太阳能汽车气动性能及动力性能分析

太阳能汽车气动性能及动力性能分析
作者：刘学智等
来源：《价值工程》2012年第28期
摘要：太阳能汽车被誉为“未来的汽车”，太阳能汽车具有无污染、低噪声、省材等优点，因此设计具有良好造型和动力性能的太阳能汽车成为重点研究方向之一。

利用Inventor建立造型良好的太阳能汽车模型，利用CFD软件Fluent对其进行流场分析，计算出汽车以一定速度运行时所需功率，最后确定所需的太阳能电池板的型号和数量。

Abstract： The Solar car is known as "the future car"， because it has the advantage of no pollution， low noise and saving materials etc. Therefore， it is very important to design a car with good dynamic performance. This paper establishes a model of solar car by using Inventor. Based on the Computational Fluid Dynamics method， the flow field distribution of the car is studied. And the number and type of the battery according to the calculated power is decided at last.
关键词：太阳能汽车；流场分析；动力性
Key words： Solar car；flow analysis；dynamic performance
中图分类号：U469.72+1 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）28—0030—03
0 引言
近年来，汽车产业快速发展，随之而来的是能源紧缺、环境污染等现象。

人们对汽车的经济环保性能提出了更高的要求，因此研究低能耗的新型汽车迫在眉睫。

太阳能资源丰富，设计性能良好的太阳能汽车，将有效降低环境污染，创造良好的生存环境[1]。

1 太阳能汽车造型
汽车空气动力特性是汽车的重要特性之一，它直接影响汽车的燃油经济性、动力学、舒适性、安全性和操作稳定性。

要保证良好的气动性能，汽车必须具备良好的流线造型[2]，下面就通过Inventor软件来进行太阳能汽车的建模。

1.1 车头、车尾形状气动学设计车身头部流线型对汽车气动性能具有重要影响，将车头的前端倾斜或者圆角化都有助于减少气动阻力。

此外，将车头流线化，并尽量减小车头前部的正面投影面积，可减小气动阻力系数。

汽车的尾部漩涡是形成空气阻力的主要原因，文中采用快背式车尾，来自顶盖前端的气流与侧面气流混合，流向车身尾部，这股气流会在后柱附近开始分离，在后窗处出现一对涡流[3]。

1.2 车身侧面倾角气动学设计车身的侧面倾角a直接影响汽车的迎风面积和车身的界面形状，从而影响车身的风阻系数。

随a的增大，汽车的迎风面积会减小，风阻系数会降低，但a 过大时，会导致车身内部空间过小而不利于车身的布置。

因此，选择侧面倾角a时要同时考虑气动性能和空间要求。

1.3 发动机罩与前风窗的气动学设计发动机罩和挡风玻璃的曲面过渡要尽量圆滑。

气流从发动机罩向上流向挡风玻璃，因为挡风玻璃的倾斜度远大于发动机罩，气流的方向会发生急剧改变，从而流速降低，产生巨大的空气阻力。

如果挡风玻璃和发动机罩之间平滑过渡，就能大大降低汽车受到的空气阻力[4]。

文中汽车模型前风窗与垂直面的夹角约为40°，具备较小的阻力系数，同时驾驶员的视觉效果也较好。

1.4 顶盖、底部外形的气动学设计在车身设计时，要尽量采用平滑的顶盖，顶盖边缘过渡要圆滑，尽量减少表面涡流的产生，文中将顶盖设计成向外凸出的外形，有利于气流更好的通过车顶。

汽车底部通常凹凸不平，在行驶时会形成复杂而混乱的漩涡，增大了汽车的行驶阻力。

若太阳能汽车底部采用平板设计，气流就会非常顺畅的通过。

除了考虑底部平整度外，还要考虑离地间隙的大小，文中设计的太阳能汽车离地间隙为300mm。

图1为利用Inventor创建的太阳能汽车模型，具体尺寸为：长L=4800mm，宽
W=2200mm，高H=1000mm。

2 太阳能汽车流体分析
2.1 前处理及网格划分忽略刮雨器、进气栅等装置，车身底部设置成简单的平板形状。

计算域的取法为：汽车前部取3L=14400mm，侧面取4W=8800mm，上部取4H=4000mm，汽车后部取6L=28800mm。

绘制网格时，车身表面及其附近是关键区域，设置 interval size=5，绘制出比较细密的网格。

而对于离车身较远的外围场，设置interval size=20，绘制比较稀疏的网格，最后对整个体用自动划分的方式进行网格划分，最终所划网格见图2。

2.2 边界条件设定及离散入口边界条件设为速度入口；出口边界条件设为压力出口；车身上下表面均为固定壁面条件，其它条件默认。

因设计的太阳能汽车车速比较低，可以认为气流是不可压缩流动，湍流模型选择RNG k—ε模型，采用SIMPLE算法求解压力—速度耦合，离散格式采用二阶迎风格式[6]，残差值设定为0.00001。

2.3 仿真结果分析
2.3.1 车身外流场速度矢量图图3为车身中轴对称面速度矢量分布图，从图中可以看出：气流首先流到车身头部，气流受到阻碍，形成一个比较大的阻滞区。

一部分气流绕过车头，向车顶方向流去，而另一部分则直接向车尾流去。

气流在流经发动机罩和前挡风玻璃时比较顺畅，当气流到达顶盖时，气流开始出现分离，一部分气流直接向后流去，另一部分气流则沿着车身后风窗玻璃流向车尾，并与来自侧面的气流混合，一起流向车尾，遇到车身底部的气流，形成涡流。

从仿真结果可以看出，汽车尾部的涡流区域并不大，从而证明所设计模型气动造型较好。

2.3.2 车身表面压力分布图图4为车身表面压力分布图，从图中可以发现，车头前部以及发动机罩、前风窗区域均为正压力区，这是因为气流经过车头时，受到很大阻碍，对车身表面产生冲击，形成正压区。

气流经过车顶流向后风窗时，产生分离，致使该区域为负压区。

而从后风窗区域及侧面流过来的气流混合后，一起流向车尾，与车底流出的气流混合在一起形成漩涡，并冲击车身尾部，致使车尾出现小部分的正压区域。

2.3.3 车身尾部气流分析图5是车身尾部和车身后200mm处的纵截面速度矢量图，图a是车尾的纵截面图，尾部气流比较紊乱，有两个逆向的漩涡，一个为顺时针，另外一个为逆时针；往后到200mm处时，气流的涡旋已比较规则。

3 太阳能动力系统匹配
3.1 太阳能电池太阳能电池又称太阳能晶片或光电池，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。

当有光照射在太阳能电池表面上时，便可在瞬间输出电压及电流。

汽车顶部安装太阳能电池板，可有效利用太阳能为汽车电气负载供电或为蓄电池充电。

设计良好的太阳能汽车，可以直接利用电池板收集的太阳能驱动汽车行驶，而不需其他外加能源。

3.2 太阳能电池板选取及发电功率计算假设发动机发出的功率为Pe，传动系的效率为ηt，则：
Pe=■（mgf+■）V
式中：Pe：发动机正常行驶时额定功率；ηt：传动效率，分析当前车辆传动效率，取值0.95；V：汽车行驶速度，取值60km/h；A：汽车的正面投影面积，由Inventor直接计算获得A=2.2m2；CD：风阻系数，利用Fluent仿真分析中求得CD=0.128；m：汽车重量，太阳能汽车的车身及大部分车体部位采用碳纤维材料，m约为100KG。

当携带一名60KG的司机时，汽车的总重m=160KG；f：滚动阻力系数，设定路面为一般的沥青路面，取f=0.018；因此，所需发动机功率Pe=1.34KW。

通过对常用太阳能电池板的分析研究，选用海纳通SW—280W—P多晶硅太阳能电池板，其功率p=280w，规格参数：1955×988×3.2mm，由汽车尺寸可估算车身实际可覆盖太阳能电池板面积约为S=10.16m2。

因此，车身表面太阳能电池可提供功率：
Pm=■×280=1.48KW
因此文中设计的太阳能汽车能够保证车辆以60km/h的速度在平坦路面上行驶，其动力性能良好。

4 结论
文中对于通过对太阳能汽车进行造型及动力匹配，得出了以下结论：
①基于空气动力学理论，利用Inventor软件建立了太阳能汽车的模型。

②利用Gambit软件划分网格，并在Fluent中对汽车的气动性能进行了仿真分析，研究了太阳能汽车的速度场、压力场、尾部气流等的分布情况。

③计算一定速度运行时所需要的功率，确定太阳能电池板的型号及数量。

但因太阳能收集效率低、能量储存困难，制造成本高，从而实用型太阳能汽车还较少。

将来，随着科技的发展，太阳能汽车将会取得更大的发展。

参考文献：
[1]冯逸，陈礼璠，杜爱民.太阳能汽车发展现状及其实用化对策研究[J].上海汽车，2006，（12）.
[2]傅立敏.汽车空气动力学[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3]孔斌.基于空气动力学的车身造型设计[D].武汉：武汉理工大学，2008.
[4]孙自强.基于空气动力学的车身造型设计研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2006.
[5]M. Hammad， T. Khatib. Energy parameters of a solar car for Jordan[J]. Energy conversion and management， 1996， 37（12）。