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广汽ENO.146低风阻概念车的启发
2020-02-22 22:00:01· 来源：中国汽研汽车风洞技术 作者：肖凌
2019年11月广州车展期间，广汽一款全球低风阻新纪录电动乘用车ENO.146惊艳亮相。正如其名，ENO.146的风阻系数仅为0.146，创造了全球低风阻乘用车的最低记录，充
2019年11月广州车展期间，广汽一款全球低风阻新纪录电动乘用车——ENO.146惊艳亮相。正如其名，ENO.146的风阻系数仅为0.146，创造了全球低风阻乘用车的最低记录，充分体现了广汽在空气动力学设计上的技术先进性。本期特邀广汽研究院空气动力学主任工程师肖凌揭秘低风阻ENO.146诞生记。
作者简介
现任广汽研究院空气动力学主任工程师，10年汽车空气动力学和热管理开发经验，曾主导或参与多款赛车（F1,Le Mans GT）及高性能量产车（FCA,GM）空气动力学研发。2017年加入广汽研究院，力争建设国际水平的开发能力与体系，推动汽车空气动力学前沿技术，并打造性能优秀的产品。
引 言
为什么要做这个概念车？
作为一个相对年轻的车企，广汽正在为打造具备国际竞争力的品牌而努力。围绕着品牌两大关键字“创新“和”体验“，集团提出打造一款概念车的任务。经过品牌调研，明确两个挑战目标：外造型设计，通过创新突破空气动力学低风阻记录和新的造型塑造品牌科技形象；内造型设计，突出以人为本的设计理念，满足典型中国家庭的出行需求。
能得到企业品牌形象的重视并以这样的形式来展现技术实力，这是空气动力学团队很难得而宝贵的机会。为了能够在空气动力学性能上出众，我们学习了近年来各大国际上关注度比较高的低风阻车型，包括奔驰ConCEPT IAA，大众XL1，以及宝马NEXT100. 这三辆车的风阻系数分别为0.19，0.186和0.18，因此我们给自己设下的挑战是在具有科技感的现代设计语言下，突破0.18这个数值，同时满足内部空间的需求。
为什么能破记录？
ENO.146在同济大学风洞验证最终风阻系数Cd为0.146，这个数值远远超出了很多人的预期。在广州车展亮相后，最被关注的一个问题是：我们为什么能破记录？由于对其他公司低风阻车型的开发过程不了解，我们不能进行直接对比。但整个正向开发的过程给我们留下很多值得学习和总结的经验教训。
当然更重要的是，我们的量产项目如何从ENO.146开发过程中吸取精华，打造出更低风阻的产品。本文也是出于这个目的，从两个方面展开讨论：第一个方面是开发流程和方法，第二个方面是工程技术亮点。
开发流程和方法
建立设计师与工程师的相互信任
项目在立项之初便确立了明确的目标，就是以出众的空气动力学性能作为载体，证明广汽品牌的设计和开发能力在国际舞台的竞争力。这个最根本的要求统一了设计师和工程师的奋斗目标。大量方案的头脑风暴、探讨、决策都是在围绕这个核心目标开展，这是项目最终取得成功的最关键的因素。
Figure 1 工程师与设计师共同探讨
在开发早期，广州、上海和洛杉矶三方团队，近10个设计方案共同竞争。空气动力学团队在这个过程中的角色是指导和协助各方团队的方案达到低风阻的目标。在造型评审中，风阻系数是一个评判的重要指标，从机制上形成了激励。同时，初期一些讨论的方案的减阻效果在仿真中得到证明，建立了两个团队的信任。
在这个时期，项目输出的方案数量和速度超过空气动力学团队利用仿真工具应对的能力，因此有大量的方案采用了直接用经验、相关设计以及快速草图的方式进行面对面沟通的方式。这种方式建立了良好的合作关系，同时极大提高了有限的仿真资源的利用效率。
空气动力学此阶段的工作目标是提供尽量多的风阻达标方案，为造型设计语言的选择提供更高自由度。在掌握了几个关键的造型元素后，设计团队产出了大量可达标的方案，这也奠定了ENO.146造型成功的基础。在两轮的三方评审中，所有方案都达到Cd<0.19。
Figure 2 多个设计风格不同的风阻达标方案
选定了单一方案后，空气动力学开发工作的精力集中到细节的优化。广州的工程师与洛杉矶的设计师利用时差的优势，开展了连续性和节奏感极强的优化工作。反馈的建议在北京时间下午输出，洛杉矶工作时间刚好实行对应，北京时间第二天一早方案确认并投入仿真计算，再过一天就可以出结果进行下一轮循环。这样的循环每周平均完成2-3次，并持续了约2个月时间。在此阶段气动工程师与设计师充分的沟通是风阻系数能够从勉强达标的0.18降到优异的0.146的关键。
对于量产项目，造型设计师也许不能投入如此高比例的工作进行空气动力学性能优化。然而空气动力学工程师与造型设计师的相互启发和开放的沟通是设计和性能共同提升的核心要素。只有双方都脑洞大开的时候才是产品力升级的关键时刻。如果双方都以目标对立的角度进行讨论，则很难形成共赢的方案。
仿真与试验开发资源的匹配
开发工具和资源方面，项目主要以仿真优化为主，配合风洞进行验证。项目空气动力学参与部分的开发周期约为6个月，仿真总数量超过200次，风洞测试（包括宣传摄影）8小时。开发资源总体上相当于一个开发规模较小的量产项目，但开发周期相对更紧凑一些。然而，由于大部分修改方案是以优化空气动力学为目的，需要对应其他工程约束的改动需求减少很多，因此风阻降低的有效方案比例高一些。
Figure 3 仿真风阻系数历史
按照开发计划，项目进行了风洞试验开发。试验过程中，在完成了基础工况下轮胎旋转速度至80km/h的扫略后，发现轮胎侧壁有起泡现象，继续进行试验有一定危险性。只能放弃剩余的测试计划，包括其他可能进一步减阻方案。同时根据雷诺数扫略的规律，在更高测试的速度下风阻系数趋向于更低。测试过程虽然留下遗憾，却给我们在风洞模型的设计装配积累了一些经验教训。
Figure 4 同济风洞测试结果
Figure 5 同济风洞模型安装
技术亮点
体量设计要素
为了达成低风阻，我们在造型体量和总布置上我们做出了大量探索。在体量设计中最大的挑战是如何在达成低风阻形体的同时，提供6人可以舒适乘坐的空间。技术思路上，我们认为低风阻形体最关键的因素是如何实现压力回收。在确保车的前半部分不会出现明显总压损失的设计后，主要注意力集中在如何设计车的后半部分实现压力回收，减少分离的尾流，提升尾部压力。
后轮轮距
最终的方案也展现了一个巧妙的解决方式：首先第一排H点尽量前移，充分利用体量前移的空间，然后用2+1+2+1的方式，最后一排在两后轮之间，有效利用了尾部收窄的空间，满足了后排一家团聚（2位老人+2位儿童）这样具有中国特色的空间需求。实现了前轮距1794mm，后轮距1610mm前宽后窄的有利于低风阻的形体。而正投影面积2.39m2属于常规轿车的尺寸范围。在调研中，观众对ENO.146这样的空间设计非常认可，并对超低风阻的外形下仍可以创造出如此宽阔舒适的空间感到赞叹。
Figure 6 座舱布置和前后轮距分布
得益于电动车平整底部以及扩散器形状提供的自由度，我们在开发中，对尾部Y截面的设计进行了深度优化，最终形成了如下图所示的Y0截面和流场。在空间上，我们多次优化第四排的坐姿和高度，确保空气动力学和空间的平衡。
凹形的尾部设计也使得车身与低压的涡核距离拉远，有助于降低风阻。
Figure 7 尾部上下匹配和Y0总压分布
体量设计形成了低风阻形体的基础，然而轮胎作为一个无可避免的钝体，轮胎的气流管理是达成低风阻性能的另一个关键。通过一系列的轮胎气流管理解决方案，轮胎的分离得到非常有效的控制，有效减少总压损失。
虽然一些主动装置在量产实现还需要大量探索和验证，但是通过本项目探索出来的理想流场可以在量产优化中作为目标和指导方向。
前轮
对于轮腔，设计的目标是尽量减少进入和流出轮腔的气流，使气流在车的侧面和底部都能平顺通过。为了达到这个目的，一个有效的方法是减少轮胎与车身的间隙，同时平衡轮腔在各个区域的压力。我们设计了可活动的整流气环，在车辆高速行驶时减少轮胎和车身的间隙。
我们设计主动机构的理念，是基于车辆通过性要求以及轮胎动态包络以及在高速行驶与低速行驶的不同。轮腔设计需要避让转向和悬挂行程极限带来的较大的轮胎运动包络；气坝的设计也受到车辆通过性的局限。然而上述情况出现的工况通常为低速行驶，此时空气产生的阻力很小。而汽车在平稳的高速行驶过程中，需要避让的运动包络大大减小，同时空气阻力随速度平方增长。此时恰好可以利用主动装置达到气流管理而减阻的目的。
当然如果实际应用，在材料选择上采用相对软性的，确保不会对轮胎安全带来风险。
Figure 8 主动前轮气坝和轮腔整流气环
Figure 9 后轮内侧气流管理
我们学到了什么？
ENO.146是一个企业对未来设计的预言和探索，更加是展示综合开发能力的载体。空气动力学性能得到高度的重视和宣传，在职业生涯能够得到这样难得的机会，充分表达技术上设计诉求和愿景，气动工程师们是十分幸运的。作为技术团队，我们总结了开发流程方法的经验教训，也提取了技术上流场管理的亮点。在后续的量产项目中，这些知识将得到应用和进一步发挥，为市场持续推出空气动力学性能优秀的作品。
感谢
感谢陈志夫和汤柱良对本文的校核润色。
特别感谢广汽研究院空气动力学团队对项目开发的贡献。空气动力学开发工程师：肖凌，陈林，陈志夫，汤柱良，孙瑞，于伟靖。
附录1 CFD仿真设置部分参数
Figure 10 资料可查的低风阻汽车对比（蓝色为主要对标车）
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