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空气动力学性能集成开发关键技术
2019-08-30 18:15:37· 来源：中汽中心空气动力学实验室 作者：刘学龙
随着汽车性能的不断提升，以及汽车智能化的飞速发展，对汽车产品的性能提出了更高的要求。空气动力学性能是汽车最重要的性能之一，与整车的动力性、经济性、操纵
随着汽车性能的不断提升，以及汽车智能化的飞速发展，对汽车产品的性能提出了更高的要求。空气动力学性能是汽车最重要的性能之一，与整车的动力性、经济性、操纵稳定性和舒适性等均有密切的关系，且空气动力学不再单纯考虑某一方面，而是综合考虑多个方面的影响，如风阻、风噪性能与车辆的动力性、经济性、舒适性直接相关，整车污染物控制技术（涉水、除尘、防污、水管理等）影响车辆的行驶安全性和可靠性，高速稳定性、侧风稳定性影响车辆的高速行驶安全性。
中汽中心工程院通过引进国内外顶尖的空气动力学专家和资深工程师，建立了一支拥有丰富工程经验的空气动力学研发团队，此外，一座专注于汽车空气动力学研究的气动声学风洞和一座专注于热力学研究的环境风洞正在建设过程中，打造一体化、全流程的性能开发和测试评价服务平台，为企业在整车降风阻、高速下的操纵稳定性、侧风稳定性、整车水管理、涉水、除尘、气动声学等方面提供完整的空气动力学解决方案，助力我国汽车产业升级。
汽车气动性能研究
当前降低整车能耗的手段包括以下四种：气动减阻、轻量化、发动机技术、新能源技术。在新车型开发阶段，通过整车外形优化降低汽车风阻从而降低汽车行驶阻力，是节能降耗最经济有效的手段。工程院开发服务团队掌握正向空气动力学性能开发技术，自产品规划开始直至量产，空气动力学性能开发贯穿于整个过程，空气动力学工程师自效果图阶段即开始介入工作，与造型设计师共同讨论确认符合空气动力学的造型约束，集成CFD仿真、风洞试验、道路试验等多种开发手段，确保汽车气动性能目标的达成。目前工程院已承接并完成国内多款SUV、三厢乘用车、重型商用车、新能源车等的工程服务项目。
汽车气动噪声技术研究
随着发动机噪音和胎噪的大幅降低，以及新能源车的快速发展，气动噪声（即风噪）成为高速行驶汽车的首要噪声源，据统计，风噪是客户抱怨最多的汽车性能问题之一，其性能直接影响了消费者的品牌认可度和汽车销量。风噪的主要频率范围为100~4000HZ，排除密封、泄漏等工艺因素后，A柱、后视镜、侧窗、雨刷、天线、门把手等部位的涡流是产生风噪的主要根源。工程院运用LBM（格子玻尔兹曼）、LES（大涡模拟）等方法，在设计阶段通过CFD仿真准确预测汽车外形的变化引起的车内噪声的变化量大小，并形成了集CFD仿真、设计规范、风洞试验、道路试验于一体的气动噪声解决方案，为汽车企业减少研发成本、提高研发效率和研发质量提供保障。
天窗风振技术研究
在风噪声的诸多抱怨中，开天窗或侧窗而引起的汽车颤振现象（即风振，buffeting）是另外一个重要因素。天窗风振显著表现为开启天窗时车内以接近于 20Hz 的频率周期性的波动，乘客舱内产生一种让人不适的，低频高振幅的噪音。天窗风振是由于天窗前缘的剪切层产生的脱落涡撞击到天窗开口的后缘（天窗玻璃的前缘），其产生的流动激励引起驾驶舱的亥姆霍兹共振。在汽车开发的早期，由于工程样车的工艺导致泄漏，难以对风振进行有效评估。而随着泄漏问题逐渐解决，天窗风振问题便更为突显，但设计定型使得汽车风振问题的解决往往耗时且改善成本巨大。工程院通过耦合外部流动和驾驶室内部声腔响应，帮助工程师准确预测天窗或侧窗的颤振问题，并准确评估颤振的严重性，发生和终止时的车速及对应的峰值。因此，对于天窗风振的研究可提前至设计阶段，通过准确预测颤振现象，并评估改进方案的效果。
汽车外表面污染物控制技术研究
整车表面污染物控制是近年来汽车空气动力学领域一项新兴研究课题。表面污染物是指附着在车身表面能够影响驾驶人员视野，以及车体自身可见性，系统性能和美观的物质，主要包括环境中的水滴（颗粒直径1-3mm），路面上的尘土（颗粒直径2.5-10μm），以及二者混合而成的泥浆。车身表面污染物长期累积，对于整车及各零部件性能都会产生不同程度的负面影响，如：
- 阻挡驾驶员视线：如前、后挡风玻璃；外后视镜
- 降低车自身能见度：如前大灯、尾灯
- 损坏零部件：如摄像头、雨刮器
- 影响车身美观及用户体验
- 造成二次污染，传递给车辆乘用人员。
工程院运用大涡模拟(LES)瞬态仿真技术对行驶状态下污染物附着过程进行模拟计算，在保证风阻、风噪等性能的前提下，降低车辆外表面污染物水平。
侧窗雨水管理技术研究
一款车型的水管理质量问题直接会影响整个品牌的销量和形象，无效水管理带来强烈的客户抱怨，如车门渗水、天窗露水、发动机进水等。整车水管理是指各种外界水环境与车辆各种状态组合下的舒适性和可靠性，涉及水密封和水防护、外车体污染、侧窗和后视镜雨水条件下视野优化、雨水槽排水、前照灯起雾等。侧窗雨水管理表现为在雨水条件下，雨刮片推动雨水越过A柱，会影响侧窗的可见度，同时希望在侧窗稍微打开时，雨水不会越过A柱进入乘员舱，而对于后视镜而言，则希望保证后视镜在雨水条件下的可视性。侧窗雨水管理与风阻、风噪是相互矛盾的关系，在空气动力学开发的过程中，如果忽视侧窗雨水管理，则可能会导致较严重的侧窗雨水管理的问题，影响驾驶安全性。侧窗雨水管理与前风挡玻璃、A柱、后视镜设计等均有直接的关系。工程院运用CFD仿真、环境风洞试验、道路主观评价试验等方法，对侧窗雨水管理进行开发研究，确保车辆在雨水条件下的可视性。CFD可以模拟雨滴和车身的相互作用，雨刮的运动可以采用多种方法模拟，如Overset、动量源，通过跟踪分析雨水来优化A柱的设计，在设计定型之前通过水管理分析优化A柱设计。
车辆涉水性能研发
整车涉水性能研发，即车辆在通过被水淹没的道路时，车辆及关键零部件自身防水的能力。车辆涉水可能导致的问题：
-发动机进气管口进水，导致熄火，甚至发动机进水、报废；-电子零件进水，导致零件短路；
-排气管进水，导致三元催化器寿命减短。
工程院具备整车涉水仿真和试验的能力，在设计阶段通过CFD仿真的手段，采用VOF方法模拟水的流动，车辆可以采用Overset来考虑整车的运动，或者采用相对运动的方法模拟水流或边界的速度，得到冷凝器、散热器、中冷器等部件的水面高度随时间的变化曲线，以及流过这些部件的水的质量流量，预测评估车辆涉水风险，提升车辆的涉水性能。
前照灯起雾
前照灯起雾影响用户体验、降低行驶安全、加速部件老化，导致：
- 空气中的水蒸气遇冷凝结在车灯配光镜内表面，影响车灯外观；- 降低车灯照明效果，影响行车安全；
- 结露积水难以排出，严重影响车灯灯泡的使用寿命和车灯内电路安全；
- 水蒸气在车灯反射镜和透镜表面的长期凝结，将腐蚀材料，导致车灯材料加速老化变形、破坏光学效果等。
起雾原因主要为三点：
- 前照灯自身的密封性能不良，造成起雾严重后，在前大灯热循环死角形成露水；- 透气孔位置布局不合理及数量过多，造成前大灯内部吸潮过量；
- 造型曲面落差过大，造成前照灯内部热循环不畅。
侧风稳定性技术研究
在高速行驶时，汽车很容易发生横摆、侧滑，甚至侧翻等失稳现象，严重影响行车安全，汽车侧风稳定性即汽车在行驶过程中遇到侧风干扰时保持航道和稳定行驶状态的能力。国外学者及主机厂已建立针对侧风稳定性的仿真和道路测试规范，并将该研究应用到量产车型开发中，如美国福特公司对旗下撼路者、福睿斯、B-MAX等车型进行了横风稳定性道路测试；日本丰田、马自达等公司也进行了相关研究。奔驰公司更是率先开发了侧风稳定辅助系统，作为主动安全控制的全新模块，装配在S级、GL级、GLA级，以及smart fortwo 等多款车型上。国内整车企业针对汽车空气动力学性能开发的重点是降低整车风阻，对侧风稳定性的研究几乎处于空白。工程院正在开展该方面的研究，开发具有高精度的大规模瞬态空气动力学计算方法，并建立基于整车空气动力学与多体动力学的联合仿真体系。
制动冷却性能研发
车辆制动系统性能对车辆行驶安全性和可靠性至关重要，制动系统性能需要大量的试验验证，才能保证车辆在任何情况下的制动性能。制动系统的优化设计的目标是防止刹车盘过热从而导致制动效率下降或制动失效。因此，如何在车型开发早期预测车辆的制动性能，以避免过设计或后期高昂的设计变更成本，同时可以样车测试的成本。工程院运用先进的计算方法，对车辆制动系统进行高精度瞬态仿真，在设计早期预测极端测试工况下制动系统的热性能，并提出改进优化措施，保证车辆的制动性能。
空气动力学产品研发及配套
空气动力学产品按驱动方式可分为主动式和被动式两种，其中主动式尾翼、主动式进气格栅（AGS）等为主动式产品。主动式尾翼在汽车领域的应用源自F1方程式赛车，随着空气动力学技术的发展，越来越多的空气动力学先进技术应用推广到普通乘用车上，从而带来空气动力学动力学的巨大进步。AGS是通过测量发动机水温、机油温度、空调系统状态、进气温度等信息，依靠控制电机实现进气格栅的百叶片开启一定角度或者关闭的装置。主动进气格栅可降低车辆行驶过程中的气动阻力，提高机舱热效率，提升整车燃油经济性。工程院依托风洞试验室、环境舱、空调单体试验台等研发设备，为行业提供空气动力学系统产品研发及配套服务。
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