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几何C车型空气动力学开发
2021-10-21 22:37:59· 来源：电动学堂 作者：梅肖等
文章来源：1.吉利汽车研究院（宁波）有限公司研究表明，汽车行驶会受到周围环境风力影响，当汽车车速超过80km/h的速度行驶时候，有60％的动力输出用来克服空气阻
文章来源：1.吉利汽车研究院（宁波）有限公司
研究表明，汽车行驶会受到周围环境风力影响，当汽车车速超过80km/h的速度行驶时候，有60％的动力输出用来克服空气阻力，当车速超过200km/h，将会有超过85％的动力输出用来克服空气阻力。对于部分电动车型，当汽车风阻降低10％，将会提升续航能力7％，甚至更多。
因此，降低整车风阻，对节能减排，增加续航里程及改善汽车行驶性能都有重要的意义。空气动力学性能对于汽车市场的影响越来越受到重视，其广泛的应用在汽车造型和工程设计中，打造一台低风阻系数的车型，成为了汽车空气动力学工程师业不断追求的一个目标。
如今，各大汽车厂百家争鸣，越来越低的风阻系数数据被放诸媒介。一台低风阻车型的背后是上百次甚至上千次的仿真优化下逐步持续改善而获得的。一台车型有效的空气动力学开发离不开试验验证的支持，检验仿真分析与试验验证的一致性，并在试验中进一步挖掘整车降阻潜力，是车型风阻系数真实且有效的保证。
在几何C空气动力学开发过程中，利用STAR-CCM+软件采用数值仿真的方法进行整车仿真分析及优化，结合在同济大学完成的油泥车风洞试验，对分析结果进行验证和进一步优化，大幅降低了风阻系数。
几何C车型先后推动并落实的整车改善共方案24项，共降低整车风阻系数0.067。在同济风洞完成的几何C实车试验中，在二人载荷、AGS关闭的状态下，基础风阻系数为0.273，并且在工程可行的前提下，仍具备一定的降阻潜力。
1开发流程简介
吉利汽车空气动力学开发分为目标控制，虚拟开发及风洞试验验证三部分工作。
目标控制是整个开发流程的核心主线，基于开发车型信息进行竞品分析、可行性分析之后制定目标，并在后续各个开发阶段进行评估、控制和最后的验收。虚拟开发是从竞品分析、CAS分析优化、整车分析优化到试验阶段的验证对标及优化和最后的验收工作。风洞验证包括了竞品车型风阻验证、油泥车风洞试验验证及实车验证。
2开发阶段仿真分析
2.1边界条件
计算域的进口边界为速度进口，入口速度为120kph,出口为0Pa压力出口；其余周围四个面均设置为滑移壁面边界条件；车轮旋转。
2.2物理模型
整车采用STAR-CCM+软件进行计算模拟，物理模型选择不可压缩RNGk-ε湍流模型。壁面边界层采用壁面函数法求解。冷却模块芯体采用多孔介质模型处理。
2.3仿真优化方案分析
2.3.1前端优化
整车前端优化包括了发盖末端上抬、发盖上方特征优化、发盖导角优化、无效格栅封堵、气帘装饰罩优化、装饰罩翻边优化、气道形态优化、前保外扩程度优化等，见图2。
以气帘装饰罩的优化为例，在设计过程中同时协调造型意愿、工程可行性及风阻贡献，在仿真优化过程中气帘装饰罩造型演变历程如下图3，最终取消进气口遮挡，结合前保型面采用大开口进气造型，减少进气口气流阻塞，降低风阻。
其中水波纹造型阶段气帘仿真优化分析见下图4，从方案1到4逐渐调整气帘装饰罩入口进风面积的大小，使得进风口面积逐渐增大，分析结果见表1，在气帘风道出口不变情况下风阻随着气帘入口增大而降低，前保边缘分离减少。
气道优化主要是进出口大小（高度及宽度）、位置和气道型面，使气流在气道的流动顺畅且刚好贴合轮胎边缘流出，避免直吹轮胎或与轮胎之间分离增大，气道的出口大小同样需要保证布置和工程可行性。气道宽度及位置部分仿真优化方案见图5。其中基础方案分离过大，方案6气流与前轮胎相切比较合理。
2.3.2后端优化
如图6，后端优化包括了尾翼下压、尾灯型面优化、侧尾翼型面优化及后保外扩。
后尾翼优化方案如图7所示，几何C后尾翼的初始方案均为末端上翘且存在凹面的造型。几何C首先将后尾翼凹凸面优化为平滑表面，有利于气流平稳快速流经尾翼表面（后尾翼A），之后调整后尾翼Z向高度，搭建了将尾翼高度下压10mm（后尾翼B）及20mm（后尾翼C）模型，如表2所示，当后尾翼高度下压20mm时，尾流区更小，平衡度更好，尾部压力更高，整车风阻系数降低了0.006。
2.3.3车身局部附件优化
图8为针对局部及外接件优化方案。以后视镜为例（图9），后视镜初始造型base与过程版造型数据Mirror-A，base后视镜迎风面积较大但是镜身边缘角度合理，故后视镜尾涡区大但相对稳定，Cd*A较大；Mirror-A后视镜迎风面积较小，但边缘角度过于内收，导致出现了尾涡区不稳定，将Mirror-A后视镜边缘角度优化后可降低风阻0.002。
3下车体优化
下车体优化内容见下图10，主要为护板型面、结构优化和轮辋造型优化。下车体优化原则为保证与前后保的平顺搭接、尽量保证下护板的平整和合理覆盖、对有增加风阻风险的孔洞封闭及结构调整等。
以翻边结构为例，翻边安装结构仿真优化见图11,优化了前保搭接结构，取消了前保翻边，使下车体流场更加稳定，共降低整车风阻0.003，并且增加了固定点，增强了下护板强度。
轮胎及轮辋对整车风阻均有较大影响。几何C的轮辋由复杂的初始轮辐优化成表面平整的五辐轮辋，在此基础上又从开口面积及辐面型面两方面经历三轮优化，与造型共同设计出了低风阻轮辋造型，最终降低风阻0.006，如图13。
4开发阶油泥车风洞试验
4.1油泥车模型状态
全细节油泥模型如图14所示，其中前格栅、前唇、车标、AGS、后视镜、门把手、鲨鱼鳍、后尾翼及下护板均采用ABS样件，方便拆卸并且保证强度。风洞试验在上海同济大学风洞中心完成。
4.2油泥车基础状态风洞试验结果
风洞试验基础状态Cd=0.300,最优状态为Cd=0.282。各个附件风阻贡献见下表3。
4.3油泥车风洞试验优化方案
油泥车风洞试验优化方案见下表4。
结合仿真优化结果，在风洞试验中对后尾翼高度优化方案进行了验证，结果见表5，方案B的后尾翼末端下压20mm方案，共降低整车风阻0.006，体现到最终造型。
气帘优化试验结果见下表6。气帘关闭整车风阻系数上升0.002，说明原本气帘已经具有正向降阻效果，与仿真结果一致。气帘横筋去掉口的大开口造型降阻效果明显，在base基础上降低风阻系数0.005，部分优化方案体现到最终造型。
5试验车风洞试验验证
几何C车型在油泥模型风洞试验结束后，根据优化方案进行了造型及工程方案调整，后续又进行了一系列的降阻潜力挖掘，并在同济大学风洞中心完成了最终的实车风洞试验验收工作。
整车基础状态Cd=0.273（二人载），在试验过程中对与造型共同设计的低风阻轮辋造型优化方案进行了验证，可降低风阻整车风阻0.004，即加装低风阻轮辋后整车风阻状态可达Cd=0.269。
6结论
几何C的整个空气动力学开发经历了仿真分析优化—油泥车风洞试验验证及优化—结合试验结果及后续仿真分析工作进一步挖掘降阻潜力—实车风洞试验的几个过程，在开发过程中得到了以下几个结论：
1.几何C车型baselineCd=0.273满足开发要求,采用低风阻轮辋的风阻状态为Cd=0.269，baseline状态整车风阻系数共降低0.067。
2.几何C整个开发过程中贡献度大的方案较少，如后尾翼高度调整降低整车风阻0.006，轮辋造型优化降低风阻0.006，加装AGS降低风阻0.012，其余小方案较多，全车推动并落实的优化方案共24项，因此，关注细节，积少成多，聚沙成塔是几何C车型空气动力学成功开发的重要原因。
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