"汉"空气动力学低风阻设计

2020-09-16 12:45:58·  来源:汽车CFD技术之家  作者:罗秋丽/张风利  
 
汉风阻开发过程为实现超低的风阻目标,汉在开发初期便定义了低风阻的设计策略,明确了如下设计原则:1、外造型采用前圆(头)后方(尾)的风格;2、尽可能减少正
汉风阻开发过程

为实现超低的风阻目标,汉在开发初期便定义了低风阻的设计策略,明确了如下设计原则:

1、外造型采用“前圆(头)后方(尾)”的风格;2、尽可能减少正压区面积; 3、提高车体后部的压力恢复,增加车尾背压;4、减少气流在车身表面的分离和内流损失。

这些理念与造型设计师、产品工程师提前进行了深入探讨,对各种设计实现方式进行优化验证,空气动力学性能与造型设计、产品设计、项目决策方达成了高度的融合。

空气动力学形体优化

良好的空气动力学形体决定了车型风阻开发的最大潜力,由于涉及人机空间、总布置和造型姿态,在设计前期就需要被确定下来。Y=0截面和乘员舱上部的关键尺寸是主要的优化对象,开发团队应用基于网格变形的技术(如图8所示)对外造型面进行快速修改和寻优,将有效的方案转换为几何文件,输出给造型设计师,大大提升了优化的效率和空间。

车头

降低车头高度,可以减少前脸的正压区面积,对降低风阻有积极的意义,汉的车头高度比最初方案降低了40mm,风阻降低了5 count,如图9所示。
 
前保险杠两侧的拐角位置是气流管理的关键区域,设计师通常倾向于在此区域设计深坑、凸筋或饰条特征来增加车辆宽度方向的视觉效果,这给风阻设计带来很大麻烦,此处的凹凸不平特征非常容易导致气流分离,分离后气流与下游车轮外侧的紊乱气流互相影响,使风阻大大增加。所以在此区域通常会设计空气帘,将前保险杠迎风面的气流引导到车轮外侧,来补充车轮外侧分离区的动量。经过与造型设计师的沟通和迭代优化,汉最终在不增加空气帘的情况下,车轮外的气流分离区域很小,局部风阻基本没有增加,如图10~11所示。新一代“Dragonface”的前脸圆润平滑,与完全光滑的前脸相比,风阻系数仅增加5count。
 
汉空气动力学低风阻设计
 
车尾

车辆前后的压差阻力是整车风阻的主要组成部分,提升车尾部的背压对降低压差阻力非常重要。车尾后部的尾涡受涡流旋转的离心作用,涡心位置的压力较低,应使涡心的位置尽可能远离车体,以提升车尾部背压。一般来说,采用圆角形状的尾部气流受壁面科恩达效应(CoandaEffect)和尾涡区内的低压作用影响,容易使尾部气流沿圆角内卷,造成圆角的局部负压,并使尾涡中心更靠近车体。而对有清晰的分离边缘的车尾,气流果断分离,受主流区的惯性作用,气流向尾涡中心区内卷的现象推迟,尾涡中心离车体更远。另一方面,圆角形状的车尾,在不同雷诺数下气流的分离位置是不固定的,而对尖锐边缘的车尾,分离位置相对固定,尾涡的形态和风阻系数更稳定[8]。因此汉采用了具有清晰分离边缘的“方尾”造型,车尾四周的气流分离线清晰,获得了稳定的尾涡结构以及更高的背压。

 
车底部

车底部的气流受地面与车体的挤压效应、旋转车轮的扰动以及车底部不平度的相互作用,气流管理难度非常大。车底部风阻开发要求尽可能减少气流的动量损失,主要做到两点:一是在纵向垂直截面上,气流从前保险杠下部受到压缩进入底部后,需要保持在车底表面附着,气流一旦脱体极易冲击地面,形成地面次生边界层,造成极大的动量损失。二是在车底的水平截面上,气流受到旋转车轮的干扰,在车轮后形成较大的气流分离区,挤压车底气流向中间集中,形成动量损失。为了解决这两个问题,汉对车底部的电池包以及前后保险杠的相对高度和布置角度、前轮扰流板的高度和位置、各导流板的形状角度等进行了大量的分析优化,来降低车底部气流的动量损失。由图15对比可以看出,最终方案前轮后的气流分离得到明显改善,车底部主流区的截面宽度增加。

前舱内流

前舱进气导致的内流损失是整车风阻的重要组成部分,贡献量可达到10~30count。汉从三方面进行前舱气流管理:一是在满足整车热管理需求的基础上,尽可能减小前格栅的进气面积,并设计了主动进气格栅(Active GrilleSystem,AGS),如图17。在冷却系统和空调系统不需要散热的情况下,关闭AGS来降低风阻。风洞试验表明,AGS在关闭状态下比打开状态整车风阻系数降低了12count;二是在前格栅到冷却模块之间做了良好的密封,使前格栅进入的冷却气流主要流向冷却模块,不向四周扩散,降低前舱内流阻力的同时,又可以提升冷却效率;三是对前舱气流的流出路径进行管理。前舱气流沿切向流出到主流区,比垂向流出更有利于降低风阻。采用全覆盖的前舱下导流板后,前舱内的气流主要流向车轮的轮腔,容易被卷入旋转的车轮,增加动量损失。因此汉在前舱下导流板上设计了四个出气口,引导气流沿底部切向流出,如图18~19。同时在前轮腔的后壁面上增加了大倒角,引导进入轮腔内的气流从此处流向底部,而非从轮眉流向侧围,如图20~21。
 
 
 
 
低风阻轮辋

旋转车轮本身的风阻及其所导致的其它部位的风阻增加量占整车风阻的1/4[5, 6] , 而汉要求0~100km/h 的加速时间达到3.9秒,需采用更宽的轮胎保证抓地力,这增加了风阻开发难度,因此汉在空气动力学轮辋的开发方面投入了大量精力。基于对多款轮辋造型方案的仿真分析及优化,汉开发的空气动力学轮辋风阻系数比全封闭状态仅增加4count。对另一款普通轮辋也进行了风阻优化,优化后的轮辋比全密封状态风阻增加7count。如图23,普通轮辋与空气动力学轮辋、全封闭轮辋的轮外侧总压损失相当,均达到较好的减阻效果。
 
 
 

来源:罗秋丽,张风利,张荣荣,魏晓冲,李兵,彭倩→汽车低风阻开发中的设计要点
 
 
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