摘要

本研究提出了電動汽車的自驅(qū)動和空氣動力學(xué)穩(wěn)健設(shè)計。根據(jù)交通工具設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)程序，使用仿生原理進行了車輛設(shè)計。Speedform（車輛設(shè)計的一種原始形式，通常被認為是交通設(shè)計的視覺詞匯）是使用AutoCAD進行計算開發(fā)的。為了提高車輛的空氣動力學(xué)穩(wěn)健性，提出了獨特的空氣動力學(xué)擾流板。VAWT（垂直軸風(fēng)力渦輪機）與空氣動力學(xué)擾流板相結(jié)合，有助于產(chǎn)生車輛所需的動力。車輛的最終外部設(shè)計在AutoDesk MAYA上建模，使用計算流體動力學(xué)(CFD)分析了增加的下壓力和減少的空氣阻力。采用Realizable k-e湍流模型用于ANSYS Fluent上的CFD分析。考慮了阻力系數(shù)、升力系數(shù)和速度等值線，用于優(yōu)化和驗證幾何形狀。

引言

隨著對氣候變化的日益關(guān)注和 AQI（空氣質(zhì)量指數(shù)）的下降，可以看到全球朝著可持續(xù)能源生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。因此，電動汽車(EV)的重要性獲得了巨大的發(fā)展勢頭。然而，電動汽車有時候又不令人興奮，并且很難將其設(shè)想為高性能汽車。保持可持續(xù)性的觀點和令人興奮的高性能汽車一起向前發(fā)展一直是這項研究的主要目標(biāo)。本文涉及研究的第一階段，其中僅考慮車輛外型設(shè)計、空氣動力學(xué)穩(wěn)健性和提出車輛自驅(qū)動的概念。

研究動機

全球汽車行業(yè)預(yù)計到 2035 年將完全禁止使用汽油和柴油等傳統(tǒng)能源驅(qū)動的汽車?？紤]到2035年的情景，屆時幾乎全部人類將大體轉(zhuǎn)向使用電動汽車，因此需要有效的充電基礎(chǔ)設(shè)施。隨著時代的發(fā)展，印度仍有許多村莊沒有通電，能否在15年的時間內(nèi)建成能夠取代所有汽油和柴油加油站的基礎(chǔ)設(shè)施？如果建成，將如何為所有這些充電站供電？建設(shè)能提供清潔能源和可持續(xù)電力的發(fā)電站將是下一個挑戰(zhàn)。如果不是這樣，并且如果電力是通過傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的，那么使用汽油和柴油的車輛與電動車輛幾乎沒有任何區(qū)別。因此，對于電動汽車來說，一個主要的挑戰(zhàn)是基礎(chǔ)設(shè)施。與此同時，區(qū)分不同車輛性能的參數(shù)也會出現(xiàn)偏差。續(xù)航里程、完全充滿電所需時間都值得提出來。如果行駛里程大于汽車的續(xù)航里程，人們就必須在中途重新充電，或者攜帶裝滿充電電池的背包，這肯定會讓汽車變得更笨重。車輛在充電的時候會變得多余，如果充滿電的時間是幾個小時，在緊急情況下它們幾乎沒有任何用處。因此，人們一直在尋求更好的電力驅(qū)動方式。世界各地的研究人員都在研究如何制造一種自驅(qū)動的汽車。

文獻綜述研究的主要目標(biāo)是開發(fā)一種空氣動力學(xué)穩(wěn)健的設(shè)計，不僅在美學(xué)上獨特，而且支持車輛的自動力事業(yè)。在研究院的一個項目中，Rohini進行了一項關(guān)于S級運動轎跑草圖和外部輪廓設(shè)計的計算生成研究，該研究的靈感來自于西塔拉姆·索尼博士為工業(yè)設(shè)計開發(fā)的類似模型。在Sitaram Soni博士的工作中發(fā)現(xiàn)的研究不足是，為單一設(shè)計生成的所有變體都只是2維圖紙，Rohini的模型中只包含了交通設(shè)計。然而，獲得的草圖和車輛輪廓非常原始，有許多粗糙的表面，并且沒有很好地構(gòu)建和徹底開發(fā)。最終結(jié)果更像是一個紙上的概念，需要開發(fā)成一個機械合理且空氣動力學(xué)穩(wěn)健的正式模型。然而，也沒有提出使車輛自我驅(qū)動的概念或構(gòu)想。本研究填補了以往工作的所有這些研究空白。

在過去進行的許多研究工作中，風(fēng)力發(fā)電在高速公路附近，VAWT安裝在兩條車道、鐵軌（隧道、大田野等）之間的分割線上，在火車頭上使用威爾斯渦輪機。受機車發(fā)電的概念啟發(fā)，作為列車本身的一部分，本研究提出了一個類似于擬議車輛設(shè)計的概念。

研究方法

考慮到本文中涉及的交通設(shè)計和空氣動力學(xué)為不同領(lǐng)域，所以研究方法分為兩個部分：車輛設(shè)計和CFD(計算流體動力學(xué))。車輛設(shè)計部分廣泛地討論了過程的不同階段。它展示了車輛從草圖到最終形狀的開發(fā)過程，它的兩個主要部件用于自供電，即管道和渦輪機，以及最后的封裝。CFD部分討論了驗證設(shè)計和獲得最佳車身周圍氣流的分析，以及阻力、升力和它們的系數(shù)的計算。

車輛設(shè)計

在外形模型的開發(fā)中，我們借鑒了蝠鲼的身體形態(tài)、淚滴的流線形態(tài)以及Rohini Moon研究中為獲得草圖而開發(fā)的原始結(jié)構(gòu)的紙面概念，并對其進行了深入的研究，從而啟動了外形提取和迭代的過程。在成功地進行了7個階段的表面提取和迭代過程后，得到了最終的表面。隨后得到車輛設(shè)計的原始形式，即草圖，并建模如圖1所示。

該草圖進一步用于模型的形狀進化過程。整車軸距為6個輪長，前后寬分別為4.5個輪長和4個輪長，高為1.75個輪長。然后，車輛的駕駛艙與前輪保持2.5個輪子的距離，與后輪保持1.5個輪子的距離，保持0.25個輪長的離地間隙。前后懸分別為1個輪長和0.5個輪長。該模型的車輪直徑為691mm?？紤]到所有這些尺寸，采用工程圖技術(shù)繪制了完整設(shè)計的手繪草圖。使用這個草圖，整車在AutoDesk MAYA和SolidWorks上建模。該模型隨后在ANSYS spacecclaim中使用修復(fù)函數(shù)進行修復(fù)。對分裂的邊緣、未縫合的表面、不精確的邊緣和樣條面進行修復(fù)，然后對模型進行CFD分析。最終的車輛設(shè)計如圖2所示。

管道的設(shè)計靈感來自于淚滴的類比。管道設(shè)計的俯視圖或水平視圖是利用淚滴的水平視圖得到的，為后續(xù)的車輛包裝留下空間，并避免車輪與管道之間的摩擦。側(cè)視圖或垂直視圖的設(shè)計是向上傾斜，以保持車身外部設(shè)計的約束和無渦流線流向后方。圖3顯示了在AutoDesk MAYA上建立的相同模型。

為了實現(xiàn)車輛自我驅(qū)動的目的，VAWT（垂直軸風(fēng)力渦輪機）被放置在管道的后端。離開管道后端的空氣有助于渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)，最終使用裝置中的其他元件產(chǎn)生電力。該電力存儲在輔助電池中，從而在車輛運行期間促進車輛充電，消除與充電基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的所有問題。圖4表示在SolidWorks上建模的渦輪機設(shè)計。車輛包裝的確定分為兩個步驟：a.部件間距   b.電路圖

考慮到前輪驅(qū)動車輛如果采用后輪驅(qū)動，由于在輪高上方的后中部存在隧道，會造成車輛間距的問題，所以進行了組件間距的計算。為了避免渦輪和傳輸回路之間不必要的壓實，并便于質(zhì)量的均勻分布，元件間距如圖5所示。

確定了用渦輪裝置和電池管理系統(tǒng)代替充電口的電路，以利用產(chǎn)生的動力、輔助動力或牽引力控制哪個電池充電。直流電源由逆變器從電池中取出，轉(zhuǎn)換成交流電源，并按照潛水員控制形式的給定輸入控制其振幅。然后，交流電流被轉(zhuǎn)移到感應(yīng)電機的定子，定子反過來在轉(zhuǎn)子棒中感應(yīng)電流，并開始旋轉(zhuǎn)。由于感應(yīng)電機產(chǎn)生的可用扭矩之間的0至18000 RPM，只有一個單一的速度傳輸系統(tǒng)是使用的。圖6以簡化方框圖的形式展示了整車電路。

考慮到結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性的概念，框架也被視為設(shè)計的一個重要元素?？蚣艿膭偠热Q于其形狀和制造工藝。為了提高車輛的可控性，我們需要最佳的抗扭剛度、重量輕且所有部件的重量分布均勻。為方便起見，我們選擇了管狀空間框架。鑒于它們具有更好的抗扭剛度，它們比任何其他類型的框架具有更多的優(yōu)勢。我們選擇了 AISI 4130 材料，因為該材料具有更好的剛度、強度和更好的強度質(zhì)量比?？蚣茉赟olidWorks 上建模，如圖 7 所示。

CFD

計算流體力學(xué)可以廣泛地用于物體周圍氣流的分析。本文采用的方法是基于阻力、升力及其系數(shù)的計算。本文采用的方法與大多數(shù)CFD分析中使用的典型方法相似，首先，將連續(xù)域轉(zhuǎn)化為離散域，將物理問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型。然后利用邊界條件和各種模型，利用相應(yīng)的求解器對數(shù)學(xué)模型進行求解，得到數(shù)值解(所選點所需變量)。利用后處理軟件將數(shù)值解可視化。因此，可以根據(jù)需要利用物理流進行研究。該分析的主要目的是驗證設(shè)計，并獲得最佳的汽車周圍氣流?？諝鈩恿W(xué)在許多方面發(fā)揮著重要的作用，比如燃油經(jīng)濟性、加速，在這種情況下，通過固定在汽車后部管道末端的渦輪機，使管道內(nèi)的空氣流量最大化，從而促進發(fā)電。從第一次迭代獲得的矢量和流線形式的速度等值線表明，流動具有不連續(xù)性。車身周圍產(chǎn)生了許多不必要的渦流，阻礙了下游的分流。對車輛的設(shè)計進行了優(yōu)化，以獲得最小的渦流產(chǎn)生和最佳的阻力。類似地，對管道幾何形狀進行了某些更改，以便在其中獲得最大的氣流，從而產(chǎn)生更高的下壓力。重復(fù)此過程，直到獲得最佳結(jié)果。在此過程中，主要空氣動力學(xué)部件（如擋風(fēng)玻璃、車頂和管道）發(fā)生了重大變化。

網(wǎng)格 在幾何建模之后，通過構(gòu)造一個包含車輛的外殼來定義一個有限體積域。在有限體積域內(nèi)進行了模擬。利用ANSYS Workbench嚙合工具進行離散化。CFD研究一般傾向于大的流場，但考慮到計算成本和流動問題的性質(zhì)，限制在以下幾個維度：長L+2m，寬B+2m，高H+1.5m；L、B、H分別表示車輛的長、寬、高。計算域邊界與前、后、兩側(cè)車輛的間距保持1m，頂部距車輛頂部1.5m，地面距車輛底部0m。

表1描述了使用的網(wǎng)格設(shè)置。

圖1顯示了元素數(shù)量和元素矩陣之間的正交質(zhì)量圖。它位于0(壞)到1(好)的范圍內(nèi)。從圖中可以看出，網(wǎng)格元素數(shù)量在0.5 ~ 1范圍內(nèi)較多，網(wǎng)格質(zhì)量較好。

車身氣流分析 在這種情況下，空氣被視為存在于計算域中的流體?？紤]到所提出模型的復(fù)雜性，本研究將車輛的最高速度限制在100KMPH。在研究了任何商用車輛的平均速度被認為是64KMPH之后，獲得了20KMPH到100KMPH之間的速度范圍的阻力和升力。求解了1000次迭代，每次迭代耗時1秒。使用CFD post查看獲得的結(jié)果，以便清楚地了解氣流模式和其他參數(shù)，如渦流形成、流線和矢量。有了這些結(jié)果，車身的設(shè)計被一次又一次地調(diào)整和分析，直到達到最佳結(jié)果。

控制方程 剪切應(yīng)力傳輸(SST) k-ω湍流模型被用于所有的分析，因為它被發(fā)現(xiàn)比其他湍流模型最準(zhǔn)確，因為它能夠預(yù)測帶有逆壓梯度的流動或帶有分離和再附著的流動。剪切應(yīng)力輸運(SST) k-ω模型是一種兩方程渦粘模型。這些方程采用混合函數(shù)，使不同k-ω模型在壁面附近和邊界層外層之間逐漸過渡。壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)模型，外側(cè)部分采用高雷諾數(shù)模型。文中還采用了一種改進的湍流黏度公式來考慮湍流剪應(yīng)力的輸運效應(yīng)。

湍流動能

特定的耗散率

F1(混合函數(shù))

注:F?內(nèi)附面層= 1，自由流中為0

運動渦流粘度

F2 (第二次綁定函數(shù))

P(生產(chǎn)限幅器)

結(jié)果觀察

最初，在氣動模擬中觀察到，在車身表面附近有渦流形成，主要朝向車身的前后管道端。在車身的各個表面附近也觀察到了流動分離。所有這些都導(dǎo)致車輛的空氣阻力非常高。通過隧道的流量也非常低，不足以增強下壓力和所需的發(fā)電量。所有這些流動干擾因素都可以在圖8中清楚地看出。在初始模擬中獲得的相應(yīng)阻力和升力系數(shù)分別為0.51和0.2125。表2列舉了初始模擬中在不同速度下獲得的阻力和升力。

導(dǎo)致氣流差異的所有車身部分都經(jīng)過優(yōu)化，使得氣流模式主要是流線和速度矢量，如圖9所示，非常干凈且具有空氣動力學(xué)效率，并且由于空氣阻力而產(chǎn)生的阻力最小。

為了達到同樣的效果，對幾何形狀進行了許多修改。這些修改包括減小機翼角度以在后部獲得干凈的氣流，改變兩個通道的迎角以增加它們內(nèi)部的氣流并隨后增強下壓力；前擋風(fēng)玻璃在中間平面上有一個尖銳的曲率，導(dǎo)致氣流向上而不是朝向擋風(fēng)玻璃上方的結(jié)構(gòu)體面板，導(dǎo)致該區(qū)域的流動分離，通過平滑中間平面中的擋風(fēng)玻璃曲率來處理同樣的問題。

最終的模擬結(jié)果顯示，阻力系數(shù)為0.35，升力系數(shù)為0.014，不同速度下對應(yīng)的阻力和升力見表3。

驗證

有一些公式可以計算任何車輛所受的阻力。為了驗證計算流體動力學(xué)的結(jié)果，采用公式(8)從理論上計算了不同速度下的阻力。對某些幾何形狀的阻力系數(shù)進行了近似計算?？紤]到此，本文對給定模型進行理論計算時，考慮阻力系數(shù)為0.33。用空氣在流動過程中垂直撞擊的面積來測量參考面積，得出為2.64mm2。

阻力

通過理論計算得到的不同速度下的阻力均列于表4。圖2將得到的阻力理論值與最終模擬得到的數(shù)值進行了比較。

結(jié)論

本文研究了所提出的車輛設(shè)計的阻力計算和優(yōu)化，以實現(xiàn)規(guī)整氣流和車輛面臨的阻力最小。本研究得出以下結(jié)論：

1.模型優(yōu)化后阻力減小32.9%。

2.對車體進行優(yōu)化，直到達到一個適當(dāng)?shù)牧骶€型流動，旋渦最小，流動分離最小3.阻力系數(shù)和阻力分別為0.35和436.75N，升力為17.371N，非常低，因此有利于產(chǎn)生非常有效的下壓力。4. 通過改變攻角優(yōu)化其幾何形狀，增加了通過管道的氣流，從而增強了下壓力。5. 提出了一種在車輛運行過程中高效發(fā)電和充電的方法，消除了充電基礎(chǔ)設(shè)施和充電過程冗余的問題。
文章來源：Moon, R.R., Prajapati, S., and MISHRA, P.R., "Aerodynamic Approach on Enhancing the Downforce in a Self-Powered Electric Vehicle," SAE Int. J. Advances & Curr. Prac. in Mobility 4(3):853-860, 2022, doi:10.4271/2021-26-0358.

本期內(nèi)容相關(guān)推送文章匯總：

1. 卡車減阻

   通過CFD優(yōu)化卡車拖車空氣動力學(xué)設(shè)計|AutoAero202213期

2. 風(fēng)振、風(fēng)噪主動控制

   汽車風(fēng)噪聲及風(fēng)振主動控制綜述| AutoAero202215期（更正）

3. 主動尾翼控制

   采用主動尾翼控制改善賽車的安全性和橫向動力學(xué)性能