不同造型風(fēng)格的車身低阻基本形體

韋甘+楊志剛+李啟良

作者簡(jiǎn)介： 韋甘(1987—)，女，廣西昭平人，博士研究生，研究方向?yàn)槠嚳諝鈩?dòng)力學(xué)，(Email)weigan87@163.com;

楊志剛(1961—)，男，遼寧鞍山人，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)檐囕v工程及空氣動(dòng)力學(xué)，(Email)zhigangyang@#edu.cn0引言

自1983年開始，汽車空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)入汽車造型的整體優(yōu)化階段.汽車整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法從低阻基本形體出發(fā)，逐步形成具有較低阻力系數(shù)的實(shí)車.［1］最初作為原型的低阻基本形體與實(shí)車越接近，優(yōu)化效率和優(yōu)化質(zhì)量越高.現(xiàn)代市場(chǎng)對(duì)汽車造型的需求是多元化的，為同時(shí)滿足氣動(dòng)性能和造型需求，不同車型需要建立相應(yīng)的不同造型風(fēng)格的低阻基本形體.

過去對(duì)低阻基本形體的研究主要依賴于風(fēng)洞試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí).風(fēng)洞試驗(yàn)的試驗(yàn)次數(shù)嚴(yán)重受限，但剩余優(yōu)化空間較大.雖然可利用來自航空領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)或已知的“半車身”“旋轉(zhuǎn)體”等理論設(shè)計(jì)出氣動(dòng)阻力極低的形體［24］，但同種方法設(shè)計(jì)出的低阻基本形體的造型風(fēng)格較相似.為滿足具有不同造型風(fēng)格的低阻車身外形需要，僅僅利用少量的風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行嘗試和推斷是不夠的.

隨著CFD和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，遺傳算法等適用于非線性問題的全局優(yōu)化方法與CFD結(jié)合，并在翼型氣動(dòng)優(yōu)化問題上獲得顯著效果.［57］本文將其運(yùn)用于求解不同造型風(fēng)格的車身低阻基本形體，得到的不同造型風(fēng)格的低阻基本形體是對(duì)未來車身的探索，既可以作為車身整體優(yōu)化過程中的原型，又可為汽車造型設(shè)計(jì)師提供更豐富的低阻車形選擇.

1車身建模和優(yōu)化方法

1.1車身參數(shù)化建模方法

車身3個(gè)方向的視圖見圖1.用參數(shù)控制曲線關(guān)鍵點(diǎn)（圖中圓圈）的位置和部分曲線的端點(diǎn)斜率，用直線和保凸曲線構(gòu)成車身的側(cè)視圖、俯視圖和橫截面，結(jié)合半車身［1］和翼型彎度線［3］的概念實(shí)現(xiàn)三維車身形體的構(gòu)建.其中，橫截面最寬點(diǎn)的高度由側(cè)視圖的上下車身線決定，寬度由俯視圖決定，Ｌ為整車長(zhǎng)度.

（a）側(cè)視圖

（b）俯視圖(c)橫截面圖 1車身3個(gè)方向的視圖

Fig.1Automobile body views in three directions

1.24種車型的約束條件

整車尺寸設(shè)置為A級(jí)轎車類別范圍，設(shè)整車尺寸中的車長(zhǎng)、車寬和離地間隙為固定值.A車型側(cè)視圖見圖1(a)，用12個(gè)參數(shù)控制9個(gè)控制點(diǎn)，長(zhǎng)高比取現(xiàn)有車身常用的3.0［1］；車尾高度變化范圍較大，囊括高尾造型和低尾造型.B車型是在A車型的基礎(chǔ)上縮小車尾高度變化范圍得到的高尾車型；B車型的車尾上端點(diǎn)（圖1(a)中的控制點(diǎn)5）的最低位置設(shè)為車高的一半，其他參數(shù)的變化范圍均與A車型相同.C車型是在A車型的基礎(chǔ)上將長(zhǎng)高比變?yōu)?.8，即在固定車身長(zhǎng)度的前提下增加車身高度.D車型在A車型的基礎(chǔ)上把側(cè)視圖中的控制點(diǎn)8從外凸點(diǎn)改為內(nèi)凹點(diǎn)，并在控制點(diǎn)8的左右兩側(cè)添加2個(gè)過渡控制點(diǎn)，即D車型的側(cè)視圖用18個(gè)參數(shù)控制11個(gè)控制點(diǎn).

1.3優(yōu)化方法

對(duì)比不同參數(shù)組合的二維車身1~5以及與其對(duì)應(yīng)的三維車身S1~S5的氣動(dòng)性能，部分算例的中截面的壁面剪切應(yīng)力分布見圖2(a)，二維和三維車身的氣動(dòng)阻力因數(shù)CD見圖2(b).從圖2可以看出，二維車身與三維車身中截面的外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)近似，前者可以大致反映氣流分離和再附著等主要流動(dòng)特征，并能預(yù)測(cè)后者的CD的總體變化趨勢(shì)，可以作為三維車身氣動(dòng)性能的簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)，且二維車身外流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算時(shí)間較短，利于配合遺傳算法進(jìn)行全局優(yōu)化.本文選擇側(cè)視圖參數(shù)作為優(yōu)化參數(shù)，對(duì)二維車身進(jìn)行全局尋優(yōu)，得到的優(yōu)化結(jié)果作為三維低阻基本形體的側(cè)視圖.

(a)中截面的壁面剪切應(yīng)力

（b）氣動(dòng)阻力因數(shù)

圖2二維車身和三維車身的氣動(dòng)性能

Fig.2Aerodynamic performance of 2D and

3D bodies

根據(jù)CFD計(jì)算量大的特點(diǎn)，將試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與遺傳算法相結(jié)合作為全局優(yōu)化的方法.用MATLAB軟件配合Gambit和TGrid軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格自動(dòng)化生成，用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算.來流速度設(shè)為30 m/s，模型選用可實(shí)現(xiàn)kε模型.單個(gè)二維算例約有20萬個(gè)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，單個(gè)三維算例約有2 000萬個(gè)混合網(wǎng)格.

24種車型的低阻基本形體

2.1優(yōu)化結(jié)果

通過優(yōu)化得到A，B，C和D等4種車型的側(cè)視圖見圖3(a).根據(jù)乘員舒適性、車身布置等空間限制，選取一組既能保證車身布置空間又能盡量減小CD的俯視圖與橫截面圖的參數(shù)組合（外形見圖1(b)和（c）），結(jié)合側(cè)視圖優(yōu)化結(jié)果和俯視圖、橫截面圖，得到4種不同車型低阻基本形體，見圖3(b).

（ａ）側(cè)視圖優(yōu)化結(jié)果

（ｂ）三維低阻基本形體

圖 3低阻基本形體

Fig.3Low drag base bodies

低阻基本形體的氣動(dòng)性能見圖4，圖中Cp為壓差阻力因數(shù)，Cf為摩擦阻力因數(shù).由圖4可知4種低阻基本形體的CD均在0.087~0.100內(nèi)，Cp約占CD的65%，而普通車身則為85%［1］，比例明顯降低.優(yōu)化得到的結(jié)果具有氣流分離小、氣動(dòng)阻力因數(shù)小的特點(diǎn).

圖 4低阻基本形體的氣動(dòng)性能

Fig.4Aerodynamic performances of low drag base bodies

4種不同車型的優(yōu)化結(jié)果證明低阻基本形體的造型風(fēng)格具有多元化的特點(diǎn).尾部造型有高有低，頭部造型有凸有凹，長(zhǎng)高比也可以變化.這些不同車身造型風(fēng)格的低阻基本形體既可以滿足氣動(dòng)性能的要求，又可以滿足造型多元化的需求.

2.2風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證

選擇基本形體A′為試驗(yàn)對(duì)象，制作1∶12縮比模型在模型風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)，見圖5.模型風(fēng)洞為開口回流式，試驗(yàn)段寬1.185 m，高0.818 m.模型全長(zhǎng)0.350 m，底部用單根鋼支撐柱固定，阻塞比約為10%.測(cè)量?jī)x器使用5通道壓力采集系統(tǒng)的六分力天平，縱向精度為0.075%，縱向準(zhǔn)度為0.068%.在不同工況下，CD值的誤差約為3%~9%，不同測(cè)壓點(diǎn)的壓力因數(shù)分布的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本符合，驗(yàn)證本文數(shù)值方法的可靠性.

圖 5縮比模型的風(fēng)洞試驗(yàn)

Fig.5Wind tunnel test for scaled model

３低阻基本形體的對(duì)比分析

3.1高尾和低尾

如圖3(a)所示，通過優(yōu)化尾部高度優(yōu)化空間較大的A，C和D等3種車型得到的基本形體A′，C′和D′均為低長(zhǎng)尾造型.低且長(zhǎng)的尾部能夠盡量減少尾部氣流的分離，提高壓力回升的程度，減小車身的形阻因數(shù)，但低長(zhǎng)尾室內(nèi)可利用空間狹小，不能滿足傳統(tǒng)的車身布置需求，是許多低阻車型無法量產(chǎn)的重要原因.當(dāng)然，通過發(fā)動(dòng)機(jī)后置和乘員艙前移等方法也可以解決車身布置問題［1］，所以低長(zhǎng)尾車型依然是值得探索的低阻造型之一.

尾渦結(jié)構(gòu)見圖6，可知高尾車型和低尾車型的車身后端中央對(duì)稱面附近上下都有一對(duì)馬蹄渦，左右都有一對(duì)拖曳渦.但從馬蹄渦到拖曳渦之間，低尾車型的渦形狀不明顯，而B′的尾渦則保持明顯的上下兩排渦的形狀，且馬蹄渦的湍動(dòng)能較大.從車尾端向后，長(zhǎng)為0.5倍車長(zhǎng)、高為1倍車高、寬為1倍車寬空間內(nèi)的湍流耗散率見圖7，可知B′的車后湍流耗散率體積平均值約為其他3個(gè)車形的2倍，這說明高尾車型特殊的尾渦結(jié)構(gòu)使得車身的渦阻因數(shù)高于低尾車型.通過優(yōu)化，B車型尾部取自身優(yōu)化空間中的較低位置，但因?yàn)槠鋬?yōu)化空間受到約束，所以B′尾端約為低尾車型低阻基本形體的2倍高，高度與現(xiàn)有三廂轎車車型的尾部較接近.除尾部外，B′其他部位的造型也與A′有明顯區(qū)別.B′的車頂最高點(diǎn)和車底后翹前端點(diǎn)較A′明顯后移，靠近車長(zhǎng)的中間位置；車頭最前點(diǎn)較A′上移且端部尖窄，從控制點(diǎn)3到控制點(diǎn)4之間的過渡非常扁平，控制點(diǎn)3，8和4這3點(diǎn)幾乎連成一線.頭部氣流和尾部氣流聯(lián)系緊密，當(dāng)尾部造型導(dǎo)致尾部氣流發(fā)生顯著改變時(shí)，車身其他部位的造型也應(yīng)該隨著發(fā)生改變，這也證明不同約束條件的車型獨(dú)立優(yōu)化的必要性.

A′車型

圖 6尾渦結(jié)構(gòu)

Fig.6Structures of rear vortex

圖 7車后空間湍流耗散率體積平均值

Fig.7Turbulent dissipation rate of space behind body

由于尾部較高的原因，B′與A′相比不論是摩擦阻力因數(shù)、形阻因數(shù)還是渦阻因數(shù)都不可避免地偏大，但也能達(dá)到較好的氣動(dòng)性能.由圖4可以看出，B′的CD值與A′相比只增大約0.01，且Cp占CD的比例較低，僅為62%，說明優(yōu)化后得到的高尾車型低阻基本形體通過調(diào)整其他部位的造型，可盡量減少高尾對(duì)氣動(dòng)性能的影響，最大限度地挖掘自身車型的氣動(dòng)性能潛能.這種潛能涉及到三維流場(chǎng)的非線性變化規(guī)律，僅僅用定性的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)不能確定有具體約束條件的車身的最優(yōu)解，而用數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)合全局尋優(yōu)的方法可以發(fā)掘出不同車型的氣動(dòng)性能的最大潛能.

3.2長(zhǎng)高比

傳統(tǒng)認(rèn)為車的長(zhǎng)高比越大，車身越細(xì)長(zhǎng)，車身的CD值越低，而由圖4可知，C′的CD值與A′的CD值基本相同，說明長(zhǎng)高比小的車型也能得到氣動(dòng)性能同樣優(yōu)秀的低阻形體.

如圖3所示，C′與A′的尾部造型基本相同，但頭部差別較大.C′的最高點(diǎn)明顯前移，車底后翹更長(zhǎng).C′車頭上部比A′車型更飽滿突出；而A′車頭下部比C′的更飽滿突出.

不同長(zhǎng)高比車身的氣動(dòng)阻力因數(shù)見圖8.C′使用2.8長(zhǎng)高比時(shí)的CD值比使用3.0長(zhǎng)高比時(shí)小，而A′使用3.0長(zhǎng)高比時(shí)的CD值比使用2.8長(zhǎng)高比時(shí)小，說明不同長(zhǎng)高比的車型的氣動(dòng)變化規(guī)律不同，CD值變化趨勢(shì)不同.不同長(zhǎng)高比的車型應(yīng)獨(dú)立優(yōu)化，不應(yīng)直接套用已有的長(zhǎng)高比優(yōu)化案例.獨(dú)立優(yōu)化過程可以最大限度地挖掘當(dāng)前約束條件下的車型的氣動(dòng)性能潛能.

圖 8不同長(zhǎng)高比車身的氣動(dòng)阻力因數(shù)CD

Fig.8Aerodynamic drag factors CD of bodies with

different lengthheight ratios

3.3頭部形狀

D′因?yàn)轭^部的約束條件不同，造型風(fēng)格與A′有明顯差異，但它們的CD值均約為0.09.這反映出低阻基本形體造型風(fēng)格多元化的特點(diǎn).兩者的頭部從控制點(diǎn)3到控制點(diǎn)4的部分存在一定的相似度，例如從控制點(diǎn)3到控制點(diǎn)8的部分大致吻合，從控制點(diǎn)8到控制點(diǎn)4的部分的大致趨勢(shì)也相似.D′的頂部最高點(diǎn)與A′相比稍前移.

中截面壓力因數(shù)云圖見圖9，A′和D′車頭部分的靜壓因數(shù)分布雖然形狀不同，D′有上下兩片正壓區(qū)，但總面積與A′的單片正壓區(qū)相近，且兩者尾部相似，所以兩者的形阻因數(shù)也大小相近.但是，D′的車后空間湍流耗散率體積均值比A′的略小（見圖6），說明D′的渦阻因數(shù)偏低，是導(dǎo)致D′的Cp偏低的主要原因.

A′車型

圖 9中截面壓力因數(shù)云圖

Fig.9Pressure factor contours in middle section

對(duì)于缺乏具體經(jīng)驗(yàn)規(guī)律且造型較為復(fù)雜的車型，使用魯棒性能較強(qiáng)的遺傳算法可以簡(jiǎn)化搜索過程，得到傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)無法預(yù)測(cè)的優(yōu)化解，這種優(yōu)化方法可以用于對(duì)未來新車型的探索.

4結(jié)論

結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算和混合優(yōu)化方法，通過添加不同的外形約束條件，可以較簡(jiǎn)便地獲得不同造型風(fēng)格的低阻基本形體.它們的CD值在0.085~0.100的低阻范圍內(nèi).縮比模型的風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證這種優(yōu)化方法的可靠性.

高尾車型低阻基本形體頭部和底部造型與低尾車型差異較大，其CD值比低尾車型大0.01，但也能達(dá)到較小的0.10.長(zhǎng)高比為2.8和3.0的兩種車型的低阻基本形體在頭部造型上差異明顯.不同長(zhǎng)高比的車型的CD值變化趨勢(shì)不同，應(yīng)該獨(dú)立進(jìn)行優(yōu)化.凹形頭部車型與凸形頭部車型的低阻基本形體的尾部相似，在頭部也存在一定的相似度，頭部正壓區(qū)總面積相近.

低阻基本形體的車身造型風(fēng)格具有多元化的特點(diǎn).不同約束條件下的車身外流場(chǎng)變化規(guī)律不同，全局尋優(yōu)的方法可以最大限度地挖掘當(dāng)前車型的氣動(dòng)性能的潛能，得到相應(yīng)的低阻基本形體.

參考文獻(xiàn)：

［1］傅立敏. 汽車空氣動(dòng)力學(xué)［M］. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006：1314.

［2］BUCHHEIM R, DEUTENBAH K R, LCKOFF H J. Necessity and premises for reducing the aerodynamic drag of future passenger cars［C］// Proc Soc Automotive Eng, SAE Tech paper 810185. Warrendale, 1981: 759771.

［3］何憶斌, 谷正氣, 李偉平, 等. 汽車?yán)硐霘鈩?dòng)形體數(shù)字化模型構(gòu)建及氣動(dòng)性能試驗(yàn)［J］. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2011, 25(5): 10311035.

HE Yibin, GU Zhengqi, LI Weiping, et al. Design of aerodynamic optimization shape digital model for car and its wind tunnel test［J］. J Aerospace Power, 2010, 25(5): 10311035.

［4］HUCHO W H. Designing cars for low dragstate of the art and future potential［R］. Int J Vehicle Des, 1982, 3(3): 255262.

［5］BISCHOF C H, BUCKER H M, LANG B, et al. Efficient and accurate derivatives for a software process chain in airfoil shape optimization［J］. J Future Generation Comput Systems. 2005, 21(8): 13331344.

［6］GARDNER B A, SELIG M S. Airfoil design using a genetic algorithm and an inverse method［C］// Proc 41st Aerospace Sci Meeting & Exhibit, AIAA 20030043. Reno: 2003.

［7］隋洪濤. 基因遺傳算法及氣動(dòng)外形最優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.