)仿真分析工作進一步挖掘降阻潛力—實車風洞試驗的幾個過程，在開發(fā)過程中得到了以下幾個結論：
1.幾何C車型baselineCd=0.273滿足開發(fā)要求,采用低風阻輪輞的風阻狀態(tài)為Cd=0.269，baseline狀態(tài)整車風阻系數(shù)共降低0.067。
2.幾何C整個開發(fā)過程中貢獻度大的方案較少，如后尾翼高度調整降低整車風阻0.006，輪輞造型優(yōu)化降低風阻0.006，加裝AGS降低風阻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，關注細節(jié)，積少成多，聚沙成塔是幾何C車型空氣動力學成功開發(fā)的重要原因。
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