Компания Applus IDIADA

Применяя решение Simcenter STAR-CCM+, разработчик автомобильных технологий смог обеспечить 400-километровый запас хода компактному кроссоверу с электроприводом.

Боязнь разряженного аккумулятора

Речь идет о боязни оказаться с полностью севшим аккумулятором электромобиля в сотне километров от ближайшей станции зарядки. Несмотря на новые термины, подобная ситуация давно известна.

Такая же боязнь существовала и у первых автолюбителей в начале XX века, когда сети заправочных станций еще не существовало и, отправляясь в путь, приходилось запасаться канистрами с топливом. Сегодня в среднем человек проезжает всего 65 км в день. Однако, как показало недавнее исследование журнала Forbes, две трети потенциальных владельцев электромобилей хотят иметь запас хода не менее 500 км при движении по шоссе.

Кроссовер CRONUZ на Женевском автосалоне (GIMS) 2018 года

Запас хода становится решающим фактором при покупке электромобиля. Еще одно исследование, проведенное компанией «Тесла», показало, что улучшение аэродинамических характеристик на 10% приводит к росту запаса хода электромобиля на 5...8%. Аэродинамика особенно важна в загородных поездках. На скоростях свыше 130 км/ч около 80% мощности двигателя тратится на преодоление аэродинамического сопротивления. Очевидно, чем лучше аэродинамика, тем больше запас хода.

Электропривод и малое число подвижных частей позволяют оснащать электромобили плоским днищем и сплошной передней панелью без решетки радиатора, что дает заметное преимущество с точки зрения аэродинамики. У двигателя внутреннего сгорания большинство потерь происходит в самом двигателе и трансмиссии, а вот у электромобилей большая часть потерь приходится именно на аэродинамическое сопротивление. Поэтому вопросы аэродинамики для электротранспорта важны вдвойне.

Линии тока и завихрения вокруг кузова кроссовера CRONUZ (по результатам расчетов в Simcenter STAR-CCM+)

Требуется постоянно создавать инновации, сокращая коэффициент аэродинамического сопротивления (Cx), выражающий степень эффективности аэродинамики автомобиля. Современные модели автомобилей с наилучшей аэродинамикой — Tesla Model S, Mercedes CLA, BMW 5­й серии и Audi A4 — имеют значения Cх в диапазоне от 0,22 до 0,24 (в зависимости от типа двигателя и особенностей конструкции).

Можно ли без ухудшения внешнего вида и функциональности создать электромобиль с коэффициентом аэродинамического сопротивления менее 0,2? Applus IDIADA — мировой лидер в оказании услуг проектирования, испытаний и сертификации для автомобильной промышленности. Чтобы решить поставленную задачу, компания применяет систему Simcenter STAR­CCM+™ от Siemens.

«Насколько нам известно, это первый представленный концепт электрического кроссовера с величиной Cx менее 0,2», — заявляет Энрик Арамбуру (Enric Aramburu), руководитель по гидрогазодинамическим расчетам в компании Applus IDIADA.

Преодоление барьера Cx=0,2 при помощи Simcenter STAR­CCM+

В 2018 году на Женевском автосалоне компания Applus IDIADA представила проект компактного электрического кроссовера CRONUZ с коэффициентом Cx, равным 0,19.

Конструкция стала результатом отлично организованной совместной работы дизайнеров и специалистов по аэродинамике. Сначала дизайнеры создали привлекательные формы кузова с учетом особенностей конструкции электромобиля. Получился минималистичный, аэродинамически оптимальный дизайн кузова кроссовера.

Для анализа аэродинамических характеристик автомобиля с помощью методов численного моделирования специалистами по аэродинамике была использована виртуальная аэродинамическая труба, созданная в системе Simcenter Star­CCM+. Simcenter STAR­CCM+ представляет собой ведущий инструмент вычислительной гидрогазодинамики, входящий в портфолио решений Simcenter™.

Инженеры и дизайнеры компании Applus IDIADA работают над проектом CRONUZ

«Работать с Simcenter STAR­CCM+ очень просто, — отмечает г­н Арамбуру, руководитель отдела по гидрогазодинамическим расчетам, который уже 15 лет трудится в Applus IDIADA и все это время использует данную систему. — Это мощная система с широкими возможностями для автоматизации. Поэтому мы активно используем Simcenter STAR­CCM+ с момента выхода самой первой версии 12 лет назад».

За полгода компания Applus IDIADA провела расчеты более 600 вариантов конструкции, постепенно реализуя все новые способы снижения сопротивления воздуха. В итоге удалось получить оптимальный вариант обтекаемого кузова при сохранении основного замысла конструктора. Благодаря численному моделированию в Simcenter STAR­CCM+, нам удалось добиться коэффициента сопротивления на открытом воздухе (без модели аэродинамической трубы и в установившемся режиме обтекания), равного 0,17. Испытания в реальной аэродинамической трубе показали значение Cx, равное 0,19, что подтвердило правильность выбранного подхода «численное моделирование — инновации — испытания», а также достижение концептом электромобиля CRONUZ рекордного аэродинамического качества.

Для сравнения: первый вариант конструкции автомобиля CRONUZ имел Cx, равный 0,27. Численное моделирование позволило выявить места, требовавшие улучшения.

Энрик Арамбуру добавляет: «По результатам расчета в Simcenter STAR­CCM+ мы еще до изготовления опытного образца знали, что сможем достичь рекордно низкого сопротивления».

Численное моделирование открывает путь к инновациям в аэродинамике

Две инновационные особенности электромобиля CRONUZ, влияющие на снижение аэродинамического сопротивления, — это применение активных систем и оптимизация конструкции колесных арок и днища.

Аэродинамические характеристики автомобиля всегда были классическим примером компромисса между требованиями аэродинамики и стилистики, между техникой и эстетикой. Под активными аэродинамическими системами понимаются детали автомобиля, которые перемещаются, улучшая течение воздушного потока вокруг кузова. Впервые такие системы появились на гоночных автомобилях «Формулы­1», сразу же были запрещены, а теперь появляются снова. Активная аэродинамика — это настоящая революция, позволяющая существенно снизить расход топлива и повысить прижимную силу автомобиля. Подобные системы гарантируют достижение оптимальной аэродинамики в любых условиях движения: в экономичном режиме снижается сопротивление воздуха, а в спортивном — усиливается прижимная сила. При этом сохраняются замыслы и конструктора, и дизайнера.

Электромобиль CRONUZ оснащен активным передним обтекателем и нижней балкой кузова. Они убираются при парковке и на малых скоростях. На высоких скоростях или по команде водителя активные системы включаются, изменяя характер обтекания автомобиля воздухом (а фактически — форму кузова) так, чтобы автомобиль надежно прижимался к дороге, а турбулентность в колесных арках, вносящая один из наибольших вкладов в экономичное сопротивление, стала минимальной.

40% аэродинамических потерь приходится на колесные арки и днище, что оставляет много возможностей для оптимизации. Оптимизированная конструкция колесных дисков, уменьшаемый дорожный просвет (на скорости свыше 130 км/ч) и практически полностью закрытые снизу колесные арки минимизируют турбулентность и гарантируют отсутствие отрывов потока по всей длине кузова, что существенно снижает сопротивление воздуха.

Расчеты установившихся режимов в Simcenter STAR­CCM+ показали, что активные системы уменьшают сопротивление на 20 единиц (одна единица соответствует 0,001 Cx). Даже с учетом влияния креплений автомобиля в аэродинамической трубе и нестабильности потока (эти факторы не принимались во внимание в расчетах) подтверждается заметное снижение аэродинамического сопротивления благодаря установке активных систем. Натурные испытания в аэродинамической трубе показали снижение сопротивления на 14 единиц.

Чтобы найти оптимальную комбинацию, в Simcenter STAR­CCM+ было рассмотрено множество вариантов конструкций активных систем, колесных дисков и нижних обтекателей колесных арок. Внесенные в конструкцию улучшения позволили сократить сопротивление на 55 пунктов еще до изготовления единственного опытного образца.

Самый аэродинамически совершенный концепт электромобиля

Электрические кроссоверы отличаются характерным внешним видом — они имеют кузов типа «хэтчбек», причем более высокий, чем у седанов и купе. Это увеличивает сопротивление воздуха и затрудняет оптимизацию аэродинамики. 2019 год вполне может стать годом электрических кроссоверов: на рынок должны выйти целых девять моделей. Поэтому инновации в области аэродинамики становятся критически важными. Проект CRONUZ — этот долгожданный прорыв в аэродинамике, обеспечивающий снижение сопротивления воздуха у автомобилей данного класса.

Проект разрабатывался с нуля, и всего за 18 месяцев совместной работы инженеров в Китае и Испании удалось достичь рекордно низкого в своем классе сопротивления воздуха. Для компании Applus IDIADA новый концепт­кар стал платформой для освоения методики оптимизации аэродинамики. Объем аккумулятора электромобиля составляет 200 л, а масса — 1500 кг. Четырехместный кроссовер С­класса оснащен двумя электродвигателями и имеет запас хода в 400 км.

При этом CRONUZ выглядит не как концепт­кар, а как серийный автомобиль. Этому есть объяснение. Целью компании Applus IDIADA была разработка инновационных систем снижения аэродинамического сопротивления, пригодных для установки на серийные кроссоверы. В проекте создания CRONUZ была поставлена задача достичь обтекаемой и привлекательной формы, а также высокой функциональности автомобиля.

Применение численного моделирования для оптимизации конструкции стало главным фактором достижения идеальной гармонии между дизайном и аэродинамикой.

Используя только расчеты в установившихся режимах, которые отлично согласовывались с результатами испытаний в аэродинамической трубе, инженеры быстро нашли вариант с рекордно низким значением Cx — менее 0,2.

«Я не могу даже представить, как мы смогли бы реализовать подобный проект без Simcenter STAR­CCM+, — отмечает г­н Арамбуру. — Создав цифровой двойник, мы смогли рассчитать различные варианты конструкции уже на ранних этапах разработки. Численное моделирование — это ключ к инновациям».

Созданные в рамках проекта CRONUZ аэродинамические инновации окажутся полезными и крупным автопроизводителям, и небольшим стартапам в решении задач по снижению сопротивления воздуха и увеличению запаса хода. Оснащенные активными системами автомобили с изменяемой геометрией кузова — это будущее автомобильной аэродинамики.