某純電SUV氣動阻力優(yōu)化

湯柱良 袁俠義 陳志夫 肖凌

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，越來越多的傳統(tǒng)車企及造車新勢力投入到純電車型的開發(fā)中，但是都面臨續(xù)航里程特別是高速續(xù)航里程不足的瓶頸，增大電池容量和減小整車行駛阻力成為了2個研究方向，相對于增大電池容量，減小空氣阻力具有成本低和改善高速續(xù)航效果明顯的優(yōu)勢[1-2]，許多國外的汽車企業(yè)進行了相關(guān)的研究。日產(chǎn)的Yuji Ishihara等介紹了leaf車型的空氣動力學開發(fā)過程；特斯拉的Robert Palin等撰文介紹了特斯拉Model S的空氣動力學開發(fā)過程，重點研究了格柵進氣和車輪風阻優(yōu)化；日產(chǎn)的Hideyuki Kawamata等研究了側(cè)風條件下的降風阻效果，分析在不同橫擺角條件下對電動車續(xù)航里程的影響，得出在橫擺角為4°時影響最大?？偟膩砜磭怆妱榆嚳諝鈩恿W開發(fā)主要是日產(chǎn)和特斯拉等公司在進行開展，采用CFD仿真和風洞試驗工具，并部分考慮了實際側(cè)風工況的影響。國內(nèi)介紹純電車型空氣動力學開發(fā)的車型較少，文章介紹了某純電車型的氣動阻力開發(fā)，不同區(qū)域采用的不同的工具優(yōu)化。

1 分析方法

圖1示出不同階段的風阻開發(fā)工具，可知在項目立項前期以FVM穩(wěn)態(tài)仿真為主，確定造型方向及主體選定的風阻建議，概念設(shè)計階段和詳細設(shè)計階段增加LBM瞬態(tài)仿真和等比例模型風洞試驗對外造型細節(jié)特征推敲和氣動附件優(yōu)化，最后以ET風洞試驗結(jié)果確定最終風阻水平。

圖1 不同階段的開發(fā)工具

1.1 CFD分析工具

目前主流的CFD分析方法主要分為2種：有限體積法FVM和格子玻爾茲曼法LBM。FVM作為目前CFD領(lǐng)域最成熟的算法，是直接將宏觀的控制方程進行離散，然后基于傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)導出的NS方程求解離散方程，最后獲得宏觀的各物理量。LBM方法從微觀動力學角度出發(fā)，將連續(xù)介質(zhì)看作大量位于格子節(jié)點上的離散流體質(zhì)點粒子，粒子按碰撞和遷移規(guī)則在格子上運動，通過對各格子流體質(zhì)點運動特征的統(tǒng)計，獲得流體宏觀運動規(guī)律[3-5]。文章同時采用了上述2種方法評估不同方案的效果。

表1 計算方法對比

1.2 試驗工具

對于復雜流動的模擬CFD仿真存在一定的誤差，例如車輪和下車體附件區(qū)域僅僅通過仿真方法無法評估確定優(yōu)化方案的準確性，文章采用等比例模型風洞試驗的方式，均在同濟大學地面交通工具風洞中心對造型細節(jié)和氣動附件進行尋優(yōu)，驗證仿真方法的準確性，風洞的技術(shù)參數(shù)可參考文獻[6]，如圖2所示。

圖2 等比例模型風洞試驗現(xiàn)場

試驗樣車采用1:1的等比例油泥模型和樣件裝配的方式，模型保留了冷卻芯體和機艙部件。首先在試驗前設(shè)計方案，然后風洞中通過替換樣件測試方案的貢獻量，通過在散熱芯體和車身表面布置流量和壓力測點，獲取芯體表面風速和車身表面的壓力系數(shù)。試驗現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 模型機艙布置和尾部測壓點

2 概念設(shè)計階段優(yōu)化

2.1 造型主題選擇

項目前期結(jié)合的造型方案選擇過程中，造型方案的迭代速度快、數(shù)量多，CFD分析結(jié)果有如下優(yōu)勢：1）高效快速適應造型的變化給出評估結(jié)果；2）能夠獲得豐富的流場信息，針對具體位置的造型特征進行改善，因此在造型方案選定之前以CFD仿真為主要手段，如圖4所示。

圖4 3組造型方案風阻仿真結(jié)果

根據(jù)FVM仿真結(jié)果，從流場的角度給出優(yōu)化建議。從Y0截面速度分布云圖判斷車身上下2股氣流是否均衡。A方案發(fā)動機蓋上方氣流最貼合，車頂速度最大，尾部阻力最低。B方案后擾流板較短，流經(jīng)車頂?shù)臍饬飨聣?，造成尾部阻力較大。C方案發(fā)罩末端氣流未貼合，有較明顯的氣流分離，后擾流板較短，流經(jīng)車頂?shù)臍饬飨聣骸?組方案的尾部流動均較差，流過車頂和車底的2股氣流平衡性較差。

從車身表面的速度分布云圖獲得車身表面速度梯度較大的位置，判斷可能發(fā)生氣流分離的位置，A方案行李架貼頂，D柱導流和后擾流板較長分離干凈；B方案車頭側(cè)面速度梯度較大，行李架不貼頂，D柱導流和后擾流板最短導致尾部風阻較大；C方案車頭側(cè)面最優(yōu)，速度梯度較小。

從車身表面壓力分布和總壓為零的等值面可知，方案B前保側(cè)面存在內(nèi)凹的造型特征導致前保2側(cè)的氣流無法貼合，前輪和擾流板后部的尾流區(qū)較大。

2.2 尾部概念設(shè)計方案

為了評估不同的尾部造型對空氣動力學的影響，文章采用FVM方法分析了3組尾部概念方案：1）傳統(tǒng)封閉擾流板2）溜背無擾流板3）鏤空擾流板。如圖5所示，相對于傳統(tǒng)封閉式的擾流板，溜背無擾流板方案產(chǎn)生尾流最小，意味著車尾產(chǎn)生的能量損失最小，仿真對應的風阻系數(shù)最低，擾流板封閉的方案車尾產(chǎn)生的尾流區(qū)域最大，車尾產(chǎn)生的能量損失最大。因此，文章結(jié)合造型需求確定了鏤空擾流板方案，保留側(cè)面SUV形態(tài)的同時具有與溜背車型類似的尾部流場結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果顯示優(yōu)化后的鏤空擾流板方案與不帶擾流板方案的尾部流場結(jié)構(gòu)十分接近。

圖5 不同擾流板Y0截面總壓分布

等比例模型風洞試驗結(jié)果表明，相比與原始方案，溜背無擾流板方案風阻系數(shù)Cd降低0.018，鏤空擾流板方案風阻系數(shù)Cd降低0.014，與仿真結(jié)果具有較好的一致性，如表2所示。

表2 尾部優(yōu)化風阻貢獻量

3 詳細設(shè)計階段優(yōu)化

詳細設(shè)計階段對容易發(fā)生分離的位置如前保、尾燈、后視鏡等進行詳細優(yōu)化，增加LBM仿真和等比例模型風洞試驗進行開發(fā)。

3.1 前保

采用LBM方法分析前保側(cè)面轉(zhuǎn)角位置優(yōu)化，如圖6所示。通過增加側(cè)面飾板和氣流通道減少了轉(zhuǎn)角側(cè)面的氣流分離，從分析結(jié)果來看，側(cè)面飾板增大了前保側(cè)面的轉(zhuǎn)角過渡區(qū)域，減小了前保外側(cè)的分離，同時氣流也可以從飾板內(nèi)側(cè)的氣流通道流出，減小了霧燈區(qū)域的壓力。

圖6 前保側(cè)面特征優(yōu)化

3.2 A柱與后視鏡

如圖7所示，通過調(diào)整A柱形狀和后視鏡殼體的飽滿度，減小這2個位置局部的氣流分離，通過風洞試驗驗證A柱優(yōu)化風阻系數(shù)0.0026，后視鏡優(yōu)化風阻系數(shù)0.003。

圖7 A柱和后視鏡優(yōu)化

3.3 其它造型細節(jié)優(yōu)化

除了上述位置還對造型細節(jié)如：機艙蓋、前大燈側(cè)面轉(zhuǎn)角特征、天線外殼、后保側(cè)面形狀、尾燈等位置進行了優(yōu)化，改善了上述細節(jié)位置的流場分布情況。造型方案的風阻優(yōu)化貢獻量，如表3所示。

表3 造型優(yōu)化風阻貢獻量

4 設(shè)計驗證階段優(yōu)化

4.1 車輪氣壩

車輪氣壩是在車輪前端擋泥板位置增加導流結(jié)構(gòu)，避免氣流直接沖擊車輪，以達到降低風阻的效果。由于旋轉(zhuǎn)車輪周邊的流場比較復雜[7-8]，通過CFD仿真難以準確模擬車輪附近的流場。文章主要通過風洞試驗改進氣壩的形狀，測試的參數(shù)包括Y向內(nèi)外兩側(cè)的寬度l1和l2和斜坡角度α，試驗測試現(xiàn)場及方案如圖8和表4所示。試驗結(jié)果表明，車輪氣壩內(nèi)側(cè)增大57 mm，外側(cè)寬度增大57 mm，斜坡角度62°時，最終的前輪氣壩的降阻量達到0.013，取得較好的效果。

圖8 前輪氣壩風洞測試

表4 氣壩優(yōu)化風阻貢獻量

4.2 車底后護板

純電車型的下車體不存在排氣管和油箱等管路布置，而是大面積的電池覆蓋區(qū)域，保持了較好的平整度，在此基礎(chǔ)上覆蓋了機艙下護板、裙邊下護板和后擴散器下護板，減小下車體的風阻。

文章針對后底護板覆蓋面積和護板傾斜角度進行研究，如圖9所示，從覆蓋面積看A＞B＞C，A護板的覆蓋面積最平整，B護板后懸下擺臂位置的護板切除，C方案無護板覆蓋。進一步地，在B方案覆蓋面積的基礎(chǔ)上，增加了2組角度的D方案和E方案，D方案為Y0截面相對于B方案角度減小，E方案角度增大，均滿足離去角要求。

圖9 車底后護板方案

對上述方案采用FVM和LBM仿真與試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖10所示，從護板覆蓋面積分析，表明B方案的降阻效果最好，A方案后護板的覆蓋面積最完整，但是風阻比沒有護板覆蓋的C方案差，說明對于該車型后底護板覆蓋并不是越平整越好。從后底護板傾斜角度分析，后底護板傾斜角度與降低風阻的效果關(guān)聯(lián)極大，存在最優(yōu)的角度。2種仿真方法模擬后底護板對風阻的影響對比可知，LBM方法的Cd變化趨勢與試驗最為一致，F(xiàn)VM模型風阻絕對值與試驗結(jié)果差別最小。

圖10 仿真和試驗結(jié)果對比

對比LBM方法與試驗尾部壓力系數(shù)分布情況，如圖11所示，仿真與試驗的趨勢基本一致，尾部壓力的變化趨勢與風阻系數(shù)的變化趨勢基本一致，LBM方法可以較好地獲得后底護板對風阻影響的變化趨勢。

圖11 優(yōu)化前后尾部壓力分布云圖

4.3 ET車風洞試驗驗證

除了前輪氣壩和后底護板外，設(shè)計驗證階段還優(yōu)化了機艙下護板、輪輞蓋板以及機艙導流罩等位置風阻，各部分附件的風阻優(yōu)化量，如表5所示。

表5 車身附件優(yōu)化風阻貢獻量

在ET風洞試驗階段，試驗結(jié)果表明，該車型降阻量為0.112，降低了28%，NEDC純電續(xù)航里程提升56 km，該車型達成風阻目標，如圖12所示。

圖12 ET風洞試驗現(xiàn)場

5 結(jié)論

文章采用CFD仿真和風洞試驗方法分析了某純電車型不同開發(fā)階段對氣動阻力的優(yōu)化改進，經(jīng)過外造型和氣動附件優(yōu)化，整車風阻系數(shù)降低28%，結(jié)論如下：

1）等比例模型試驗能夠評估對氣動阻力影響較大的區(qū)域，如擾流板、氣壩和后底護板，獲得影響風阻系數(shù)的有效位置；

2）造型概念設(shè)計階段采用FVM空氣動力學仿真，評估不同造型方案的風阻性能，詳細設(shè)計階段增加LBM仿真和等比例模型風洞試驗評估造型細節(jié)與氣動附件等，不同的優(yōu)化區(qū)域采用不同的評估方法較好地預測方案的有效性；

3）以評估后底護板為例，對比了2種仿真方法與試驗的風阻值和尾部壓力分布，發(fā)現(xiàn)LBM可以較好地評估后底護板形狀及位置的變化對風阻的影響，變化趨勢更為一致，F(xiàn)VM則與試驗結(jié)果絕對值更加接近，可以更好地評估整車風阻水平；

4）提供了一種外造型及氣動附件優(yōu)化的風阻開發(fā)方法，積累了模型風洞試驗經(jīng)驗，為后續(xù)純電車型的風阻開發(fā)提供借鑒。