雷敏，魏朔，李超，閆惠東，張慶*

多軸混合動力特種車輛空氣動力學(xué)特性分析與改進設(shè)計*

雷敏1，魏朔2，李超2，閆惠東2，張慶1*

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083；2.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

建立某多軸混合動力特種車輛整車外流場仿真模型，采用計算流體力學(xué)方法分析整車外流場特性。根據(jù)分析結(jié)果對駕駛室進氣格柵、駕駛室與貨箱之間的上部連接、駕駛室下部進風(fēng)口三個部位進行優(yōu)化設(shè)計。在優(yōu)化設(shè)計過程中，特別關(guān)注提升各車橋分布式驅(qū)動電機的散熱效果，并根據(jù)局部外流場特性確定車橋處的電機風(fēng)扇朝向布置。結(jié)果表明，優(yōu)化后的整車風(fēng)阻系數(shù)降低了6.4%，各車橋均可通過底盤底部的氣流分支進行良好冷卻，確保滿足驅(qū)動電機的散熱需求。

混合動力；多軸特種車；計算流體力學(xué)；風(fēng)阻系數(shù)；優(yōu)化設(shè)計

1 概述

車輛混合動力驅(qū)動技術(shù)近年來快速發(fā)展，在乘用車及民用商用車領(lǐng)域取得了良好效果[1-3]。分布式混合動力驅(qū)動技術(shù)可以在增大特種車輛底盤布置空間，增強車輛起步加速能力及動力性的同時，還能夠滿足車輛在重載條件下對續(xù)駛里程和維修保障性的需求，因此在特種車輛領(lǐng)域也得到廣泛關(guān)注。

本文研究的多軸特種車輛采用串聯(lián)式混合動力驅(qū)動技術(shù)，以柴油發(fā)動機為動力源，每根車橋布置中央驅(qū)動電機及散熱風(fēng)扇，實現(xiàn)車輛的多電機分布式驅(qū)動。車橋處電機散熱風(fēng)扇的布置和氣流利用效果將對整車散熱能力產(chǎn)生重要影響，在車輛方案設(shè)計階段就需要掌握驅(qū)動橋位置的外流場分布特征，以便合理利用并優(yōu)化整車空氣動力學(xué)特性，為整車散熱系統(tǒng)布置提供支撐。

因此，本文針對某混合動力多軸特種車輛展開外流場特性分析和優(yōu)化，建立了整車外流場仿真計算模型，采用CFD方法對整車外流場進行計算分析。根據(jù)分析結(jié)果，對車輛整體外廓和局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，并將優(yōu)化前、后整車的空氣動力學(xué)特性參數(shù)進行對比分析。特別關(guān)注了車橋電機散熱風(fēng)扇處的外流場特性，獲得了相應(yīng)的流速和流向等數(shù)據(jù)。

2 整車外流場特性分析

2.1 整車外流場仿真模型建立

多軸特種車整車幾何模型包含駕駛室、車架、車橋、輪胎、上裝艙體、電池、電機、工具箱等結(jié)構(gòu)。將整車幾何模型導(dǎo)入到Star CCM+軟件中進行處理。圖1為建立的整車包面及網(wǎng)格模型。

圖1 整車包面及網(wǎng)格模型

整車外流場仿真的風(fēng)道模型的尺寸設(shè)置需要滿足阻塞比小于5%，以便獲得可信的計算結(jié)果。設(shè)置仿真風(fēng)道截面是5倍車高和6倍車寬，在車體前部設(shè)置預(yù)留了3倍車長空間，車體后部預(yù)留了8倍車長空間，計算得到所建立的仿真模型的阻塞比為1.23%，小于標(biāo)準(zhǔn)要求的5%，能夠滿足計算精度要求。

整體風(fēng)道模型的尺寸及邊界條件設(shè)置如圖2所示，將車體前方邊界設(shè)置為速度進口，車輛后方的邊界設(shè)置為壓力出口，車輛前方的上下左右四個壁面設(shè)置為無摩擦的滑移壁面，車輛后方設(shè)置為無滑移壁面，整車外表面設(shè)置為無滑移摩擦壁面，以模擬車身與氣流之間的摩擦關(guān)系。

圖2 （a）風(fēng)道模型邊界尺寸和（b）流場邊界條件設(shè)置

在流場仿真時，CFD計算結(jié)果會對模型網(wǎng)格尺寸產(chǎn)生依賴，合理的網(wǎng)格設(shè)置可以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟性。本文在正式計算前，首先進行了網(wǎng)格獨立性分析。選取車體的風(fēng)阻系數(shù)作為網(wǎng)格獨立性的評價對象，設(shè)置不同的單元尺寸得到不同規(guī)模的網(wǎng)格模型。計算得到風(fēng)阻系數(shù)與單元規(guī)模對應(yīng)關(guān)系曲線，如圖3所示。隨著單元尺寸減小，網(wǎng)格規(guī)模隨之急劇增大，風(fēng)阻系數(shù)的計算值逐步減小。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過一千萬后，計算結(jié)果趨于穩(wěn)定。為了節(jié)約計算時間與存儲空間，選擇網(wǎng)格規(guī)模在一千萬左右的模型，最大單元尺寸設(shè)置為0.05 m。

圖3 網(wǎng)格獨立性計算結(jié)果

2.2 整車外流場計算、分析

選取60 km/h和108 km/h兩個速度工況進行分析，求解流場的物理模型條件分別設(shè)置為三維、穩(wěn)態(tài)、分離流、梯度、恒密度、湍流、K-湍流模型、精確壁面距離和單元質(zhì)量校正。

整車空氣動力學(xué)特性計算結(jié)果如圖4a和圖4b所示，在駕駛艙前端部分出現(xiàn)集中的紅色正壓區(qū)域，且該正壓區(qū)域在進氣格柵附近，對動力電池系統(tǒng)的散熱有重要的影響。因此，可以對汽車的進氣格柵結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。另外，駕駛室與貨箱之間有間隙，貨箱上緣拐角尖銳，有較大的壓力集中，增大了整車的行駛阻力，需要對駕駛室與貨艙連接部分進行造型優(yōu)化，以降低行駛阻力。

圖4c和圖4d展示了在速度為60 km/h與108 km/h工況下的縱截面氣流速度矢量場，二者的流場分布規(guī)律相同。在底盤下部區(qū)域，每組車軸的驅(qū)動橋區(qū)域存在大量湍流，這些湍流能帶走車輪與驅(qū)動橋的熱量，提高其散熱效果，故在設(shè)計車橋的冷卻系統(tǒng)時，應(yīng)充分與該區(qū)域的氣流特性結(jié)合起來。

3 整車的造型優(yōu)化設(shè)計

大量的氣流從進氣格柵進入車體內(nèi)部，充足的氣流有利于動力、傳動系統(tǒng)的散熱，但氣流過大會使整車內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的流動狀態(tài)，因此需要對進氣格柵與流場影響的關(guān)系進行定量分析。圖5為進氣格柵初始形貌，在保證進氣格柵幾何形狀的條件下，對其高度進行擴大，增大量從100 mm至200 mm，步長為10 mm。

整車表面的氣體壓力分布情況表明，由于整車的平板型迎風(fēng)幾何特征導(dǎo)致整車前端是壓力集中區(qū)域。因此，在底盤前端合理設(shè)計擋風(fēng)板，從駕駛室底部延伸到蹬車梯附近，將氣流更好地導(dǎo)向底盤下部區(qū)域，從而降低駕駛室底部的氣動阻力與氣動噪聲，提高車輛的行駛穩(wěn)定性。具體位置如圖6a所示。

圖5 對進氣格柵的改動

由圖4分析知貨艙前端存在正壓區(qū)域，該區(qū)域的氣流將在駕駛艙與貨艙之間的區(qū)域形成湍流，降低了汽車行駛穩(wěn)定性。如圖6b所示，通過整流罩的合理設(shè)計，圓滑連接駕駛室與后方的貨艙上緣，優(yōu)化駕駛艙的氣流導(dǎo)向作用。

4 結(jié)果對比及分析

4.1 動力學(xué)特性對比

對整車造型優(yōu)化前、后的空氣動力學(xué)特性進行定量比較，選取速度為60 km/h與108 km/h的工況下的風(fēng)阻系數(shù)、升力系數(shù)作為研究對象。如圖7a所示，原車在60 km/h和108km/h時風(fēng)阻系數(shù)均為0.687；整車造型優(yōu)化后，風(fēng)阻系數(shù)在60 km/h時降低為0.643，在108 km/h時降低為0.642，風(fēng)阻系數(shù)降低約6.4%。計算結(jié)果表明整車的造型優(yōu)化使得流場特性得到了改善，整車的風(fēng)阻系數(shù)降低，提高了車輛的燃油經(jīng)濟性。

圖7b是升力系數(shù)變化情況，在60 km/h時原車的升力系數(shù)為0.107，在優(yōu)化后升力系數(shù)提高到了0.151；在108 km/h時原車的升力系數(shù)為0.103，而優(yōu)化后升力系數(shù)提高到了0.149；結(jié)果表明造型優(yōu)化后整車的升力系數(shù)增大，增長幅度約50 %，對于重載車輛而言，升力增大意味著降低了車輛行駛時的負(fù)載[4]。

圖7 （a）風(fēng)阻系數(shù)及（b）升力系數(shù)變化情況

圖8為整車風(fēng)阻系數(shù)隨進氣格柵高度變化的趨勢圖，可以看出，進氣格柵改動對風(fēng)阻系數(shù)和升力系數(shù)的影響十分明顯，合理的柵格設(shè)計能有效提升整車的流場特性。

圖8 風(fēng)阻系數(shù)隨隨進氣格柵改動量變化趨勢

4.2 車橋處流場對比

圖9 整車造型優(yōu)化前、后縱截面的空氣流速矢量場

圖9是優(yōu)化前、后整車的縱截面空氣速度矢量場。優(yōu)化前的仿真結(jié)果如圖9a所示，中央通道區(qū)域的流場湍流狀態(tài)復(fù)雜，第一和第二車橋處的氣流主要來自從進氣格柵進來的分支氣流；第三至第五車橋的散熱主要依靠從底盤擠上來的氣流。優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖9b所示，中央通道區(qū)域的流場趨于穩(wěn)定，底盤下部的氣流入口和各車橋區(qū)域為湍流狀態(tài)，且各車橋處用于散熱的氣流主要由底盤下方擠流而來，有利于底盤各部件的散熱[5-6]。

對各車橋處的空氣流速進行定量分析，選取每個車橋軸心前300 mm處作為基準(zhǔn)點，此處約為散熱風(fēng)扇布置位置。選取了如圖10a所示共5個基準(zhǔn)點。流速對比曲線如圖10b所示，結(jié)果顯示優(yōu)化后2-5橋車橋處的空氣流速顯著增加，有利于提高電機的散熱效率。

圖10 各車橋處的空氣流速矢量圖

4.3 車橋處風(fēng)扇朝向布置

圖11 第一車橋位置的流場矢量圖

車橋處的風(fēng)扇是整車散熱系統(tǒng)的重要組成部分，風(fēng)扇的朝向應(yīng)與車橋處空氣流動的方向保持一致。以第一車橋為例，在60 km/h速度下，截取一橋中心位置的截面矢量場（圖11a），車橋橫向截面處的速度矢量圖如圖11b所示。可知此處的空氣流動朝向車輛上方，因此第一車橋處的風(fēng)扇需朝上布置。采用此方式，可對整車其他車橋的風(fēng)扇朝向布置方案提供支撐。

5 總結(jié)與展望

本文借助CFD方法，展開了混合動力多軸特種車整車外流場特性分析及優(yōu)化。通過網(wǎng)格獨立性分析確認(rèn)了合理的網(wǎng)格規(guī)模，實現(xiàn)了計算準(zhǔn)確性和經(jīng)濟性的統(tǒng)一。通過分析計算結(jié)果，提出在駕駛室進氣格柵、駕駛室與貨艙的連接位置及駕駛室底板三個位置進行改進設(shè)計。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，新結(jié)構(gòu)的風(fēng)阻系數(shù)降低了6.4%，第2-5車橋處的流場流速得到提升?；谡囃饬鲌鲇嬎悖€著重分析了車橋電機處散熱風(fēng)扇的朝向布置方案，結(jié)合矢量場和散熱需求，確定了每個車橋散熱風(fēng)扇的朝向，為混合動力散熱系統(tǒng)方案布置提供了技術(shù)支撐。

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Aerodynamic Characteristics Analysis and Improved Design of a Multi-axis Hybrid Special Vehicle*

Lei Min1, Wei Shuo2, Li Chao2, Yan Huidong2, Zhang Qing1*

( 1.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083;2.Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing 100076 )

A simulation model of the external flow field of a multi-axis hybrid special vehicle is established, and the characteristics of the external flow field of the vehicle are analyzed using the method of computational fluid dynamics. According to the analysis results, the three parts of the cab air intake grille, the upper connection between the cab and the cargo box, and the lower air intake of the cab are optimized. In the optimization design process, special attention is paid to improving the heat dissipation effect of the distributed drive motors of each axle, and the orientation of the motor fan at the axle is determined according to the local external flow field characteristics. The results show that the optimized wind resistance coefficient is reduced by 6.4%, and each axle can be cooled well by the airflow branch at the bottom of the chassis to ensure that the heat dissipation requirements of the drive motor are met.

Hybrid electric vehicle; Multi axle special vehicle; Computational fluid dynamics; Wind resistance coefficient; Optimization design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.017

U273

A

1671-7988(2021)02-51-05

U273

A

1671-7988(2021)02-51-05

雷敏（1997-），女，廣西桂林人，碩士研究生，主要研究方向為車輛空氣動力學(xué)設(shè)計及分析。

張慶（1986-），山東棗莊人，博士，副教授，主要研究方向為新能源車輛設(shè)計及動力匹配，車輛CAE技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金（51605021）。