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電動汽車空氣動力學(xué)減阻的相關(guān)概念（二）

2018-11-15 22:55:03·  來源：馬曉靜 AutoAero  
　
上一節(jié)中主要介紹了汽車空氣動力學(xué)發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀，并認(rèn)識到減阻這項任務(wù)在汽車設(shè)計時逐漸成為空氣動力學(xué)部分的主要考量，這一認(rèn)識在電車設(shè)計中達(dá)到一定的高度
上一節(jié)中主要介紹了汽車空氣動力學(xué)發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀，并認(rèn)識到減阻這項任務(wù)在汽車設(shè)計時逐漸成為空氣動力學(xué)部分的主要考量，這一認(rèn)識在電車設(shè)計中達(dá)到一定的高度。針對電車提出的相關(guān)空氣動力學(xué)方面減阻的一部分概念已在一些生產(chǎn)車輛和概念車中得到了應(yīng)用，本次推送中將主要分為四個階段展示原作者針對整車的不同部位進(jìn)行的相關(guān)概念的仿真驗證。
從左至右：傳統(tǒng)汽車阻力分布、所要研究的流程與概念方案
 
所有概念的仿真均是基于DrivAer模型進(jìn)行的。作為寶馬公司開發(fā)的一種用于空氣動力學(xué)研究的通用汽車模型，它除了能夠減少車輛與其簡化模型的差距還可以通過改變尾部結(jié)構(gòu)搭配不同的車型來使用。本項研究選用基于新能源汽車公司偏好的掀背車和快背車模型，并在NEVS （瑞典國家電動車公司）的幫助下針對其引擎室進(jìn)行改造，保留了前端下格柵處的冷卻口。
從左至右：DrivAer模型不同車型配置（1-快背式，2-掀背式，3-轎車）、模型動力艙冷卻流出入口
DrivAer模型的引擎室改造:常規(guī)傳動系(左)，電氣傳動系(右)
車身前部與車輪
車輛前端較大的氣流滯留區(qū)是其阻力的主要來源，根據(jù)Hucho的研究，改變車頭的形狀尤其是降低車頭可以實現(xiàn)減阻效果，這也是常規(guī)汽車設(shè)計中與造型相互妥協(xié)的減阻方法。
在前端的概念設(shè)計中主要研究氣簾與前輪罩通風(fēng)、前端擾流板與分離器組合。需要提到的是對氣簾和前輪罩通風(fēng)的研究幾乎沒有可參考的相關(guān)文獻(xiàn)。
①氣簾與輪罩通風(fēng)
從左至右：基礎(chǔ)模型前端壓力系數(shù)、基礎(chǔ)模型輪罩后壓力分布
 
氣簾是通過在駕駛室中創(chuàng)建一個帶出口的入口通道來使用上左圖前端標(biāo)記突出的低壓段的高速氣流。輪罩通風(fēng)的目的是為輪罩的氣流提供額外的出口路徑，減少上右圖因氣流停滯帶來的阻力。
 
在確定了氣簾入口和出口的位置后，設(shè)置了三種備選方案。所有方案入口相同，差別在等高度的出口寬度。
通過仿真發(fā)現(xiàn)對于掀背車，最大的阻力減少是10mm寬的方案，而對于快背車最優(yōu)的是20mm寬的方案。
輪罩通風(fēng)的基礎(chǔ)模型和概念設(shè)計的出口寬度與進(jìn)口相同，四種方案唯一變化的參數(shù)是通風(fēng)高度。發(fā)現(xiàn)可以得到4-6counts的減阻效果。
談到輪罩，汽車的車輪本身產(chǎn)生的阻力與其輪輞設(shè)計也有關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)半徑較粗的邊緣設(shè)計和完全閉合的邊緣設(shè)計氣動效果最好。雷諾Ecolab使用的活動的輪輞設(shè)計就是一個很好的減阻設(shè)計，高速公路恒定速度行駛，剎車幾乎不動時，輪輞進(jìn)入完全閉合狀態(tài)。
左兩圖：Vdovin的最佳氣動輪輞 右兩圖：雷諾Eolab的活動輪輞
 
②前部擾流板/分離器組合
對于前部擾流板/分離器組合裝置已經(jīng)有人研究，2015年Kumar研究了前擾流板高度及其離地間隙的影響，并發(fā)現(xiàn)增加一個分離器可控制氣流。之后Robinette研究了傳統(tǒng)汽車不同的前擾流板和分離器設(shè)計對的阻力的影響。概念設(shè)計時考慮到其對正投影面積的影響，把CdA作為評價依據(jù)。除了加速并疏導(dǎo)車底氣流外，研究發(fā)現(xiàn)它還可以減少氣流在前胎的滯止區(qū)域，并在電池艙與輪罩的出口處產(chǎn)生“吸入”效應(yīng)。有趣的是，在本次仿真中阻力并沒有得到減少，故該方案將不在此展示。
 
車身底部
對于車身底部，傳統(tǒng)乘用車輛通常采用不同的車身底板以減少車體下部排氣管、消聲器、油箱等部件的氣流擾動。電動汽車得益于其電池布置，底板通常較平緩， 石原慎太郎曾對一款純電動汽車進(jìn)行了底板的優(yōu)化。概念設(shè)計中主要研究車底導(dǎo)流片和擴(kuò)散器擴(kuò)展。
從左至右：傳統(tǒng)車底部蓋板對Cd影響、優(yōu)化的日產(chǎn)Leaf的車身底板
①擴(kuò)散器擴(kuò)展
位于底體末端的擴(kuò)散器的作用主要是降低出底體的氣流速度，增加車體后部的基壓，從而減小尾跡尺寸。概念中的擴(kuò)散器擴(kuò)展方案是基于他人的研究基礎(chǔ)上的，Lofdahl曾進(jìn)行的一項調(diào)查轎車和掀背車配置的最佳擴(kuò)散角度的研究發(fā)現(xiàn)5-8°的角度對兩種車型的減阻效果都是最大的。Kang發(fā)現(xiàn)使用擴(kuò)壓器擴(kuò)展也可以減少阻力，并對擴(kuò)展400mm時的形狀進(jìn)行了優(yōu)化。
從左至右：轎車與掀背車最佳擴(kuò)散角度、某車輛擴(kuò)散器長度對Cd的影響
不同擴(kuò)散器擴(kuò)展形狀與其Cd值
 
概念方案中的擴(kuò)壓器擴(kuò)展的設(shè)計角度選用5°，寬度為后輪胎間的寬度，設(shè)置了200mm、300mm和400mm三種不同長度的擴(kuò)展。
仿真結(jié)果顯示，掀背車阻力系數(shù)可以減少3-9個counts，快背車阻力系數(shù)可減少3-8個counts。兩種車最優(yōu)擴(kuò)展長度正相反，掀背車的最好情況是200mm的擴(kuò)展，而快背車是400mm。
掀背車在擴(kuò)散器擴(kuò)展為200mm的減阻效果最大，與基礎(chǔ)方案相比，可看到車輛的基本壓力在所有方案下都增加，這就解釋了使用擴(kuò)壓器擴(kuò)展可以減少阻力。從基礎(chǔ)模型可以看出，它有兩個縱向的渦結(jié)構(gòu)，它是由車頂和車底兩個縱向渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。采用200mm擴(kuò)散器擴(kuò)展后，較低的渦旋被延遲，與基礎(chǔ)模型相比變得更小。對于300mm和400mm的擴(kuò)壓器擴(kuò)展方案中，下渦幾乎消失，而上渦結(jié)構(gòu)變大。
從左至右：擴(kuò)散器擴(kuò)展概念下掀背車中心平面壓力云圖、跡線圖
 
對于快背車，較長的擴(kuò)展會帶來較低的阻力。從車輛中心的平面壓力系數(shù)分布圖可以看出，在400mm時，基底壓力增加到最大，從而減少了最大的阻力。從中心平面的的流線圖可看出，隨著低渦的減小，分離延遲，基壓增大，阻力系數(shù)減小。
從左至右：擴(kuò)散器擴(kuò)展概念下快背車中心平面壓力云圖、跡線圖
 
②車底導(dǎo)流片
車底導(dǎo)流片主要是為了疏導(dǎo)車底氣流，其縱向截面是翼片形狀。作者在研究基礎(chǔ)模型時發(fā)現(xiàn)車底氣流分布并不對稱，并推測是動力艙出口的空氣流量不同引起的。概念設(shè)計方案中唯一的變量是長度。
從左至右：基礎(chǔ)工況尾跡等值面、車身下部氣流流動情況
掀背車在安裝250mm的底部導(dǎo)流片時Cd減小最多，且葉片越長減少的阻力越小,在1500mm時阻力不減反增。對于快背車，加裝250mm、500mm和1000mm導(dǎo)流片時Cd值均減少了5個counts，對于1500mm導(dǎo)流片方案，只減少了1個count。
車身上部
 
在側(cè)窗關(guān)閉的情況下，沒有加熱或旋轉(zhuǎn)的部件如車輪和駕駛室等處的干擾氣流時，減少車身上部的阻力主要可分為兩部分：擋風(fēng)玻璃、側(cè)窗、后窗、A柱和C柱以及車頂?shù)炔课惠^復(fù)雜的流動控制；減少尾流區(qū)的壓力損失。前一部分在傳統(tǒng)車輛設(shè)計中優(yōu)化的主要途徑有在不影響視野等安全要求下適當(dāng)增加前風(fēng)擋的角度和增加車窗與立柱的密封等。車身上部對于尾流區(qū)壓力損失的改善上主要措施有增加尾部坡度、尾部收窄、后側(cè)邊緣鋒利化和增加尾部擾流器等。
 
關(guān)于尾部坡度在不同車型上存在最優(yōu)角度，其在增加時Cd值總是出現(xiàn)先降后增的趨勢。傳統(tǒng)上后方擾流器用于增加尾部下壓力，在這里主要是使氣流進(jìn)一步附著在車體上部表面，延遲分離來恢復(fù)背壓，從而減小尾跡尺寸，實現(xiàn)減阻。由于掀背車和快背車后上半部分的不同，通常分別稱為車頂擾流板和主干擾流板。
有(綠線)/沒有(紅線)車頂擾流板和主擾流板
類似于擴(kuò)壓器擴(kuò)展設(shè)計，創(chuàng)建三種長度擴(kuò)展:100mm、200mm和300mm。車頂擾流板加長和車尾擾流板加長隨車輛曲率變化。
從左至右：掀背車車頂擾流板方案、快背車主擾流板方案
掀背車的車頂擾流板擴(kuò)展概念和快背車的主擾流板擴(kuò)展方案中，掀背車的100mm的擴(kuò)展方案得到了與基礎(chǔ)模型相同的結(jié)果。200mm方案使Cd少了4counts，而300mm方案Cd可減少8counts。表明較長的車頂擾流板有利于掀背車減阻。對于快背車，最短的擾流板擴(kuò)展減阻效果最好。
從掀背車的中心截面速度云圖可以清楚地看到，在基礎(chǔ)模型和帶有300mm車頂擾流器擴(kuò)展方案的尾跡是不同的。對于300mm擴(kuò)展方案，后流速度小于基礎(chǔ)模型，這會形成更高效的壓力恢復(fù)和較小的尾跡尺寸，此時Cd可減少8個counts。其中心截面流線圖可看到此方案上渦被延遲，如同擴(kuò)散器擴(kuò)展一樣達(dá)到了減阻效果。
從左至右：掀背車中心面速度云圖、中心截面流線圖
對于快背車，不同的主擾流器擴(kuò)展方案的后端壓力系數(shù)圖可看到不同方案間基準(zhǔn)壓力恢復(fù)的明顯差異。100mm的擴(kuò)展時尾跡尺寸最小，Cd減小9個counts。
設(shè)計概念方案的組合與評估
對掀背車和快背車中每個方案中最好的情況在DrivAer模型中結(jié)合并模擬，另外為模擬未來的概念配置，組合的概念配置還需搭配額外的功能，如封閉格柵，刪除后視鏡和消除門把手等。
掀背車
快背車
10mm的氣簾
10mm氣簾
300mm的輪罩通風(fēng)
300mm輪罩通風(fēng)方案
250mm的車身下部導(dǎo)流片
250mm車身下部導(dǎo)流片
200mm的擴(kuò)壓器擴(kuò)展
400mm的擴(kuò)壓器擴(kuò)展
300mm的車頂擾流板擴(kuò)展
100mm主擾流板擴(kuò)展
對于掀背車，通過組合的概念配置Cd可減少15個counts,CdA值的變化是5.5%。而掀背車的未來概念配置，阻力系數(shù)可以減少高達(dá)35個counts，這相當(dāng)于50%以上的改善。在未來概念配置下，正投影面積從2.162平方米下降到2.106平方米，CdA值降低了15.2%。
快背車的概念配置并沒有達(dá)到掀背車相同的減阻效果，Cd值減小值只有5counts。然而，在未來概念配置中，Cd值減少了33個counts并且CdA值減少了15.5%。
總結(jié)
文中所研究的概念并不能代表它們?nèi)康目諝鈩恿W(xué)特性，在設(shè)計和優(yōu)化空氣動力學(xué)特性之前，應(yīng)該把重點(diǎn)放在優(yōu)化車輛的幾何結(jié)構(gòu)上。大部分氣動特性效果只適用于特定車輛，合理控制和引導(dǎo)氣流才是減阻的關(guān)鍵所在。
 
現(xiàn)代汽車的空氣動力性能還沒有完全發(fā)揮其潛力，電動汽車對于減少風(fēng)阻增加里程的需求將使主動氣動特性越來越受歡迎。仿真中減阻效果最大的擴(kuò)壓器和車頂/主擾流板擴(kuò)展概念，在不久的將來有可能成為主動減阻裝置在車輛上應(yīng)用。
 
參考文章來源： 
Aktas U, Abdallah K. Aerodynamics Concept Study of Electric Vehicles[D].Master Thesis,Chalmers University of Technology,2017. 
本期內(nèi)容相關(guān)推送文章匯總：
  1. 電動汽車空氣動力學(xué)減阻的相關(guān)概念(一）丨AutoAero201819期
  2. 通過現(xiàn)實的風(fēng)均阻力系數(shù)實現(xiàn)準(zhǔn)確的燃油經(jīng)濟(jì)性預(yù)測|AutoAero201810期
  3. 奧迪Q5的氣動開發(fā)|AutoAero201735期
  4. 憑借空氣動力車輪，特斯拉Model 3續(xù)航提升10%|AutoAero201730期
  5. 通過數(shù)值仿真分析非光滑表面的減阻特性|AutoAero201719期
編者：馬曉靜
評論潤色：張英朝
如有技術(shù)問題或有意相關(guān)技術(shù)合作，請聯(lián)系張英朝教授，發(fā)郵件至：yingchao@jlu.edu.cn！
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