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如何準(zhǔn)確的評(píng)估真實(shí)行駛工況條件下的空氣動(dòng)力學(xué)性能

來源: | 作者:thinks | 發(fā)布時(shí)間: 2020-11-19 | 4056 次瀏覽 | 分享到:

相信整車性能的開發(fā)者們對(duì)于汽車風(fēng)阻和風(fēng)噪性能的評(píng)估都不陌生。通常情況下，無論是通過仿真還是風(fēng)洞試驗(yàn)，評(píng)估空氣動(dòng)力學(xué)性能的工況都是均勻來流，且湍流度也不高。但實(shí)際高速公路上面的風(fēng)并不會(huì)像風(fēng)洞或者仿真中那么平順，直直的吹向我們的車。事實(shí)上，真實(shí)路面上不僅會(huì)存在側(cè)風(fēng)、陣風(fēng)，而且前方來流還常常受周圍環(huán)境和前車尾流的干擾，湍流強(qiáng)度和尺度都會(huì)有不同等級(jí)的變化。

風(fēng)，沒有方向的吹來，將會(huì)影響車輛的空氣動(dòng)力學(xué)性能。而能否準(zhǔn)確的評(píng)估真實(shí)行駛工況條件下的空氣動(dòng)力學(xué)性能，直接影響到消費(fèi)者的實(shí)際體驗(yàn)——真實(shí)的高速公路油耗能耗可能高于汽車生產(chǎn)商宣稱的數(shù)值，而消費(fèi)者也會(huì)在某些行駛工況條件下感受到更惱人的風(fēng)噪聲。車輛公布的數(shù)據(jù)與實(shí)際行駛的油耗能耗之間的差距一直都是熱度話題，兩者之間的平均差距最高可達(dá)40％。在測(cè)試流程并不嚴(yán)格的國家，考慮到車輛的不同配置，這個(gè)數(shù)字還會(huì)更大。為了更真實(shí)的反饋每一款車輛的實(shí)際性能，歐洲和日本已經(jīng)先后啟動(dòng)了WLTP的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，不過這仍然難以完全涵蓋到復(fù)雜的實(shí)際行駛工況。

早在2017年“Fuel Economy Detroit”大會(huì)上，達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA的高管ALEX ALAJBEGOVIC曾經(jīng)評(píng)論道：“我們不能僅僅通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試為目標(biāo)設(shè)計(jì)汽車。已有汽車制造商只在實(shí)驗(yàn)室中而不是道路上取得成功，最后失去了客戶?！?/span>
“但你不能責(zé)怪汽車制造商的處境，”他解釋說，“銷售汽車是一種競(jìng)爭(zhēng)，現(xiàn)成的規(guī)則擺在那里，他們只是充分利用而已。但空氣動(dòng)力學(xué)是一個(gè)很好的例子——如果在風(fēng)洞里測(cè)試，通常不會(huì)有不穩(wěn)定來流，也沒有其他車輛造成湍流。因此，在風(fēng)洞中開發(fā)的氣動(dòng)套件——比如您看到的在美式卡車和SUV的前唇附近安裝的氣壩擾流板，在理想工況下確實(shí)是最有效的。然而回到現(xiàn)實(shí)世界，其效果可能將會(huì)大打折扣?！?/span>

使用仿真工具是實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜工況性能評(píng)估的必要條件——前提是你的CFD工具能夠快速、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)瞬態(tài)來流條件下的整車性能。SIMULIA PowerFLOW 就是這樣一款先進(jìn)數(shù)值仿真方法的軟件。PowerFLOW以LBM方法為基礎(chǔ)，結(jié)合了獨(dú)有的非常大渦模擬湍流模式及先進(jìn)的壁面函數(shù)，具有適用范圍廣、瞬態(tài)準(zhǔn)確、并行效率高、穩(wěn)定性好等諸多有點(diǎn)，可為多個(gè)領(lǐng)域提供已驗(yàn)證過的解決方案，并通過模板化的最佳實(shí)踐分析標(biāo)準(zhǔn)，幫助用戶做多學(xué)科、多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和開發(fā)。

在PowerFLOW中，我們可以非常方便的設(shè)置側(cè)風(fēng)工況，還可以根據(jù)不同的路況特征（如城市、郊區(qū)、高速公路等），對(duì)前方來流的湍流特征進(jìn)行更個(gè)性化的定制，從而更精確的評(píng)估車輛在這些復(fù)雜工況下的性能。

在SAE論文（SAE 2015-01-1551）中，Tesla的研究者們對(duì)比了車輛在不同路試工況下的能源消耗，測(cè)試條件包含了側(cè)風(fēng)和實(shí)際湍流，并通過在車頂安裝皮托管測(cè)量真實(shí)環(huán)境的壓力波動(dòng)。

下圖顯示不同偏航角下的能量消耗曲線，這些數(shù)據(jù)又通過不同的湍流度進(jìn)行分類，顯示了一定側(cè)風(fēng)角下湍流度增加對(duì)風(fēng)阻的影響。低湍流度工況下的風(fēng)阻較低，相反，高湍流度工況的數(shù)據(jù)表明，湍流度的增加通常會(huì)降低風(fēng)阻對(duì)側(cè)風(fēng)角的敏感性，但會(huì)增加總風(fēng)阻值。

實(shí)際的測(cè)試費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并需要在樣車制造出來之后才能測(cè)試，使用PowerFLOW則能靈活的應(yīng)對(duì)所需的評(píng)估。在PowerFLOW中，真實(shí)的流動(dòng)環(huán)境是按照包括所有相關(guān)的行駛湍流和風(fēng)向結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成的真實(shí)物理環(huán)境進(jìn)行建模，包括比車輛尺寸大很多倍的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。這些流場(chǎng)信息被指定在進(jìn)口邊界條件中，以瞬態(tài)的效應(yīng)被輸運(yùn)到下游并流向車輛。
下圖展示了一個(gè)瞬態(tài)的行駛過程，側(cè)風(fēng)按照時(shí)間規(guī)律進(jìn)行變化，而湍流度維持在一個(gè)固定的大小。左圖展示了側(cè)風(fēng)角、來流湍流和車輛外流場(chǎng)之間的相互作用，通過當(dāng)?shù)貍?cè)風(fēng)角著色的流線圖穿過整個(gè)流場(chǎng)。右側(cè)顯示了這個(gè)過程中風(fēng)阻值的變化?？梢?，湍流度較小時(shí)，風(fēng)阻和側(cè)風(fēng)角維持線性相關(guān)，而較大湍流度時(shí)，這種相關(guān)性將變得難于預(yù)測(cè)。不過，總體上，較大湍流度（7%）條件下的風(fēng)阻比光順來流要大3~4%左右，而隨著側(cè)風(fēng)角的增大，湍流來流的影響略微降低。這與路試中的觀測(cè)結(jié)果是一致的。

實(shí)驗(yàn)和仿真的數(shù)據(jù)都表明湍流度和能源消耗是直接相關(guān)的。真實(shí)的流動(dòng)條件，包括行駛湍流和側(cè)風(fēng)，都將惡化汽車的油耗或能耗。因此，優(yōu)化車輛在開放路面上的行駛效率和性能需要準(zhǔn)確的模擬真實(shí)的路況環(huán)境。

隨著近年來電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)真實(shí)剩余續(xù)航里程的關(guān)注也進(jìn)一步促使汽車制造商更精確的評(píng)估與優(yōu)化車輛實(shí)際的空氣動(dòng)力學(xué)性能。在這個(gè)體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)盛行的時(shí)代，使用高保真瞬態(tài)算法的軟件進(jìn)行產(chǎn)品性能的仿真越來越重要。
目前，SIMULIA PowerFLOW最新一代產(chǎn)品PowerFLOW 6-2020已更新至第六代求解器。其對(duì)LBM碰撞算子的專利改進(jìn)等一系列優(yōu)化，可更進(jìn)一步減小數(shù)值耗散，從而提升從氣動(dòng)力學(xué)，到氣動(dòng)聲學(xué)，到熱學(xué)；從低馬赫數(shù)，到近音速再到跨音速在內(nèi)的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的仿真精度，并大幅提高了仿真效率。

來源：達(dá)索系統(tǒng)