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电动汽车空气动力学减阻的相关概念（二）

2018-11-15 22:55:03·  来源：马晓静 AutoAero  
　
上一节中主要介绍了汽车空气动力学发展的历史与现状，并认识到减阻这项任务在汽车设计时逐渐成为空气动力学部分的主要考量，这一认识在电车设计中达到一定的高度
上一节中主要介绍了汽车空气动力学发展的历史与现状，并认识到减阻这项任务在汽车设计时逐渐成为空气动力学部分的主要考量，这一认识在电车设计中达到一定的高度。针对电车提出的相关空气动力学方面减阻的一部分概念已在一些生产车辆和概念车中得到了应用，本次推送中将主要分为四个阶段展示原作者针对整车的不同部位进行的相关概念的仿真验证。
从左至右：传统汽车阻力分布、所要研究的流程与概念方案
 
所有概念的仿真均是基于DrivAer模型进行的。作为宝马公司开发的一种用于空气动力学研究的通用汽车模型，它除了能够减少车辆与其简化模型的差距还可以通过改变尾部结构搭配不同的车型来使用。本项研究选用基于新能源汽车公司偏好的掀背车和快背车模型，并在NEVS （瑞典国家电动车公司）的帮助下针对其引擎室进行改造，保留了前端下格栅处的冷却口。
从左至右：DrivAer模型不同车型配置（1-快背式，2-掀背式，3-轿车）、模型动力舱冷却流出入口
DrivAer模型的引擎室改造:常规传动系(左)，电气传动系(右)
车身前部与车轮
车辆前端较大的气流滞留区是其阻力的主要来源，根据Hucho的研究，改变车头的形状尤其是降低车头可以实现减阻效果，这也是常规汽车设计中与造型相互妥协的减阻方法。
在前端的概念设计中主要研究气帘与前轮罩通风、前端扰流板与分离器组合。需要提到的是对气帘和前轮罩通风的研究几乎没有可参考的相关文献。
①气帘与轮罩通风
从左至右：基础模型前端压力系数、基础模型轮罩后压力分布
 
气帘是通过在驾驶室中创建一个带出口的入口通道来使用上左图前端标记突出的低压段的高速气流。轮罩通风的目的是为轮罩的气流提供额外的出口路径，减少上右图因气流停滞带来的阻力。
 
在确定了气帘入口和出口的位置后，设置了三种备选方案。所有方案入口相同，差别在等高度的出口宽度。
通过仿真发现对于掀背车，最大的阻力减少是10mm宽的方案，而对于快背车最优的是20mm宽的方案。
轮罩通风的基础模型和概念设计的出口宽度与进口相同，四种方案唯一变化的参数是通风高度。发现可以得到4-6counts的减阻效果。
谈到轮罩，汽车的车轮本身产生的阻力与其轮辋设计也有关系，研究发现半径较粗的边缘设计和完全闭合的边缘设计气动效果最好。雷诺Ecolab使用的活动的轮辋设计就是一个很好的减阻设计，高速公路恒定速度行驶，刹车几乎不动时，轮辋进入完全闭合状态。
左两图：Vdovin的最佳气动轮辋 右两图：雷诺Eolab的活动轮辋
 
②前部扰流板/分离器组合
对于前部扰流板/分离器组合装置已经有人研究，2015年Kumar研究了前扰流板高度及其离地间隙的影响，并发现增加一个分离器可控制气流。之后Robinette研究了传统汽车不同的前扰流板和分离器设计对的阻力的影响。概念设计时考虑到其对正投影面积的影响，把CdA作为评价依据。除了加速并疏导车底气流外，研究发现它还可以减少气流在前胎的滞止区域，并在电池舱与轮罩的出口处产生“吸入”效应。有趣的是，在本次仿真中阻力并没有得到减少，故该方案将不在此展示。
 
车身底部
对于车身底部，传统乘用车辆通常采用不同的车身底板以减少车体下部排气管、消声器、油箱等部件的气流扰动。电动汽车得益于其电池布置，底板通常较平缓， 石原慎太郎曾对一款纯电动汽车进行了底板的优化。概念设计中主要研究车底导流片和扩散器扩展。
从左至右：传统车底部盖板对Cd影响、优化的日产Leaf的车身底板
①扩散器扩展
位于底体末端的扩散器的作用主要是降低出底体的气流速度，增加车体后部的基压，从而减小尾迹尺寸。概念中的扩散器扩展方案是基于他人的研究基础上的，Lofdahl曾进行的一项调查轿车和掀背车配置的最佳扩散角度的研究发现5-8°的角度对两种车型的减阻效果都是最大的。Kang发现使用扩压器扩展也可以减少阻力，并对扩展400mm时的形状进行了优化。
从左至右：轿车与掀背车最佳扩散角度、某车辆扩散器长度对Cd的影响
不同扩散器扩展形状与其Cd值
 
概念方案中的扩压器扩展的设计角度选用5°，宽度为后轮胎间的宽度，设置了200mm、300mm和400mm三种不同长度的扩展。
仿真结果显示，掀背车阻力系数可以减少3-9个counts，快背车阻力系数可减少3-8个counts。两种车最优扩展长度正相反，掀背车的最好情况是200mm的扩展，而快背车是400mm。
掀背车在扩散器扩展为200mm的减阻效果最大，与基础方案相比，可看到车辆的基本压力在所有方案下都增加，这就解释了使用扩压器扩展可以减少阻力。从基础模型可以看出，它有两个纵向的涡结构，它是由车顶和车底两个纵向涡结构产生的。采用200mm扩散器扩展后，较低的涡旋被延迟，与基础模型相比变得更小。对于300mm和400mm的扩压器扩展方案中，下涡几乎消失，而上涡结构变大。
从左至右：扩散器扩展概念下掀背车中心平面压力云图、迹线图
 
对于快背车，较长的扩展会带来较低的阻力。从车辆中心的平面压力系数分布图可以看出，在400mm时，基底压力增加到最大，从而减少了最大的阻力。从中心平面的的流线图可看出，随着低涡的减小，分离延迟，基压增大，阻力系数减小。
从左至右：扩散器扩展概念下快背车中心平面压力云图、迹线图
 
②车底导流片
车底导流片主要是为了疏导车底气流，其纵向截面是翼片形状。作者在研究基础模型时发现车底气流分布并不对称，并推测是动力舱出口的空气流量不同引起的。概念设计方案中唯一的变量是长度。
从左至右：基础工况尾迹等值面、车身下部气流流动情况
掀背车在安装250mm的底部导流片时Cd减小最多，且叶片越长减少的阻力越小,在1500mm时阻力不减反增。对于快背车，加装250mm、500mm和1000mm导流片时Cd值均减少了5个counts，对于1500mm导流片方案，只减少了1个count。
车身上部
 
在侧窗关闭的情况下，没有加热或旋转的部件如车轮和驾驶室等处的干扰气流时，减少车身上部的阻力主要可分为两部分：挡风玻璃、侧窗、后窗、A柱和C柱以及车顶等部位较复杂的流动控制；减少尾流区的压力损失。前一部分在传统车辆设计中优化的主要途径有在不影响视野等安全要求下适当增加前风挡的角度和增加车窗与立柱的密封等。车身上部对于尾流区压力损失的改善上主要措施有增加尾部坡度、尾部收窄、后侧边缘锋利化和增加尾部扰流器等。
 
关于尾部坡度在不同车型上存在最优角度，其在增加时Cd值总是出现先降后增的趋势。传统上后方扰流器用于增加尾部下压力，在这里主要是使气流进一步附着在车体上部表面，延迟分离来恢复背压，从而减小尾迹尺寸，实现减阻。由于掀背车和快背车后上半部分的不同，通常分别称为车顶扰流板和主干扰流板。
有(绿线)/没有(红线)车顶扰流板和主扰流板
类似于扩压器扩展设计，创建三种长度扩展:100mm、200mm和300mm。车顶扰流板加长和车尾扰流板加长随车辆曲率变化。
从左至右：掀背车车顶扰流板方案、快背车主扰流板方案
掀背车的车顶扰流板扩展概念和快背车的主扰流板扩展方案中，掀背车的100mm的扩展方案得到了与基础模型相同的结果。200mm方案使Cd少了4counts，而300mm方案Cd可减少8counts。表明较长的车顶扰流板有利于掀背车减阻。对于快背车，最短的扰流板扩展减阻效果最好。
从掀背车的中心截面速度云图可以清楚地看到，在基础模型和带有300mm车顶扰流器扩展方案的尾迹是不同的。对于300mm扩展方案，后流速度小于基础模型，这会形成更高效的压力恢复和较小的尾迹尺寸，此时Cd可减少8个counts。其中心截面流线图可看到此方案上涡被延迟，如同扩散器扩展一样达到了减阻效果。
从左至右：掀背车中心面速度云图、中心截面流线图
对于快背车，不同的主扰流器扩展方案的后端压力系数图可看到不同方案间基准压力恢复的明显差异。100mm的扩展时尾迹尺寸最小，Cd减小9个counts。
设计概念方案的组合与评估
对掀背车和快背车中每个方案中最好的情况在DrivAer模型中结合并模拟，另外为模拟未来的概念配置，组合的概念配置还需搭配额外的功能，如封闭格栅，删除后视镜和消除门把手等。
掀背车
快背车
10mm的气帘
10mm气帘
300mm的轮罩通风
300mm轮罩通风方案
250mm的车身下部导流片
250mm车身下部导流片
200mm的扩压器扩展
400mm的扩压器扩展
300mm的车顶扰流板扩展
100mm主扰流板扩展
对于掀背车，通过组合的概念配置Cd可减少15个counts,CdA值的变化是5.5%。而掀背车的未来概念配置，阻力系数可以减少高达35个counts，这相当于50%以上的改善。在未来概念配置下，正投影面积从2.162平方米下降到2.106平方米，CdA值降低了15.2%。
快背车的概念配置并没有达到掀背车相同的减阻效果，Cd值减小值只有5counts。然而，在未来概念配置中，Cd值减少了33个counts并且CdA值减少了15.5%。
总结
文中所研究的概念并不能代表它们全部的空气动力学特性，在设计和优化空气动力学特性之前，应该把重点放在优化车辆的几何结构上。大部分气动特性效果只适用于特定车辆，合理控制和引导气流才是减阻的关键所在。
 
现代汽车的空气动力性能还没有完全发挥其潜力，电动汽车对于减少风阻增加里程的需求将使主动气动特性越来越受欢迎。仿真中减阻效果最大的扩压器和车顶/主扰流板扩展概念，在不久的将来有可能成为主动减阻装置在车辆上应用。
 
参考文章来源： 
Aktas U, Abdallah K. Aerodynamics Concept Study of Electric Vehicles[D].Master Thesis,Chalmers University of Technology,2017. 
本期内容相关推送文章汇总：
  1. 电动汽车空气动力学减阻的相关概念(一）丨AutoAero201819期
  2. 通过现实的风均阻力系数实现准确的燃油经济性预测|AutoAero201810期
  3. 奥迪Q5的气动开发|AutoAero201735期
  4. 凭借空气动力车轮，特斯拉Model 3续航提升10%|AutoAero201730期
  5. 通过数值仿真分析非光滑表面的减阻特性|AutoAero201719期
编者：马晓静
评论润色：张英朝
如有技术问题或有意相关技术合作，请联系张英朝教授，发邮件至：yingchao@jlu.edu.cn！
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