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汽车比例油泥模型风洞气动优化原则与实践
2020-12-15 13:30:01· 来源：2020中国汽车工程学会年会论文集 作者：张英朝，关青青，郑涛，苗振华，周君堂，桑涛
油泥模型是车身设计中用油泥雕塑的汽车模型，具有方便实用、性能稳定的特点。随着汽车空气动力学的发展，在汽车造型开发过程中，使用小比例油泥模型进行风洞试验
油泥模型是车身设计中用油泥雕塑的汽车模型，具有方便实用、性能稳定的特点。随着汽车空气动力学的发展，在汽车造型开发过程中，使用小比例油泥模型进行风洞试验，已经被汽车企业广泛采用。造型设计师在风洞试验中根据试验结果可以对油泥造型进行方案的不断修改和调整，同时进行风阻测试，来获得最佳风阻系数的汽车造型。已有很多企业使用全尺寸油泥模型进行风洞实验的研究，但全尺寸油泥模型制作周期长，费用较高，在设计初期无法进行风洞试验的应用，因此在汽车外形开发前期，需利用小比例油泥模型在风洞中进行气动优化。本文主要介绍小比例油泥模型进行风洞试验的可行性，油泥模型的加工过程，以及采用小比例油泥模型进行风洞试验的流程进行研究和实践，为利用小比例油泥模型进行气动优化提供实践经验。
一、油泥模型的特点
油泥是一种人工制造的材料，具有可塑性强，粘性强、韧性强、强度高且不易干裂变形等特点，便于成形、修改和补充，可以反复切削使用，所以油泥设计人员可以很便捷地对汽车表面细节等进行试验、探索和比较，使模型和实车保持一致。
小比例模型优势更为明显，一是制作小比例模型所需时间很短，改型修改很快，可以提高新品研发速度，节省大量的研发成本；二是小比例模型非常容易转移，增加了风洞选择的灵活性。
二、比例模型风洞试验基本原则
1.几何相似性
几何相似指的是小比例试验模型和实车的几何形状、外廓尺寸相似，某些情况下还需要部分或完全模拟汽车底部结构、各种附件和汽车内部结构，但在多数试验中，只要做到按比例形状、外廓尺寸相似就足够了。一般来说，小比例模型的制作可以具有很高的真实度，以保证对各个重要局部流场的真实模拟。本文采用的油泥模型是通过油泥模型铣削机进行数控加工获得的，能够保证足够精度的几何相似。通过对工艺和流程的控制，实现模型的几何相似要求。
2.雷诺数相似
雷诺数Re是表征惯性力和粘性力的比值，是一个无量纲的相似准则参数。定义如下：
式中，v为试验风速（m/s）；ρ为空气的密度(kg/m3)；d为特征长度(m)，通常模型的长度可以作为特征长度使用；μ为空气的粘度系数(Pa·s)。
雷诺数影响整个流场状态，从而影响到模型的六分力，因此要求试验时的雷诺数尽量接近实车行驶时的雷诺数，即v与d的乘积需要相等。但这在风洞试验中很难达到，因为压缩性的限制，风洞的最高速度会有限制。根据国内外研究表明：当雷诺数达到一定值后，气动系数基本不变化，粘性影响已经不显著。根据SAE J1252建议，汽车风洞试验的雷诺数不小于0.7×106，一般汽车模型风洞试验的雷诺数应该大于3×106。
本文采取1：3小比例油泥模型，模型长度为1444.8mm，试验风速为120km/h，空气的密度为1.293kg/m3，空气的粘度系数为17.9×10-6Pa·s，则对应的雷诺数为：
很明显，当风速为140 km/h、160 km/h时均满足SAE推荐的雷诺数相似要求，所以可以用此小比例油泥模型进行风洞试验。
三、气动优化流程
1.油泥模型制作流程
如图为小比例油泥模型制作流程。
我们将模型按要求缩小为原来的1/3，得到1/3比例模型，并测量关键的模型尺寸，为后续模型加工提供尺寸参考。
制作油泥模型时需要先制作模型毛坯，一般用发泡塑料制作，既能呈现出模型基本造型，又可以牢固地固定油泥。模型毛坯是在整个汽车原造型基础上内缩而来，同时需要为表面填敷油泥留有20mm的加工余量。另外由于风洞试验中车底气流对整体影响较大，所以需对底盘造型进行单独加工以保留底部细节。
模型的泡沫毛坯制作完成后，将软化的油泥均匀涂抹在模型毛坯底盘造型以及上车体表面，待其冷却固化后，铣削并修整完成模型制作。模型完成的效果如图所示，经过最后的模型测量结果显示，误差在0.3mm内，模型加工精度误差达到了风洞实验要求，满足试验几何相似性。
2.风洞试验
经过数控铣削加工的小比例油泥模型，如图所示，与原数字模型相比，精确的保留了车身前部雾灯凹槽、前唇等对整车气动性能影响较大的细节部位，车身附件如后视镜、门把手等通过3D打印制作。
将小比例油泥模型安装在吉林大学汽车风洞实验室的小比例模型试验平台上，对其进行气动力试验。根据风洞雷诺数相似的理论，对该小比例油泥模型进行雷诺数扫描试验，得到风速为110~150km/h的阻力系数，其他对比试验在120km/h的风速下进行。本次试验共有三个工况：①去掉后视镜；②封车轮；③去掉后视镜+封车轮。
试验结果如图5所示，风洞试验很好的可以分辨出各部件对真车风阻系数的影响。
3.雷诺数相似探讨
本次试验雷诺数根据前文分析在允许雷诺数相似区间。风洞试验后对试验的小比例油泥模型运用3D扫描技术将其扫描处理成适合CFD计算的数字模型，提供给造型设计部门进行设计修改，或者CFD仿真部门，用CFD软件对汽车进行仿真，从而完成对汽车气动减阻优化设计的需要，指导最终的造型设计。
结合扫描的数模进行CFD分析，联合本次的风洞试验数据，对试验雷诺数进行对比研究，结果如图所示。（注：纵坐标数值由于保密已隐藏）
从图中可以看出，雷诺数在2*106的情况，风阻系数随着雷诺数的增加，即风速的增加，或者模型长度的增加，变化幅度在0.2%~-0.5%之间，变化不大。通常认为这时，模型处在自准区，可以认为比例模型试验结果可以获得同全尺寸一致的风洞试验结果。
为了对比风洞试验的结果，同时也进行了CFD的仿真模拟，仿真在120km/h下风速下进行，采用Star-CCM+软件计算，对应试验的三种试验工况，模型设置如图所示。
计算域设置如下图，为了减小仿真过程中壁面对流场的影响，模型前部距入口边界约为4倍车长，模型后部距出口边界约为8倍车长，计算域高度约为5倍车高，宽度约为6倍车宽。
入口边界设置为速度进口，出口边界设置为压力出口，其他固体壁面设置为无滑移壁面。为了更好地模拟汽车周围的气流流动，需在模型周围设置加密域，并在模型表面设置边界层，第一层厚度为0.5mm，以1.5倍比例增长，共6层，总网格量为850万。
湍流模型采用标准的定常K-ε模型，最大步数设置为3000步，结果稳定后提取cd值。
试验工况的仿真结果与试验结果对比如图所示。
由图可以看出，试验和仿真的吻合度较好，说明小比例油泥模型的风洞试验和CFD仿真有很好的相关性，仿真结果对模型的气动优化设计具有很高的参考价值。
4.仿真分析
对扫描小比例油泥模型后得到的数字模型可进行CFD仿真分析，从空气动力性能上为车身外形设计提供改进方案，优化车身气动性能。
如图所示为车辆前部的压力云图，发现此处存在很大的正压区，这是由于车辆前部直接承受空气来流的冲击，对气流有很大的阻碍，是车身阻力的重要组成部分。
从图中还可以看出，车轮迎风面处也存在很大的正压区，因为车轮也是受到气流的正面冲击，对车辆的气动阻力会有一定影响。
如图所示为车身中截面尾部的流线图和速度云图，可以看出，车身尾部出现明显的乱流，气流不能平稳地汇合，增大了气动阻力；尾部还有大面积的低速区，这也是气动阻力产生的重要原因。
除此之外，还可对车辆许多部位进行仿真分析，为采取有效的气动减阻措施提供参考依据，从而方便空气动力学工程师对油泥模型造型进行优化改进，以得到最佳气动性能的油泥造型，可进一步优化实车气动性能。
四、结论
本文从空气动力学研发设计需求出发，结合汽车造型开发流程和需要，论证了小比例模型进行风洞试验的可能性，对小比例油泥模型加工过程进行了设计，制作了满足风洞试验要求的小比例油泥模型，验证了其可行性，为以后更好的运用小比例油泥模型进行汽车风洞试验提供了重要参考依据。结果表明，小比例油泥模型在风洞中进行试验，快捷，高效，可以快速对造型方案进行减阻优化的设计评估，也有利于造型和工程的意见交流和方案商定。同时利用小比例油泥模型进行风洞试验，还可以对其进行仿真优化对标和借鉴，分析试验数据与仿真数据的相关性，研究得到风洞试验与CFD仿真的差异与规律，为以后的仿真计算准确度提供参考依据。
本文来源：
张英朝，关青青，郑涛，苗振华，周君堂，桑涛. 汽车比例油泥模型风洞气动优化原则与实践[C].2020中国汽车工程学会年会论文集，上海，2020：1566-1570.
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