比亞迪漢空氣動力學(xué)開發(fā)

羅秋麗，張風(fēng)利，張榮榮，魏曉沖，李 兵，彭 倩

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東，深圳 518118）

漢是比亞迪基于全新純電動車平臺開發(fā)的高端旗艦轎車，采用全新“Dragon face”造型設(shè)計(jì)語言，配備“多合一”集成式電驅(qū)動系統(tǒng)和創(chuàng)新性的“刀片電池”，是比亞迪新一代純電動車型的杰出代表。漢將續(xù)駛里程作為該車型的核心性能，而降低風(fēng)阻是提升續(xù)駛里程的主要途徑之一。根據(jù)動力經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，該車型風(fēng)阻系數(shù)每降低10 count，NEDC工況續(xù)駛里程可提升約8 km。因此，該車型特別重視空氣動力學(xué)開發(fā)，風(fēng)阻系數(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)世界頂級量產(chǎn)轎車。

1 開發(fā)方法及策略

1.1 造型與空氣動力學(xué)的協(xié)同設(shè)計(jì)

比亞迪全新“Dragon Face”的造型風(fēng)格在漢車型上首次設(shè)計(jì)應(yīng)用，如圖2所示，設(shè)計(jì)師們對造型美學(xué)有著非?？量痰囊?，在確立新的造型風(fēng)格的過程中反復(fù)修改調(diào)整，造型方案迭代速度很快，這也給風(fēng)阻開發(fā)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，漢開發(fā)出一套與造型設(shè)計(jì)緊密融合的風(fēng)阻開發(fā)流程，如圖3所示。

圖1 采用上一代“Dragon face”造型語言的秦pro和唐

圖2 采用全新”Dragon Face”造型語言的比亞迪漢

圖3 漢的空氣動力學(xué)開發(fā)過程

在風(fēng)阻目標(biāo)定義階段，即和造型團(tuán)隊(duì)討論確認(rèn)該車型的低風(fēng)阻設(shè)計(jì)策略，然后對造型形體進(jìn)行大尺度的全局優(yōu)化，定義出對風(fēng)阻影響較大的關(guān)鍵尺寸，如圖4所示，對這些關(guān)鍵尺寸進(jìn)行重點(diǎn)管控，后續(xù)的造型方案調(diào)整盡量不改變它們。在造型方案選定之后，再對外造型的局部設(shè)計(jì)特征進(jìn)行風(fēng)阻優(yōu)化。最后再對導(dǎo)流板、輪輞、門把手、外后視鏡等附件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)及風(fēng)阻優(yōu)化。從而實(shí)現(xiàn)在造型方案不斷調(diào)整過程中低風(fēng)阻方案的延續(xù)性。

圖4 部分關(guān)鍵角度

1.2 開發(fā)工具

CFD仿真對設(shè)計(jì)迭代的響應(yīng)速度快，流場可視化更全面直觀，便于解析流動現(xiàn)象及風(fēng)阻形成的機(jī)理，因此被大量應(yīng)用于新車型的空氣動力學(xué)開發(fā)中。漢的風(fēng)阻開發(fā)前期，空氣動力學(xué)團(tuán)隊(duì)在已有的風(fēng)洞試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量仿真對標(biāo)研究，包括仿真軟件、建模方法和湍流模型的差異對仿真精度的影響[1-2]，以確定該車型風(fēng)阻開發(fā)所使用的仿真規(guī)范。在本文所有的仿真研究中，RANS與DES方法基于Star CCM+軟件，LBM方法基于Powerflow軟件。

2 仿真方法

當(dāng)前汽車CFD風(fēng)阻仿真廣泛應(yīng)用的方法有RANS、DES、LES及LBM等，前人已經(jīng)基于這些方法做了大量仿真與試驗(yàn)對標(biāo)的工作[1,3-7]。在漢的風(fēng)阻開發(fā)前期，空氣動力學(xué)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)針對RANS方法與LBM方法進(jìn)行了對標(biāo)研究。圖5是采用這兩種方法對比亞迪某款乘用車的不同狀態(tài)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)仿真對標(biāo)的結(jié)果。本文中的CD仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)均作了歸一化的處理。

分析結(jié)果顯示，基于LBM的方法，整車風(fēng)阻仿真精度更接近試驗(yàn)結(jié)果，誤差均在2%以內(nèi)；基于RANS方法，整車最大誤差達(dá)到4%。

圖5 某車型仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖6可知，兩種仿真方法對不同狀態(tài)ΔCD的變化趨勢預(yù)測與試驗(yàn)結(jié)果是一致的。LBM方法對前艙進(jìn)氣損失的仿真精度略低，但對輪輞風(fēng)阻貢獻(xiàn)量的仿真精度要明顯高于RANS方法。這與兩種方法對車輪模擬的方式不同有關(guān)，LBM方法中借助于動網(wǎng)格技術(shù)使車輪輪輞真實(shí)旋轉(zhuǎn)，并可對輪胎花紋進(jìn)行精細(xì)建模，模擬胎面花紋旋轉(zhuǎn)和輪胎接觸地面后的變形對風(fēng)阻的影響[1,7]，在進(jìn)行車輪降風(fēng)阻設(shè)計(jì)時有較大優(yōu)勢。在RANS方法中，采用動網(wǎng)格的建模和計(jì)算代價非常大，車輪通常無法真實(shí)旋轉(zhuǎn)，而主要采用旋轉(zhuǎn)壁面和旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系的方法來近似模擬車輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，對車輪風(fēng)阻的模擬精度較低。

圖6 某車型不同方案ΔCD貢獻(xiàn)量對比

圖7是在某車型Y=0中心截面上的表面壓力測點(diǎn)的仿真值與試驗(yàn)值的對比圖，圖中的紅點(diǎn)表示壓力測點(diǎn)的位置。由于車身外表面比較光滑，分離區(qū)較少，不同方法對貼體流動的模擬精度差別不大。其中在左側(cè)第7個點(diǎn)仿真值與試驗(yàn)值差異較大，這是由于該點(diǎn)正處于流水槽后的風(fēng)擋表面，氣流在前艙蓋分離后在此位置附近再附著，壓力梯度較大，試驗(yàn)測點(diǎn)的位置偏差會導(dǎo)致較大的壓力差異。

圖7 表面壓力測點(diǎn)仿真與試驗(yàn)對比

綜上，采用LBM方法和RANS方法進(jìn)行風(fēng)阻仿真均能獲得較高精度，但LBM方法精度更高。尤其對于車輪區(qū)域，LBM方法由于能模擬真實(shí)車輪旋轉(zhuǎn)，對車輪附近的流場模擬更精確，這對低風(fēng)阻輪輞的開發(fā)非常重要。但RANS方法也有自己的優(yōu)勢，它的計(jì)算速度更快，計(jì)算成本更低，因此漢的風(fēng)阻開發(fā)同時采用了RANS方法與LBM方法。

3 風(fēng)阻開發(fā)過程

為實(shí)現(xiàn)超低的風(fēng)阻目標(biāo)，漢在開發(fā)初期便定義了低風(fēng)阻的設(shè)計(jì)策略，明確了以下設(shè)計(jì)原則：

（1）外造型采用“前圓（頭）后方（尾）”的風(fēng)格。

（2）盡可能減少正壓區(qū)面積。

（3）提高車體后部的壓力恢復(fù)，增加車尾背壓。

（4）減少氣流在車身表面的分離和內(nèi)流損失。這些理念都與造型設(shè)計(jì)師、產(chǎn)品工程師提前進(jìn)行了深入探討，對各種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證，空氣動力學(xué)性能與造型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、項(xiàng)目決策方達(dá)成了高度的融合。

3.1 空氣動力學(xué)形體優(yōu)化

良好的空氣動力學(xué)形體決定了車型風(fēng)阻開發(fā)的最大潛力，由于涉及人機(jī)空間、總布置和造型姿態(tài)，在設(shè)計(jì)前期就需要被確定下來。Y=0截面和乘員艙上部的關(guān)鍵尺寸是主要的優(yōu)化對象，開發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用基于網(wǎng)格變形的技術(shù)（圖8）對外造型面進(jìn)行快速修改和尋優(yōu)，將有效的方案轉(zhuǎn)換為幾何文件，輸出給造型設(shè)計(jì)師，大大提升了優(yōu)化的效率和空間。

圖8 基于網(wǎng)格的曲面變形技術(shù)

3.2 車頭

降低車頭高度，可以減少前臉的正壓區(qū)面積，對降低風(fēng)阻有積極的意義，漢的車頭高度比最初方案降低了40 mm，風(fēng)阻降低了5 count，如圖9所示。

圖9 車頭高度降低示意圖

前保險(xiǎn)杠兩側(cè)的拐角位置是氣流管理的關(guān)鍵區(qū)域，設(shè)計(jì)師通常傾向于在此區(qū)域設(shè)計(jì)深坑、凸筋或飾條特征來增加車輛寬度方向的視覺效果，這給風(fēng)阻設(shè)計(jì)帶來很大麻煩，此處的凹凸不平特征非常容易導(dǎo)致氣流分離，分離后氣流與下游車輪外側(cè)的紊亂氣流互相影響，使風(fēng)阻大大增加。所以在此區(qū)域通常會設(shè)計(jì)空氣簾，將前保險(xiǎn)杠迎風(fēng)面的氣流引導(dǎo)到車輪外側(cè)，來補(bǔ)充車輪外側(cè)分離區(qū)的動量。經(jīng)過與造型設(shè)計(jì)師的溝通和迭代優(yōu)化，漢最終在不增加空氣簾的情況下，車輪外的氣流分離區(qū)域很小，局部風(fēng)阻基本沒有增加，如圖10～11所示。新一代“Dragon face”的前臉圓潤平滑，與完全光滑的前臉相比，風(fēng)阻系數(shù)僅增加5 count。

圖10 漢前保險(xiǎn)杠側(cè)后方的流場速度云圖

圖11 漢與其它帶空氣簾的車型截面速度對比云圖（截面位置同圖10）

3.3 車尾

車輛前后的壓差阻力是整車風(fēng)阻的主要組成部分，提升車尾部的背壓對降低壓差阻力非常重要。車尾后部的尾渦受渦流旋轉(zhuǎn)的離心作用，渦心位置的壓力較低，應(yīng)使渦心的位置盡可能遠(yuǎn)離車體，以提升車尾部背壓。一般來說，采用圓角形狀的尾部氣流受壁面科恩達(dá)效應(yīng)（Coanda Effect）和尾渦區(qū)內(nèi)的低壓作用影響，容易使尾部氣流沿圓角內(nèi)卷，造成圓角的局部負(fù)壓，并使尾渦中心更靠近車體。而對有清晰的分離邊緣的車尾，氣流果斷分離，受主流區(qū)的慣性作用，氣流向尾渦中心區(qū)內(nèi)卷的現(xiàn)象推遲，尾渦中心離車體更遠(yuǎn)。另一方面，圓角形狀的車尾，在不同雷諾數(shù)下氣流的分離位置是不固定的，而對尖銳邊緣的車尾，分離位置相對固定，尾渦的形態(tài)和風(fēng)阻系數(shù)更穩(wěn)定[8]。因此，漢采用了具有清晰分離邊緣的“方尾”造型，車尾四周的氣流分離線清晰，獲得了穩(wěn)定的尾渦結(jié)構(gòu)以及更高的背壓。

圖13 漢尾部靜壓系數(shù)云圖

圖14 漢的中心截面尾渦流線圖

3.4 車底部

車底部的氣流受地面與車體的擠壓效應(yīng)、旋轉(zhuǎn)車輪的擾動以及車底部不平度的相互作用，氣流管理難度非常大。車底部風(fēng)阻開發(fā)要求盡可能減少氣流的動量損失，主要做到兩點(diǎn)：一是在縱向垂直截面上，氣流從前保險(xiǎn)杠下部受到壓縮進(jìn)入底部后，需要保持在車底表面附著，氣流一旦脫體極易沖擊地面，形成地面次生邊界層，造成極大的動量損失。二是在車底的水平截面上，氣流受到旋轉(zhuǎn)車輪的干擾，在車輪后形成較大的氣流分離區(qū)，擠壓車底氣流向中間集中，形成動量損失。為了解決這兩個問題，漢對車底部的電池包以及前后保險(xiǎn)杠的相對高度和布置角度、前輪擾流板的高度和位置、各導(dǎo)流板的形狀角度等進(jìn)行了大量的分析優(yōu)化，來降低車底部氣流的動量損失。由圖15對比可知，最終方案前輪后的氣流分離得到明顯改善，車底部主流區(qū)的截面寬度增加。

圖15 漢車底流場水平截面的總壓云圖

圖16 前輪擾流板

3.5 前艙內(nèi)流

前艙進(jìn)氣導(dǎo)致的內(nèi)流損失是整車風(fēng)阻的重要組成部分，貢獻(xiàn)量可達(dá)到10～30 count。漢從三方面進(jìn)行前艙氣流管理：一是在滿足整車熱管理需求的基礎(chǔ)上，盡可能減小前格柵的進(jìn)氣面積，并設(shè)計(jì)了主動進(jìn)氣格柵（Active Grille System，AGS），如圖17所示。在冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)不需要散熱的情況下，關(guān)閉AGS來降低風(fēng)阻。風(fēng)洞試驗(yàn)表明，AGS在關(guān)閉狀態(tài)下的整車風(fēng)阻系數(shù)比打開狀態(tài)降低了12 count；二是在前格柵到冷卻模塊之間做了良好的密封，使前格柵進(jìn)入的冷卻氣流主要流向冷卻模塊，不向四周擴(kuò)散，降低前艙內(nèi)流阻力的同時，又可以提升冷卻效率；三是對前艙氣流的流出路徑進(jìn)行管理。前艙氣流沿切向流出到主流區(qū)，比垂向流出更有利于降低風(fēng)阻。采用全覆蓋的前艙下導(dǎo)流板后，前艙內(nèi)的氣流主要流向車輪的輪腔，容易被卷入旋轉(zhuǎn)的車輪，增加動量損失。因此，漢在前艙下導(dǎo)流板上設(shè)計(jì)了4個出氣口，引導(dǎo)氣流沿底部切向流出，如圖18～19所示。同時在前輪腔的后壁面上增加了大倒角，引導(dǎo)進(jìn)入輪腔內(nèi)的氣流從此處流向底部，而非從輪眉流向側(cè)圍，如圖20～21所示。

圖17 漢的AGS

圖18 導(dǎo)流板出風(fēng)口設(shè)計(jì)

圖19 氣流從前艙下導(dǎo)流板出風(fēng)口流出的流線圖

圖20 輪腔后側(cè)的大倒角

圖21 氣流從輪腔后側(cè)的大倒角向后流出的流線圖

3.6 低風(fēng)阻輪輞

旋轉(zhuǎn)車輪本身的風(fēng)阻及其所導(dǎo)致的其它部位的風(fēng)阻增加量占整車風(fēng)阻的1/4 ，而漢要求0～100 km/h的加速時間達(dá)到3.9 s，需采用更寬的輪胎保證抓地力，這也增加了風(fēng)阻開發(fā)難度，因此，漢在空氣動力學(xué)輪輞的開發(fā)方面投入了大量精力?；趯Χ嗫钶嗇y造型方案的仿真分析及優(yōu)化，漢開發(fā)的空氣動力學(xué)輪輞風(fēng)阻系數(shù)比全封閉狀態(tài)僅增加4 count。對另一款普通輪輞也進(jìn)行了風(fēng)阻優(yōu)化，優(yōu)化后的輪輞比全密封狀態(tài)風(fēng)阻增加7 count。如圖23所示，普通輪輞與空氣動力學(xué)輪輞、全封閉輪輞的輪外側(cè)總壓損失相當(dāng)，均達(dá)到了較好的減阻效果。

圖22 最終輪輞方案及輪輞全封閉示意圖

圖23 普通輪輞、空氣動力學(xué)輪輞及全封閉輪輞X向截面總壓圖

4 風(fēng)洞仿真試驗(yàn)對標(biāo)

漢在上海地面交通工具風(fēng)洞中心完成了實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)，風(fēng)阻系數(shù)達(dá)到0.233，成功實(shí)現(xiàn)了既定風(fēng)阻開發(fā)目標(biāo)?？諝鈩恿W(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)不同狀態(tài)的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了CFD仿真對標(biāo)，并重點(diǎn)研究了DES方法的仿真精度。

圖24 漢風(fēng)洞煙流試驗(yàn)

DES模型是一種RANS/LES混合模型，它在壁面附近區(qū)域使用RANS模型，在湍流核心區(qū)采用LES模型，采用瞬態(tài)算法，對車輛尾流的模擬效果更好[9]。

表1是分別采用LBM與DES方法與風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果對比，可以看出采用LBM與DES都能夠得到較高精度的仿真結(jié)果，誤差絕大部分都在3%以內(nèi)。

從不同方案的ΔCD值貢獻(xiàn)量來看，DES方法也展示出較好的仿真精度。其中對前艙內(nèi)流損失的風(fēng)阻貢獻(xiàn)量，LBM方法明顯小于試驗(yàn)值，而DES方法明顯偏大，這部分仿真誤差可能主要與進(jìn)氣格柵和冷卻系統(tǒng)周圍的建模精度有關(guān)，仍需進(jìn)一步對標(biāo)研究。對車底部導(dǎo)流板方案2的模擬，兩者均出現(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果相反的趨勢，這可能與該導(dǎo)流板位于車底尾部有關(guān)。車底部流場模擬誤差較大（見下文），上游的流場模擬誤差沿流向積累，在車底尾部區(qū)域達(dá)到最大，流場的失真導(dǎo)致對導(dǎo)流板風(fēng)阻貢獻(xiàn)量的計(jì)算出現(xiàn)偏差。

表1 漢不同方案的仿真與試驗(yàn)CD值對標(biāo)

圖25 不同方案ΔCD值貢獻(xiàn)量的風(fēng)洞試驗(yàn)對標(biāo)結(jié)果

圖26 Y=-300 mm車身截面上的壓力測點(diǎn)對標(biāo)

圖26中的紅點(diǎn)代表Y=-300 mm車身截面上的壓力測點(diǎn)位置，對比可知， LBM方法和DES方法都能得到比較好的模擬精度，風(fēng)阻仿真誤差的關(guān)鍵主要在于下車體的流場模擬。為了進(jìn)行車底部仿真對標(biāo)，漢在Y=-300 mm位置的車體下底面的縱向布置了1列，橫向布置了4排測壓點(diǎn)，如圖27～28所示。

對比可知，DES與LBM方法的測點(diǎn)位置處的壓力曲線分布趨勢均與試驗(yàn)結(jié)果一致，但壓力值有較大差異，除第一排點(diǎn)外，均為負(fù)壓且仿真值普遍偏小。造成這種偏差的原因有待研究，推測原因主要是對前保險(xiǎn)杠前唇下部的氣流分離，以及前輪導(dǎo)致的氣流分離模擬不準(zhǔn)確，使車底氣流受到過度擠壓，從而使主流區(qū)的截面寬度減小，主流區(qū)的流速比實(shí)際值要大，這也導(dǎo)致下游各點(diǎn)的流場仿真出現(xiàn)偏差。在較為平整的電池包底部仿真誤差較小，而當(dāng)?shù)撞繗饬髟俅问艿胶筝喌臄D壓后，仿真誤差再次加大。

圖27 底部表面壓力測點(diǎn)對標(biāo)

圖28 底部表面壓力測點(diǎn)對標(biāo)

圖29 尾部中心壓力測點(diǎn)對標(biāo)

圖29是在Y=-300 mm處車背部表面上的壓力測點(diǎn)，對比可知，兩種仿真方法均存在一定誤差，但均能反映各測壓點(diǎn)的變化趨勢，LBM方法精度要高于DES方法。由于車背部的壓力取決于尾渦渦強(qiáng)和渦心位置，而尾渦渦強(qiáng)和渦心位置的模擬精度又取決于對車尾后緣分離點(diǎn)位置和風(fēng)速的模擬精度，因此，車底部氣流和側(cè)圍氣流的模擬誤差應(yīng)該是背壓仿真誤差的主要根源。

綜上，對光滑表面的貼體流動，CFD仿真精度均較高。而對車輪、車底部等區(qū)域?qū)е碌臍饬鞣蛛x的模擬，各種CFD的湍流模型均有一定偏差，這種仿真誤差會影響車輪及車底部導(dǎo)流板的開發(fā)決策，結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)風(fēng)阻開發(fā)仍然是必須的。

5 總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了比亞迪漢的空氣動力學(xué)性能開發(fā)過程，對CFD風(fēng)阻仿真精度進(jìn)行了評估，然后分別從外造型形體和車頭、車尾、車底部、前艙內(nèi)流、氣動輪輞等幾個區(qū)域介紹漢對低風(fēng)阻開發(fā)的理解和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。最后對漢進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)仿真對標(biāo)，重點(diǎn)論證了DES方法的仿真精度，對標(biāo)結(jié)果表明，采用DES方法的整車風(fēng)阻系數(shù)仿真誤差可以達(dá)到3%以內(nèi)，具備較大的應(yīng)用潛力。同時也發(fā)現(xiàn)當(dāng)前不同仿真方法對車輪和車底部的流場模擬精度仍存在一定誤差。后續(xù)車型仍需增加風(fēng)洞試驗(yàn)和仿真的循環(huán)驗(yàn)證，并繼續(xù)研究提升車底部氣流仿真精度的方法。