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        某電動SUV后擾流板氣動特性的研究

        2020-10-09 05:22:52李現(xiàn)今李喆隆
        汽車工程 2020年9期
        關(guān)鍵詞:模型

        李現(xiàn)今,李喆隆

        (北京新能源汽車股份有限公司,北京 100176)

        前言

        汽車在高速行駛中,來自空氣的作用力會對汽車產(chǎn)生很大的影響,氣動阻力影響汽車能耗,氣動升力影響行駛穩(wěn)定性。據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)車速達(dá)到80 km/h時(shí),50%左右的動力輸出用于克服空氣阻力。通過降低風(fēng)阻來降低能耗提高續(xù)航里程,對于電動汽車的意義尤其重大。另外,在高速狀態(tài)下,如果氣動外型設(shè)計(jì)不好,升力過大,將對汽車的行駛安全造成一定影響。之前,有很多關(guān)于汽車標(biāo)模MIRA模型的氣動力研究[1-6],但大多局限于對標(biāo)?;蛘咭话戕I車的氣動力研究,而缺乏對高速行駛的SUV車型的氣動力研究。文獻(xiàn)[7]中就面包車尾部造型對其氣動特性的影響做了研究,文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]中對汽車底部流場做了研究,文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中分別對俯仰運(yùn)動和非定常運(yùn)動對升力的影響做了研究,文獻(xiàn)[12]中對汽車前、后軸的升力情況作了研究。本文中針對高速行駛的電動SUV的后擾流板上表面傾斜角度、開孔大小和形狀對整車氣動阻力和升力的影響進(jìn)行了研究。首先,針對該電動SUV車型的基礎(chǔ)狀態(tài),通過雷諾時(shí)均的Realizable k-ε、Standard k-ε、SST k-ω、Standard k-ω、Reynold stress和Spalart-Allramas等6種湍流模型,在車速為120 km/h的工況下進(jìn)行整車外流場仿真分析,并將氣動阻力系數(shù)和升力系數(shù)與等比例油泥模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對比,結(jié)果顯示Realizable k-ε湍流模型仿真和試驗(yàn)的差異最小。接著采用Realizable k-ε湍流模型對后擾流板氣動性能進(jìn)行仿真。針對該SUV的后擾流板上表面傾斜角度對整車氣動升阻力系數(shù)的影響,優(yōu)化了后擾流板的傾斜角度;并針對該SUV的5種后擾流板結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,根據(jù)風(fēng)阻系數(shù)和氣動升力系數(shù),得到最優(yōu)狀態(tài)的后擾流板結(jié)構(gòu)。在驗(yàn)證試驗(yàn)中,優(yōu)化后風(fēng)阻系數(shù)下降了3.9%,升力系數(shù)有所上升,但在可接受范圍內(nèi),有效地降低了整車能耗,提高了續(xù)航里程。

        1 理論基礎(chǔ)

        1.1 計(jì)算模型與網(wǎng)格

        計(jì)算模型為整車模型,含有平整的底盤護(hù)板,前機(jī)艙部件齊全,主動進(jìn)氣格柵處于關(guān)閉狀態(tài),模型如圖1和圖2所示。計(jì)算體網(wǎng)格采用Trim網(wǎng)格,邊界層采用6層網(wǎng)格,總厚度2 mm,總網(wǎng)格量為3千萬個(gè)。

        圖1 整車側(cè)視圖

        圖2 整車底視圖

        1.2 計(jì)算方法概述

        對流場的仿真方法有:直接數(shù)值模擬(direct numerical simulation,DNS)、大渦數(shù)值模擬(large eddy simulation,LES)和雷諾平均數(shù)值模擬(Reynolds averaged Navier-Stokes,RANS)和格子玻爾茲曼方法(lattice Boltzmann method)等[13]。

        1.2.1 DNS方法

        由于N-S方程本身是封閉的,故從原則上可直接求解所有湍流問題。用DNS方法直接求解N-S方程,能獲得最精細(xì)的流場信息。但該方法計(jì)算量特別巨大,對軟硬件均要求較高,只適合簡單的模型,對整車這樣復(fù)雜的模型仿真無法實(shí)現(xiàn)。

        1.2.2 LES方法

        LES的基本思想是:把湍流瞬時(shí)運(yùn)動通過某種濾波方法分解為大尺度運(yùn)動和小尺度運(yùn)動兩部分。大渦運(yùn)動通過直接求解N-S方程計(jì)算;小渦運(yùn)動的影響概化為亞格子雷諾應(yīng)力,須通過建立模型求解。

        1.2.3 RANS方法

        由于雷諾平均方程是不封閉的,故RANS的核心思想是建立雷諾應(yīng)力封閉模型,使平均運(yùn)動方程可解。目前比較常用的RANS模型有零方程模型、一方程模型、二方程模型和代數(shù)應(yīng)力模型。RANS方法比前兩種方法大大減小了對計(jì)算機(jī)硬件的要求,是目前車輛工程界處理湍流問題的最常用方法。

        1.2.4 格子玻爾茲曼方法

        從分子動力學(xué)的玻爾茲曼方程出發(fā),可推導(dǎo)出空間和時(shí)間離散的格子玻爾茲曼方程,該方程的低階形式收斂為Navier-Stokes方程。該方法直接模擬湍流的計(jì)算量也難以接受,而將格子玻爾茲曼方程同大渦模擬的方法相結(jié)合,能以可接受的計(jì)算資源量模擬湍流,并獲得很高的精度。但目前該方法的商用軟件十分昂貴,本文中不予采用。

        2 湍流模型的確定及其仿真與試驗(yàn)

        針對該電動SUV車型在車速為120 km/h工況,采用STARCCM+軟件,通過有限體積的RANS方法,分別以Realizable k-ε、Standard kε、SST k-ω、Standard k-ω、Reynold Stress和Spalart-Allramas(SA)等6種湍流模型進(jìn)行整車外流場仿真分析。Realizable k-ε計(jì)算結(jié)果的速度云圖和速度等勢面圖如圖3和圖4所示。為驗(yàn)證仿真結(jié)果,同時(shí)進(jìn)行了基礎(chǔ)狀態(tài)的等比例油泥模型風(fēng)洞試驗(yàn)。

        圖3 速度云圖(y=0)

        圖4 速度等勢面圖

        2.1 氣動阻力仿真結(jié)果

        計(jì)算大約在2 000步時(shí)達(dá)到穩(wěn)定,總共迭代3 000步,取2 500~3 000步的平均值作為氣動系數(shù)。計(jì)算的風(fēng)阻系數(shù)Cd結(jié)果見表1。

        表1 C d計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的比較

        從表1可以看出,在阻力系數(shù)的計(jì)算中,SST kω的結(jié)果與試驗(yàn)的偏差略大,其它湍流模型所得仿真結(jié)果與試驗(yàn)值相對誤差在2.5%以內(nèi)。

        2.2 氣動升力仿真結(jié)果

        氣動升力系數(shù)Cl計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的比較見表2。從表2可以看出,在升力系數(shù)的計(jì)算中,各種湍流模型所得仿真結(jié)果與試驗(yàn)值相對誤差比阻力系數(shù)的大,最多相差40%。

        綜合表1和表2的結(jié)果看,采用Realizable k-ε湍流模型時(shí)誤差較小。因此,后續(xù)的外流場仿真優(yōu)化中采用Realizable k-ε湍流模型。

        表2 C l計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的比較

        3 后擾流板的優(yōu)化

        3.1 后擾流板旋轉(zhuǎn)方案優(yōu)化

        后擾流板的外觀如圖5所示,而圖6則示出其對稱截面中線形狀和初始方位。該款SUV的后擾流板第1種優(yōu)化方案是在圖6所示初始方位的基礎(chǔ)上,使后擾流板繞其前端中點(diǎn)而與車身常用坐標(biāo)系的y軸平行的軸線旋轉(zhuǎn)1°至6°,間隔1°,如圖5所示,分別進(jìn)行整車外流場仿真,觀察其氣動系數(shù)的變化,結(jié)果如圖7所示。

        圖5 后擾流板外觀圖

        圖6 后擾流板對稱截面中線形狀及其初始方位

        由圖可見:隨著后擾流板旋轉(zhuǎn)角度的變化,阻力系數(shù)先降后升,在4°時(shí)達(dá)到最小值;而升力系數(shù)則先升后降,在4°時(shí)達(dá)到最大值。綜合考慮升、阻力系數(shù)的變化,認(rèn)為旋轉(zhuǎn)4°時(shí)為最優(yōu)的狀態(tài),風(fēng)阻系數(shù)為0.294,通過速度云圖(圖8)可以看出,優(yōu)化后氣流從后擾流板分離后,沿著后擾流板上表面方向的低速氣流延伸得更遠(yuǎn),尾渦更加穩(wěn)定,使整車風(fēng)阻更低。

        圖7 后擾流板旋轉(zhuǎn)角度示意圖

        圖8 后擾流板旋轉(zhuǎn)優(yōu)化前(左)后(右)附近流場示意圖

        3.2 后擾流板開孔方案分析

        第2種優(yōu)化方案是在擾流板上開通孔。在最優(yōu)的4°傾角的后擾流板基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了5種后擾流板開通孔方案,如圖9所示。

        圖9 后擾流板5種開孔方案示意圖

        5種方案均具有兩個(gè)對稱的氣流入口和出口。方案1和方案2的通道出口長度為265 mm,不同在于方案2的出口略微上抬。方案3、4、5的出口長度均為200 mm,方案3為在方案2的基礎(chǔ)上,兩入口Y向兩側(cè)各減小32 mm,方案4為在方案2的基礎(chǔ)上兩孔內(nèi)側(cè)減小65 mm,方案5為方案2出口200 mm,出口的上部不變,下部略微上抬。

        后擾流板通孔和不通孔的差異,體現(xiàn)在圖10和圖8速度云圖中后擾流板附近氣流的差異。仿真的數(shù)據(jù)如圖11所示??梢钥闯觯鹤枇Ψ矫?,由于后擾流板通孔后有氣流補(bǔ)充進(jìn)了尾渦區(qū),加強(qiáng)了尾渦區(qū)空氣的流動,空氣受到的阻礙減弱了,5種通孔方式對應(yīng)的風(fēng)阻系數(shù)從通孔前的0.294減小了0.002~0.008,效果最好的方案5風(fēng)阻降至0.286;升力方面,由于氣流從通孔斜向下流動,說明這部分氣流比沒有通孔時(shí)的流動額外受到了向下的作用力,即汽車會受到空氣向上的升力,從整體上看說明氣流從車輛上方的繞流更多,也類似于機(jī)翼上升原理,翼型上方的繞流越多升力越大,因而通孔后的升力系數(shù)比通孔前0.06的水平顯著提高了0.030~0.039。

        圖10 方案1(左)和方案2(右)的速度云圖

        圖11 5種通孔式后擾流板的風(fēng)阻、升力系數(shù)對比圖

        不同形式通孔之間的差異,從圖12和圖10的速度云圖可以看出:方案4、5的氣流從后擾流板分離后,沿著后擾流板上表面方向的低速氣流延伸得更遠(yuǎn),低速區(qū)和上方高速區(qū)的邊界更清晰光滑,尾渦更加穩(wěn)定,使整車風(fēng)阻更低;升力方面,由于通孔附近的氣流方向?yàn)橄潞蠓剑绻麣饬飨蚝笙蛳碌木植苛鲃拥玫郊訌?qiáng),說明車輛向前向上的受力小幅增加,即風(fēng)阻小幅減小,升力小幅增加。

        圖12 方案3(左)、方案4(中)和方案5(右)的速度云圖

        通過仿真優(yōu)化后的后擾流板,采用風(fēng)阻最小的方案5在風(fēng)洞中進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)(圖13)。測試結(jié)果:風(fēng)阻系數(shù)為0.293,升力系數(shù)為0.083,如圖14所示。風(fēng)阻系數(shù)比優(yōu)化前降低了約3.9%,升力系數(shù)大幅增加,約增大了84%,但仍在工程接受范圍內(nèi);風(fēng)阻系數(shù)仿真值比試驗(yàn)值約小2.4%,升力系數(shù)仿真值比試驗(yàn)值約大13%,吻合較好。說明仿真手段對于該電動SUV后擾流板的氣動特性開發(fā)是有效的。

        圖13 后擾流板的風(fēng)洞試驗(yàn)圖

        圖14 升、阻力系數(shù)仿真與試驗(yàn)對比圖

        4 結(jié)論

        本文中采用雷諾時(shí)均方法,對在120 km/h車速下某款純電動SUV車型進(jìn)行整車外流場仿真分析,得出如下結(jié)論。

        (1)分析了該SUV的后擾流板上表面不同傾角對整車風(fēng)阻系數(shù)、升力系數(shù)的影響,在基礎(chǔ)狀態(tài)上后擾流板上表面旋轉(zhuǎn)4°時(shí)風(fēng)阻系數(shù)最小。

        (2)在最佳傾角的基礎(chǔ)上,對后擾流板5種通孔方案進(jìn)行對比仿真,結(jié)果第5種方案的風(fēng)阻系數(shù)最小,故選取它為最優(yōu)方案。

        (3)以轉(zhuǎn)角4°和第5個(gè)通孔方案為后擾流板的最優(yōu)狀態(tài),在風(fēng)洞試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明氣動阻力降低了3.9%,而升力系數(shù)雖有較大的增加,但仍在合理范圍內(nèi)。

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