新設(shè)計(jì)低風(fēng)阻系數(shù)省油車動力仿真分析

1 引言

綠色低碳轉(zhuǎn)型已成為我國汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的趨勢。“十四五”規(guī)劃綱要中提出，要加快推動綠色低碳發(fā)展，推進(jìn)清潔生產(chǎn)，發(fā)展環(huán)保產(chǎn)業(yè)，推進(jìn)重要領(lǐng)域的綠色升級。一直以來，交通運(yùn)輸行業(yè)是資源消耗和碳排放大戶，行業(yè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈長，單車碳強(qiáng)度高，從整車零部件的生產(chǎn)到投入使用都與整個產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)能減碳的實(shí)現(xiàn)密切相關(guān)。目前，交通運(yùn)輸排放占我國碳排放總量約10.4%，特別是公路運(yùn)輸，占全國交通運(yùn)輸碳排放總量85%以上，是交通碳排放絕對的主體和減排重點(diǎn)。相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示，無論燃油車和新能源汽車，每降低10%空氣所產(chǎn)生的阻力，就能提高汽車5%的續(xù)航里程；每降低汽車0.01的風(fēng)阻系數(shù)，汽車就可以多行駛15-20km的里程，由此可見汽車空氣阻力對汽車的影響的確是非常大的。

總之，在移動支付快速發(fā)展的背景下，商業(yè)銀行要想在市場中處于競爭優(yōu)勢就必須順應(yīng)市場變化和不斷創(chuàng)新。通過與第三方支付機(jī)構(gòu)合作，提高自身技術(shù)和實(shí)力，建立移動支付生態(tài)圈，把握好移動支付影響下的發(fā)展機(jī)遇，以積極開放的競爭姿態(tài)參與到市場競爭中，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)創(chuàng)新，達(dá)到立于市場不敗之地的目的。

目前，家庭使用轎車的風(fēng)阻系數(shù)大多都在0.25-0.30這個區(qū)間，最低的甚至可以達(dá)到0.22，風(fēng)阻系數(shù)高的如SUV車型的風(fēng)阻系數(shù)一般在0.32左右，這也是為什么SUV車型較家用轎車相比較，油耗較高的重要原因之一。而F1方程式賽車的風(fēng)阻系數(shù)大約在0.5以上，相比于我們的家庭用車風(fēng)阻系數(shù)大了很多，并且比生活中很多車型都要大很多。因?yàn)榉匠淌劫愜嚫枰氖歉咚俸蛢?yōu)秀的穩(wěn)定性，如何去減小空氣阻力更加重要。根據(jù)產(chǎn)生的原因和作用機(jī)理的不同，空氣阻力可分為壓力阻力、升力、干擾阻力和摩擦阻力這四種。評價空氣阻力的參數(shù)依據(jù)就是汽車的風(fēng)阻系數(shù)，汽車的頭部、尾部的不同形狀、擋風(fēng)玻璃的傾斜角都會影響空氣阻力的大小，盡管水滴形是風(fēng)阻系數(shù)最低的車身形狀，但由于制造十分困難，且難以滿足我們對汽車的空間需求，所以很難在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)。

通過控制風(fēng)阻作為汽車行業(yè)中降低油耗的最重要的手段之一，本文對一新設(shè)計(jì)外型的環(huán)保競賽車子外流場進(jìn)行分析，以確認(rèn)本次優(yōu)化車子外形來降低整車風(fēng)阻系數(shù)的最終效果

。

2 研究方法

在小型競賽車比賽中，賽車不同的模型會對比賽的成績有較大的影響，為檢測一輛小型競賽車的模型是否合理，研究競賽車風(fēng)阻系數(shù)非常必要。本次仿真研究按照統(tǒng)一方程式與基本假設(shè)、模擬幾何形狀和邊界條件、網(wǎng)格劃分以及數(shù)值計(jì)算程序等四個步驟進(jìn)行。

2.1 統(tǒng)一方程式與基本假設(shè)

通過利用空氣動力學(xué)計(jì)算理論，使用流場仿真計(jì)算，通過求解質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，來獲取流場中任意位置的壓力和速度。在不失系統(tǒng)本身的物理現(xiàn)象情況下，簡化模擬過程的復(fù)雜性和計(jì)算經(jīng)濟(jì)性，做了以下的基本假設(shè)：牛頓粘性流體，穩(wěn)態(tài)的紊亂流流場，計(jì)算區(qū)域進(jìn)口為均勻速度、出口為定常壓力，流體有定常性質(zhì)。利用ANSYS Fluent求解以下連續(xù)方程式與動量方程式以求得速度與壓力分布。連續(xù)方程式：

風(fēng)阻系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系，其中雷諾數(shù)的定義為：

(式1)

動量方程式：

在道路提升的基礎(chǔ)上，該村還高度重視全域保潔、鄉(xiāng)風(fēng)文明建設(shè)等工作，著力打造宜居宜業(yè)宜游的美麗鄉(xiāng)村。同時，扎實(shí)開展“廁所革命”，211戶群眾用上了無害化衛(wèi)生廁所，補(bǔ)齊了生活品質(zhì)短板。

(式2)

之所以做上述這些事情，是因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在有能力有條件，為需要受教育的學(xué)生提供良好的教育環(huán)境。我們小時候的條件很艱苦，沒有很好的條件支持我們學(xué)習(xí)，我們深知其中的苦澀與艱辛，所以在自己經(jīng)濟(jì)實(shí)力允許的情況下會選擇資助，讓更多的孩子可以接受教育。

布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類理論的發(fā)展從1956年的1.0版本——金字塔形狀(識記、理解、應(yīng)用、分析、綜合和評估)到2001年由布魯姆的學(xué)生Anderson等人提出的2.0版本——金字塔形狀(識記、領(lǐng)會、運(yùn)用、分析、評價和創(chuàng)造)。布魯姆將教育目標(biāo)劃分為認(rèn)知領(lǐng)域、情感領(lǐng)域和操作領(lǐng)域，共同構(gòu)成教育目標(biāo)體系。認(rèn)知領(lǐng)域的教育目標(biāo)可分為從低到高的六個層次：即識記→領(lǐng)會(理解)→運(yùn)用→分析→評價→創(chuàng)造，學(xué)生的思維由低階思維能力向高階思維能力發(fā)展，教育目標(biāo)從基礎(chǔ)目標(biāo)向高級目標(biāo)發(fā)展(圖1)[5]。

(式3)

式10表明壓力頭和速度頭相加等于一個定值，所以當(dāng)速度增加時，壓力就會降低；相反的壓力增加時，速度會降低。如果把所有速度頭都轉(zhuǎn)換成壓力頭，流體就處于停滯狀態(tài)，也就是在車輛表面形成停滯點(diǎn)。當(dāng)處于停滯點(diǎn)

=0m/s時，壓力最大。如圖5中a、b、c、d、e、f六圖所示，當(dāng)流體在車頭速度低時，所對應(yīng)的壓力就是增加；車子由車頭往中間自高處流動時，由于流體截面積減小，造成流速增快。所以車子中間速度最大處，所對應(yīng)的壓力處于最小值。由車身最高處往車尾的部分，流動截面積漸漸增加，造成流速下降，壓力回升，車子尾部速度較低，對應(yīng)的壓力就會增加，同時因?yàn)檫吔绲蛣恿苛黧w無法抵擋逆向壓力梯度，造成分離現(xiàn)象而形成了車尾的尾流渦漩。圖5中a、b、c、d、e、f六圖對比，顯示車速不同時，整個車子的壓力隨速度的改變，這些變量隨著速度的提升而增大。

紊流方程：依據(jù)Launder and Spalding在1972年所提出的標(biāo)準(zhǔn)

和

紊流模式，分別由紊流動能

(Turbulent Kinetic Energy)和消散率

(Dissipation Rate)兩條傳輸公式所組成的紊流方程式

。

和

的定義分別為(

=1，

為Near Wall Damping Function):

我們運(yùn)用軟件當(dāng)中的布林計(jì)算對我們的省油競賽車模型和BOX進(jìn)行計(jì)算，如圖2，取出本研究的流場計(jì)算區(qū)域

。圖3所示對模型以及BOX各個邊界面進(jìn)行命名。

(式4)

(式5)

方程式(4)中的

為平均速度梯度所產(chǎn)生的紊流動能，

的方程式表示如下：

=

(式6)

空氣阻力系數(shù)

與車輛的截面尺寸相關(guān)，計(jì)算公式如下：

(式7)

利用Mesh軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取單元最大網(wǎng)格大小為0.2m，選擇高平滑度。在這些參數(shù)設(shè)定之下所建成的網(wǎng)格如圖4

。

(式8)

式中：

為升力系數(shù)，

為升力的大小，

為自由流的速率，

為流體的密度，特征面積

通常取為車輛正前向的投影面積。

剛節(jié)點(diǎn)模型是將支架立柱看作是有側(cè)移框架柱，分別計(jì)算出相交于柱上端、柱下端的橫梁線剛度之和與柱線剛度之和的比值k1、k2，再查文獻(xiàn)3得到立柱的計(jì)算長度系數(shù)μ，由公式（1）計(jì)算出長細(xì)比，查文獻(xiàn)3得穩(wěn)定系數(shù)ψ，再代入公式（2）即可。對于結(jié)構(gòu)和荷載分布不對稱時，需要對規(guī)范得到的立柱計(jì)算長度系數(shù)μ進(jìn)行修正，采用公式（3）。

(式9)

2.2 模擬幾何形狀與邊界條件

利用Design Modeler導(dǎo)入省油競賽車的幾何圖形(長2948.29mm,寬895.59mm，高892.27mm)并且在汽車模型外面建立一個BOX，分別取8倍的車長，6倍的車高，9倍的車寬作為BOX的長寬高。

紊流動能和

紊流消散率，可由下列方程式中求得：

我國城市軌道交通行業(yè)發(fā)展初期，為了在無經(jīng)驗(yàn)可借鑒的前提下能實(shí)現(xiàn)城市軌道交通車輛的維修和維護(hù)，北京、上海、廣州等城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營單位沿襲了我國干線鐵路的做法,從而形成了該類維修集約范式。

2.3 網(wǎng)格劃分

式中：

為阻力的大小，

為自由流的速率，

為流體的密度，面積

通常取為正向的投影面積。另外，在垂直車輛的方向，也可仿照式(7)形式求得升力系數(shù)。

圖4所展示的黑色區(qū)域乃是對車輛表面進(jìn)行網(wǎng)格的加密所造成的結(jié)果，建成后共1739434個網(wǎng)格

。因?yàn)樵诠腆w表面會產(chǎn)生速度邊界層，為了要精確解析這些大的速度梯度，我們對車輛模型表面附近進(jìn)行了網(wǎng)格的加密，本模擬邊界層加密采用5層柱狀邊界層網(wǎng)格，增長率為1.2倍，車的底盤與周圍處會有網(wǎng)格加密的現(xiàn)象出現(xiàn)

，最終建成之后的網(wǎng)格數(shù)量為1443710個。在網(wǎng)格劃分中，分別用不同的網(wǎng)格數(shù)測試所得結(jié)果，其網(wǎng)格數(shù)80萬與150萬所得阻力系數(shù)的數(shù)據(jù)低于誤差3%以內(nèi)。因?yàn)榭紤]到計(jì)算的精度與計(jì)算的時間，因此計(jì)算網(wǎng)的格數(shù)量均保持在110萬左右。

2.4 數(shù)值計(jì)算程序

在求解前述的質(zhì)量守恒、動量守恒與紊流方程式(1)-(5)，在Fluent軟件中設(shè)定流體性質(zhì)、邊界條件、離散數(shù)值模型、求解疊代方法以及計(jì)算收斂條件

。得到收斂解之后的后處理則是要畫出本研究需要的速度場與壓力場，并取出升力、阻力與升力系數(shù)和阻力系數(shù)的數(shù)據(jù)。

129 良、惡性肺磨玻璃結(jié)節(jié) CT 特征及其鑒別診斷意義 趙家義，韓一平，楊立信，金 海，陳 煒，生 晶，左長京，鄭建明

3 結(jié)果與討論

3.1 速度場

假設(shè)流動滿足以下條件：對于不可壓縮、質(zhì)點(diǎn)沿一條直線，無摩擦、穩(wěn)流和忽略位能的影響，其伯努利方程式：

(式10)

為Kronecker符號，定義為：

=1,

=

;

=0,

≠

。

雖然PHEV的購買價格較傳統(tǒng)轎車和混合動力轎車略高(目前約為1.2倍)，但由于外接電池的高容量、制動能量回收等新技術(shù)的應(yīng)用，使得車輛在城區(qū)內(nèi)行駛可以基本實(shí)現(xiàn)零排放，燃油經(jīng)濟(jì)性也比普通汽車提高了2～5倍。

圖6中a、b、c、d、e、f六圖中不同速度的流線圖，可以直接看出不同速度下流線型態(tài)變化不大，顯示出本新設(shè)計(jì)外型的競賽車在本研究探討的速度范圍都能表現(xiàn)出良好的流線型特征。

3.2 車身表面壓力分布

依據(jù)牛頓第三運(yùn)動規(guī)律，當(dāng)汽車車身周圍的流體速度增加時，車身在該處的流場壓力就會降低；汽車車身周圍的流體壓力增加時，車身在該處的流場速度就會降低。當(dāng)處于停滯點(diǎn)V=0m/s時，流體受固體表面作用的壓力最大，因此在停滯點(diǎn)位置流體作用在固體車子表面上也會呈現(xiàn)最大的壓力。如圖7中a圖，觀察汽車的速度分布圖，在整部車子中，車頭和車位的速度較低，汽車所對應(yīng)的流體壓力就會偏大；在車子中間位置，流體速度是整部車子中最大的，車身所對應(yīng)的流體壓力也是整部車子中最小的。通過分析所得這些流體作用在車輛表面的壓力分布情況以及車身表面的速度梯度分布，就是用來計(jì)算車輛在正常行駛時所受到的壓力阻力與摩擦阻力的試驗(yàn)根據(jù)，并且這兩種阻力的和，就形成了我們所說的風(fēng)阻。在圖7中a、b、c、d、e、f六圖中，通過對比不同速度下速度和壓力的分布，當(dāng)車輛的速度提升時，停滯壓力也會跟著增加。

3.3 風(fēng)阻系數(shù)

具前述模擬結(jié)果，改變?nèi)肟陲L(fēng)速，觀察風(fēng)阻系數(shù)Cd的改變。通過多次測試風(fēng)阻系數(shù)，得到圖8,風(fēng)阻系數(shù)急速降低后，最后一直保持接近于穩(wěn)定數(shù)值。

表1中改變速度，分別利用雷諾數(shù)Re、風(fēng)阻系數(shù)C

、升力系數(shù)C

的公式，計(jì)算得到表中數(shù)據(jù)。從折線圖9，可以直接觀察到雷諾數(shù)隨風(fēng)阻系數(shù)的變化，逐漸遞減，在折線圖中加入一條趨勢線，可以得到一組風(fēng)阻系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖。從折線圖10，可以看出雷諾數(shù)Re隨升力系數(shù)C

的變化。升力系數(shù)很小，一點(diǎn)點(diǎn)的變化就會很明顯，升力系數(shù)是負(fù)數(shù)，說明與車子的下壓力有關(guān)，一般的房車與跑車會設(shè)計(jì)成后方下壓的負(fù)升力，有助于改善操控性

。

4 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS Fluent，探討一新設(shè)外型的競賽用省油車的外流場和車輛所受到的風(fēng)阻系數(shù)，考慮的車輛行駛速度分別為10 km/hr、20 km/hr、30 km/hr、40 km/hr、50 km/hr 和 60 km/hr。綜合本研究結(jié)果可得下列幾點(diǎn)結(jié)論：

1、本車身尾端采用漸縮的曲面，讓壓力回升，使速度場后有較小的尾流區(qū)，整體流線由車子前方到后方?jīng)]有很快發(fā)散，證明車子后方尾流區(qū)域不大，風(fēng)阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常用車輛的風(fēng)阻，有效減小了省油車的風(fēng)阻系數(shù)以達(dá)到節(jié)能的效果。

2、在壓力場方面，車身的設(shè)計(jì)使前部停滯區(qū)的高壓范圍和后方的負(fù)壓真空區(qū)很小，受到的阻力效果低于常用車輛，因此在車輛速度越快時，省油效果將會越明顯。

（2）砼配合比要求：耐久性：氯離子滲透28d電通量小于750庫侖；強(qiáng)度：設(shè)計(jì)28d軸心抗壓強(qiáng)度為35mpa；塌落度：175+40mm；水灰比：≤0.4；原材料性能：滿足規(guī)范要求。

3、在網(wǎng)格劃分中，分別用不同的網(wǎng)格數(shù)測試所得結(jié)果，其網(wǎng)格數(shù)80萬與150萬所得之?dāng)?shù)據(jù)低于誤差3%以內(nèi)。也為避免計(jì)算時間過久，因此計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量均保持在110萬網(wǎng)格左右。

4、模擬分析結(jié)果顯示，本次新設(shè)計(jì)外型的省油競賽車，在競賽車的行駛速度范圍內(nèi)，風(fēng)阻系數(shù)約在0.1的大小，比一般車輛風(fēng)阻系數(shù)小很多，充分表明本次新外型競賽車的低風(fēng)阻性能。根據(jù)本研究肯定低風(fēng)阻性能所做出的實(shí)車如圖11所示。

[1]雷榮華.基于CFD的某汽車外流場數(shù)值模擬與分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2015,28(04):24-25.

[2]郭軍朝. 理想車身氣動造型研究與F1賽車氣動特性初探[D].長沙：湖南大學(xué),2007.

[3]韋甘,楊志剛,李啟良.低阻車身形體的參數(shù)化建模與氣動試驗(yàn)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,42(05):769-772+781.

[4]李彥龍,朱暉,楊志剛.基于低風(fēng)阻的電動汽車造型設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,45(09):1366-1371.

[5]董石羽.當(dāng)代汽車設(shè)計(jì)的造型因素分析[J].包裝工程,2008(06):164-166.

[6]董立偉,谷正氣,劉水長,等.網(wǎng)格劃分對汽車外流場數(shù)值計(jì)算影響的研究[J].汽車科技,2012(01):12-15.

[7]劉學(xué)龍,閆曉曉,黃森仁.汽車底部流場對氣動阻力性能影響的研究[J].新型工業(yè)化,2015,5(03):35-41.

[8]肖周芳. 面向復(fù)雜外形粘性流動數(shù)值模擬的混合網(wǎng)格全自動生成方法研究[D].杭州：浙江大學(xué),2017.

[9]劉厚林,董亮,王勇,等.流體機(jī)械CFD中的網(wǎng)格生成方法進(jìn)展[J].流體機(jī)械,2010,38(04):32-37+22.

[10]賴晨光,王擎宇,付中正. 基于湍流模型與邊界層網(wǎng)格策略的汽車外流場數(shù)值計(jì)算精度分析[A]. 中國汽車工程學(xué)會汽車空氣動力學(xué)分會.2017汽車空氣動力學(xué)分會學(xué)術(shù)年會論文集[C].中國汽車工程學(xué)會汽車空氣動力學(xué)分會:中國汽車工程研究院股份有限公司汽車風(fēng)洞中心(籌),2017:9.

[11]梁建永,梁軍,范士杰等.轎車外流場CFD分析中常用k-ε湍流模型的對比[J].汽車工程,2008(10):846-852.

[12]丁巖,陳永光,李寧.空氣阻力與車身造型研究[J].公路與汽運(yùn),2008(02):5-8.

[13]杜敏韜,許善燎,呂霄,等.邊界層網(wǎng)格對汽車風(fēng)阻系數(shù)仿真計(jì)算的影響研究[J].數(shù)字制造科學(xué),2019,17(03):196-200+240.