从车辆能量管理的角度认识风阻

2019-06-09 17:57:24·  来源:路面车辆空气动力学  
 
引言对于普通乘用车空气动力学工程师而言,虽然还有侧风稳定性、气动升力和风噪声等开发工作,但是风阻开发无疑是其最重要的工作内容。风阻系数开发的最终目的,
引言
   
对于普通乘用车空气动力学工程师而言,虽然还有侧风稳定性、气动升力和风噪声等开发工作,但是风阻开发无疑是其最重要的工作内容。风阻系数开发的最终目的,是降低整车能耗。因此,从车辆能量管理的大框架出发,理解风阻系数开发工作,将更有利于贴近工程实际,提升工作质量。

1. 车辆能量转换链
   无论将什么能源用于车辆推进,都至少存在三个能量转换过程。从一次能源开始到最终在汽车行驶中产生热能的整个过程,被称作能量转换链。
  第一步:一次能源(化学能、太阳能或核能等),将能量转存到汽车能量载体(电池、汽油和氢等)中。
  第二步:车辆推进系统把能量以动能或势能的行驶从上述能量载体中转移到汽车的机械部件中。
    第三步,机械能转换成热能,释放到周围环境中。
  在每一个能量转换链的结合点,都存在能量损失。但是,一般的车辆能量管理的概念,产生于能量转换的第二步,旨在不影响性能和安全性的情况下,提升经济性并减少污染物排放,并维持车辆正常工作。
 以纯电动车为例,下图将能量转化链中的第二步和第三步定性的表示出来。
   在这个复杂的能量转化路径中,需要空气动力学控制的一环,便是控制汽车在空气中运动时对周围空气的“拖拽、拉扯” ,将有效的机械能向周围空气传递的过程。
2. 风阻的来源
有几个“怪”?
   对风阻来源的理解,可以从著名的达兰贝尔悖论(D‘Alembert's paradox)中得到启发。也就是,在忽略粘性的理论模型中,在流体中运动的形体表面的压力分布是对称的,并且其承受的流体阻力为0。因此,空气的“粘性”是风阻的唯一来源。
 
  围绕车辆的外部流场如上图所示。在没有发生流动分离的现象时,流体的“粘性”作用仅限于厚度为几毫米的薄层之内,即边界层(boundard layer)内。在边界层的外部流动可以被视为非粘性流场,并且其压力会对边界层施加影响。在边界层内,空气速度从处于边界层外侧的外部非粘性流场的速度,降低到壁面位置的0。当发生流动分离现象时,边界层就会“扩散”开来,并且在所谓的分离区内空气的运动则完全被“粘性”所控制。
 所谓“粘性”的微观机理,不过是空气分子之间通过“碰撞”传递动量的过程。在层流边界层内,通过空气分子间的碰撞,车身表面会“拉扯”着几毫米薄层内的空气一同前进。当发展到湍流边界层后,边界层内的空气发生了强烈的速度扰动,这种湍流扰动会引起额外的动量传递的效果。结果就会搅动更多的空气参与车辆的运动。再进一步发展,受车身形状的影响发生“分离”现象后,整个分离区内的空气,都会被汽车“拖拽”着前行。
   在汽车驶过之后,那些被它“拖拽、拉扯”的空气,会在其后方形成一条长长的尾迹,并且将这些从车身上获得的动能,慢慢的摩擦耗散成热量弥散到环境之中。至此,“攻城狮”们绞尽脑汁提升效率转化而来的“机械能”,最终转化成为低品位的热能消散到环境中,这多少给人一种悲凉的宿命感。
3.   汽车风阻开发的局限性 
汽车风阻开发的局限性
    与航空领域不同,目前汽车空气动力学的研究仍然由实验方法所主宰,这是由汽车外形的复杂性所决定的。就像Wolf-Heinrich Hucho先生在其著作中所说的那样,汽车空气动力学仍然是一门经验科学,甚至可以说是一门“艺术”。
     前文对风阻来源的描述 ,虽然只是定性的讨论,但是也可以粗略的得出,环境流场的品质对层流至湍流的转捩以及分离现象的出现都会产生影响。进而影响风阻的具体数值。
  这种流场环境的影响主要体现在两个方面,环境湍流度和侧风。一方面,环境中的不稳定阵风、前车的尾迹和路边的障碍物等,都会使得环境湍流度产生变化。另一方面,环境中的侧风同车辆的运动相耦合,使得车辆和环境空气的相对速度并不完全的平行于汽车x轴。据统计,受侧风影响,美国乘用车行驶过程中的平均的偏航角度≈3°、商用车≈8°。
虽然,在具体的开发过程中,还有数值仿真和滑行试验方法可以选择。但是在很多情况下,风洞试验仍然是唯一相对可靠的手段。遗憾的是,受设备硬件局限性和试验规范成熟度的限制,即使是风洞试验的结果也不能完全的代表真实道路环境中的情况。因此,从能量管理的角度出发,要求风阻开发工程师要全面的了解各种风阻系数开发手段的局限性。

4.   结语
  
在汽车上,很少有一项技术指标像风阻系数这样,除了实际的工程意义,还额外附加了很多玄妙的广告效应。当前,一方面油耗和排放法规不断严苛,将能耗视为生命线的电动汽车逐渐普及 ;另一方面,具有国际水平的两座新的风洞设备即将投入使用。工程需求和开发硬件都已经做好了准备,再加之车企们“技术广告”的需求,眼见着空气动力学专业,将会成为“风口上的猪”随着新风洞的起风飞上天。
    
但是,作为一名技术工程师,在这繁花锦簇之中,却也难免心生不安。从能量管理本质出发,理解风阻开发、不断克服开发手段的局限性将是我们面临的又一个重要问题。

参考文献:
[1] 《车辆能量管理:建模、控制与优化》.Xi Zhang(中) Chris Mi(美)著. 2013.02
[2] 《Aerodynamics of Road Vehicles》. Wolf-Heinrich Hucho.第四版
 
 
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