厚积薄发的风阻对标

如果用一种武功来形容风阻对标，那一定是欧阳锋的“蛤蟆功”，蛤蟆功能够一招制敌的关键就是发功前的“积劲聚力”，就如同风阻对标之前的充分准备。为了实现最完美的对标，实验和仿真之前都需要充分的准备。

关于风阻对标，相信各大主机厂都有一套自己的流程与准则。本文就借助现代杰恩斯在空气动力学领域的“他山之石”，为大家呈现风阻对标如何厚积薄发。


 //杰恩斯1/4缩比模型在FKFS/IVK风洞中的测试（SAE 2011-01-0158）

01  到底如何处理才能实现几何模型的一致？

提起实验和仿真的对标，相信大家第一反应就是模型的一致性。除了大家都会关注的数据版本的一致性之外，杰恩斯的对标更进一步的准确还原了实验所用的几何。我们知道仿真中的数模通常由造型设计给出，物理样车的加工虽然使用的也是同样的数模，但是样件加工本身会存在误差，本例中的加工误差约为3mm；而装配使得实际模型的误差进一步增加到5mm。如果仿真继续使用原始的几何模型——这样的差异对于1/4缩比模型来说不可忽略。



所以模型装配完成后，又对该模型进行了扫描。然后再使用变形工具，对仿真的原始模型进行morphing，使其贴合到扫描模型上，保证仿真所用的模型和实验一致。

“这过程有点费劲啊，可以直接用扫描后的几何吗？”

如果扫描的点云质量不错，直接用也并非不可。无奈扫描质量常常是令人堪忧的，尤其是对于缩比模型，其扫描曲面的不光滑程度相比于整车可能会更严重，还是老老实实做morphing吧。

除了车身之外，还有轮胎的准确性，大家还记得我们在“小小的车轮”那篇文章中介绍过准确模拟轮胎的难点吗？不过本例中使用的是铝制的沟槽胎，而非常规的橡胶轮胎，因此直接在轮胎表面设置旋转壁面边界条件即可。

02  风洞环境也要一致哦

对于风洞环境，首先要考虑的就是风洞几何。仿真的数值风洞完全还原了IVK风洞驻室内的几何，包括各种支撑和测量机构。为了进一步避免把边界条件设置到回流以及流场波动较大的面上，风洞的进、出口都被向外延伸了一定距离。



为了尽量复现真实路面行驶工况，现代风洞通常会应用边界层处理系统和五带系统等设施。这些装置也需要在仿真中考虑。五带系统的模拟比较简单，直接把实验同等尺寸的几何设置为移动壁面条件，即可很好的模拟五带的效果。边界层抽吸的处理则较为复杂，实际风洞中通过一个或多个孔板进行抽吸，而计算中为减少计算量通常将孔板简化为平面，并在该面上设置出流边界条件进行模拟。



对于空风洞来说，将实际的抽吸流量直接设置到计算模型中，同时将来流速度指定为该面上的水平速度即可模拟边界层抽吸的效果；然而当车辆置入风洞后，流动则会在车头附近滞止，并绕过车头流向两侧。因而车辆前方的边界层抽吸位置，也会产生一定的横向速度，在仿真中忽略的话会造成一定的误差。更为麻烦的是，不同的车型，以及不同的摆放位置，都会影响到此速度分布，因此即使在抽吸面上施加一个统一的速度分布，也是不准确的。



更合理的方法是在边界层抽吸面上方的一定距离位置，设置一个采样面，在计算过程中，每隔一定时间记录该采样面上的水平速度，并将其映射到抽吸面上。若干次迭代之后，边界层抽吸面附近的流场趋于稳定，其作用效果才接近于实际。



另外，为了快速的越过初始流场，并增加计算的稳定性，还需要在必要的区域施加消除压力波动的措施。

03  风阻系数还需要修正？

“我们在计算设置时，不是已经把风洞的因素都考虑进去了吗，为什么还要对风阻进行修正？”

大家知道，计算风阻系数需要用到参考速度（换算为动压），即前方来流的速度；如果还要进一步对标压力测点的压力系数，则还需要用到参考压力。

在开放路面的仿真中（阻塞比小于1%），计算空间内的远方来流速度可直接作为参考速度。而在风洞中，由于喷口的射流效应、收集口阻塞和车辆本身带来的阻塞（一般汽车风洞的阻塞比为10%），车辆所“感受到“的参考速度和计算中设置的参考值有所不同。



01  “风洞实验的结果如何修正？”

对于空风洞，可以使用压力探针测量天平中心的动压，并调节风洞控制系统，使天平中心的风速符合预期。然后进行实车测试时，许多风洞会直接沿用空风洞的控制参数，并使用空风洞测得的天平中心动压作为计算风阻系数的参考。而有的风洞，则会进一步对风洞的控制参数进行微调，以修正放入车辆后的阻塞效应。

02  “仿真能否使用相同的办法？”

仿真可以使用上述的空风洞法，但是，尽管仿真完全复原了驻室区域，却难以反映整个风洞循环的特征，尤其是风机特性对整个流动环路内的沿程阻力较为敏感。因此如果使用和风洞相同的修正方法，得到的结果仍会有少许差异。而假如风洞实验本身还有额外的修正，仿真工程师又无法获取修正的细节，则将对修正带来另外的困扰。



03  “还有更好的办法吗？”

为了更好的修正车辆的阻塞效应，现代杰恩斯的这个项目中，借助了开放路面的仿真计算提出了一种更合理的方法。

由于开放路面的仿真中，车辆的阻塞比足够小（~1%），因此可以获得准确的参考速度和参考压力；而带有真实几何的数值风洞中，准确的参考速度和参考压力是未知的。不过二者的流动具有高度相似性，因而车身周围的无量纲参数可以认为是相同的。如果任选车身周围的两个位置，分别对两种仿真计算求取其压力系数，令其压力系数相等，便可反算出带有真实几何的数值风洞中的参考速度和参考压力这两个未知量。

在具体的计算过程中，为了减小截断误差的影响，可选取两个压力系数差异较大的位置，比如车辆前方的滞止区和车顶的负压区（想知道具体计算过程的小伙伴们，可以私信我们哦）。

那么修正结果如何呢？下图给出了仿真与实验的风阻系数对比。可见几乎对于每个方案，新方法修正后的结果都是与实验最接近的。



04  风阻对标还有哪些需要注意的？

风阻对标除了要考虑上述的内容之外，根据不同的风洞和对标的目的，还有一些因素不可忽视：

1.如果实验用到了真实车轮，仿真中也需考虑对轮胎下侧变形和胎纹的复现；

2.如果实验中的车身姿态没有锁死，则也需要考虑升力对车身姿态的影响；

3.有些风洞的收集口会根据车辆大小进行调整，因此收集口的变动也需体现在模型中。

完美的对标确实不容易，大部分的实验和仿真可能都不具备完全对标的条件，那么对于没有在仿真中体现的影响因素，则需要分辨其可能的影响：

1.如果计算不考虑风洞几何和边界层抽吸，则风阻的绝对值基本难以保证，对标的精力应主要放在方案效果上；

2.如果发舱冷却气流出口有较大开口在轮腔附近，则必须考虑精确评估前轮尾流对冷却阻力的影响；

3.如果仿真是基于开放路面且没有五带系统，车轮也是光头胎，那么基本就不用考虑升力的对标了；

4.如果仿真和实验几何有较大差异，甚至计算模型有缺失，那还是不要对标了，否则会无所适从；此时就让仿真工具回归其本源属性吧——我们是设计优化的好帮手。

05  小结

看到这儿，相信大家已经感受到一个完美的风阻对标有多不容易。正如开篇提到的“蛤蟆功”，看似平淡无奇，却能够让欧阳锋位居五绝。对于风阻的对标，也唯有充分准备，才能厚积薄发。谨以下图总结的风阻对标流程献给各位辛苦的CFDer。



关于仿真和实验的对标，除了前后处理的一致性之外，还有最关键的求解器，也就是仿真算法的准确性。为此，卢比和钢蛋的小酒馆近期会为大家带来两杯不一样的鸡尾酒——“从RANS到DNS，湍流经历了什么？”以及“玻尔兹曼眼中的流体力学”，敬请期待。