基于伴隨模型的洗掃類環(huán)衛(wèi)車氣力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計 *

張 沛，張 喆，郭海樂 龐 明，姜衛(wèi)生，陳 鴿

(鄭州宇通重工有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市對環(huán)境衛(wèi)生質(zhì)量要求的不斷提高，各地環(huán)衛(wèi)部門加快了提高城市道路清掃機(jī)械化程度的步伐。洗掃車作為新一代路面作業(yè)清掃工具，其實際應(yīng)用范圍越來越廣泛[1]。但由于國內(nèi)道路清掃車的研制與生產(chǎn)起步較晚，國內(nèi)道路清掃車仍普遍存在能量損失高、作業(yè)效率低及二次污染等設(shè)計缺陷，主要是氣路系統(tǒng)內(nèi)流場的不合理分布及降塵措施的不完善所致。

作為決定整車洗掃效果最關(guān)鍵的部件之一，由吸盤、吸管、大箱以及進(jìn)氣道和風(fēng)機(jī)共同組成的洗掃車氣力系統(tǒng)的能耗基本都要占到整個洗掃車量上裝能耗的50%以上，在一些小型號的洗掃類車輛上甚至超過了55%。因此，從節(jié)能降耗，提升產(chǎn)品市場競爭力等方面考慮，對洗掃類產(chǎn)品的氣力系統(tǒng)做科學(xué)系統(tǒng)的分析并進(jìn)行行之有效的優(yōu)化對于環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)廠家有著十分重要的現(xiàn)實意義。目前，我國國產(chǎn)洗掃車氣力系統(tǒng)的設(shè)計仍較多采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，即首先進(jìn)行氣力系統(tǒng)及氣路的結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后制造出物理樣機(jī)進(jìn)行測試，其過程需要反復(fù)設(shè)計且設(shè)計效果很大程度依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗。由于洗掃車氣力系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的設(shè)計方法很難達(dá)到預(yù)期的效果，這也是目前國產(chǎn)洗掃類產(chǎn)品能耗普遍偏高的主因之一。

隨著計算及軟硬件水平的發(fā)展，計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益增加[2]。同時CFD技術(shù)聯(lián)合諸如CAESES、HEEDS等優(yōu)化軟件架構(gòu)的多學(xué)科優(yōu)化(MDO)平臺也被廣泛的應(yīng)用于車輛、船舶、飛機(jī)、流體機(jī)械等多種行業(yè)中。西門子在2017年以智能制造和智能設(shè)計為主題的PLM軟件年會中便提出了以參數(shù)化模型為基礎(chǔ)、CAE仿真軟件為內(nèi)核、優(yōu)化算法為平臺的智能設(shè)計鏈的概念。隨著智能制造概念的逐步升溫，這種優(yōu)化設(shè)計鏈業(yè)已成為多個行業(yè)內(nèi)最為主流的優(yōu)化設(shè)計方法。然而進(jìn)行MDO綜合優(yōu)化所需的時間成本高，對產(chǎn)品開發(fā)周期的影響占比大一直是該方法目前存在的最大問題之一。特別是對于洗掃類環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品這種剛剛起步，仍需針對市場反饋不斷對產(chǎn)品進(jìn)行升級換代的產(chǎn)業(yè)而言，產(chǎn)品開發(fā)周期的長短很大程度上決定了換代產(chǎn)品在市場上先發(fā)優(yōu)勢的多寡，因此選擇一種短時高效有針對性的優(yōu)化設(shè)計方法才是目前最為適合洗掃類環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的手段。

伴隨流方法因其計算量與設(shè)計變量的數(shù)量無關(guān)、易編程實現(xiàn)、求解內(nèi)存需求量小等優(yōu)點，近年來在形狀反設(shè)計及優(yōu)化領(lǐng)域得到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[3]。筆者通過商用CFD軟件，將伴隨方法擴(kuò)展到湍流領(lǐng)域，以某18 t路面洗掃車的吸盤為分析對象，通過伴隨流的方法以吸管出口處的質(zhì)量流量為成本函數(shù)對吸盤的幾何外形進(jìn)行了敏感度分析和形狀反設(shè)計，在極小的幾何改動量下，取得了良好的優(yōu)化效果。

1 伴隨流模型

1.1 簡 述

伴隨流方法最早由Pironneau引入到流體力學(xué)領(lǐng)域中[3]，隨后Jameson將其擴(kuò)展到了航空領(lǐng)域[4]，盡管目前國內(nèi)對于該方法在工程上應(yīng)用的實例較少，但在學(xué)術(shù)領(lǐng)域特別是對內(nèi)流和外流研究方面已得到了廣泛的應(yīng)用。

盡管目前伴隨流模型存在著僅能進(jìn)行幾何形狀反設(shè)計、無法跳出成本函數(shù)的概念進(jìn)行優(yōu)化、僅能針對單相介質(zhì)求解等諸多限制，但是應(yīng)用伴隨流模型依舊能夠快速地為解決以下問題：①幾何結(jié)構(gòu)是如何對成本函數(shù)造成影響；②邊界條件對于成本函數(shù)的影響；③基于成本函數(shù)，對幾何表面給出定量的敏感度分析；④對因網(wǎng)格數(shù)值擴(kuò)散產(chǎn)生的誤差進(jìn)行評估。

與一般的流場求解不同的是，伴隨流求解一般分為兩個步驟：①初始流場求解并確定收斂，獲得原始解Q；②啟用伴隨流模型進(jìn)行伴隨求解。

在進(jìn)行第一步的原始解求解并收斂后，通過以下三個方面確定進(jìn)行伴隨求解所需的輸入條件：①明確設(shè)計參數(shù)：明確通過何種設(shè)計參數(shù)D來定義初始幾何(網(wǎng)格)的變形，同時通過設(shè)計參數(shù)D建立與網(wǎng)格節(jié)點X的關(guān)聯(lián)關(guān)系；②明確收斂解：對求解方程進(jìn)行迭代，獲得收斂解Q；③明確成本函數(shù)：根據(jù)需要建立目標(biāo)物理量的伴隨成本函數(shù)L，例如壓降、質(zhì)量流率或升力，阻力等。

1.2 對設(shè)計參數(shù)的敏感度分析

(1)

假設(shè)有n個設(shè)計變量D和m個網(wǎng)格節(jié)點X，則：

(2)

可以看到，(2)式中的每一列都是雅克比正切，而每一行都是雅克比的梯度。

顯而易見的是，當(dāng)設(shè)計變量D或網(wǎng)格節(jié)點X的數(shù)量很龐大時，對于式(1)的求解將變成一個相當(dāng)耗時的工作，這與我們使用伴隨流模型進(jìn)行優(yōu)化的初衷不符。為了解決這個問題，首先：

(3)

(4)

2 數(shù)值計算方法

2.1 洗掃車吸盤幾何結(jié)構(gòu)

由于吸盤和吸管是完全左右對稱的，因此選取幾何結(jié)構(gòu)的1/2作為仿真分析對象。同時，為了充分考慮到板厚、離地高度等對吸盤能耗的影響，此次研究沒有采用傳統(tǒng)的抽取幾何流體域的方式建模而是采用了一種帶有四周外域的幾何模型，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要參數(shù)詳見表1。

2.2 網(wǎng)格劃分

考慮到伴隨流計算中對梯度計算精度的要求，網(wǎng)格劃分采用多面體網(wǎng)格方案。

圖1 計算用幾何模型

表1 吸盤主要結(jié)構(gòu)參數(shù)/mm

同時由于吸盤的側(cè)板和后尼龍塊離地間隙均十分小，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時采用了面網(wǎng)格重構(gòu)和體網(wǎng)格局部加密等方法。為了避免網(wǎng)格數(shù)量對數(shù)值仿真精度的影響，進(jìn)行原始解求解時對網(wǎng)格進(jìn)行了無關(guān)性處理。最終計算模型的總網(wǎng)格數(shù)61萬374個。如圖2所示。

圖2 計算網(wǎng)格示意圖

2.3 邊界條件

此次研究的重點是探討應(yīng)用伴隨流方法對吸盤進(jìn)行幾何形狀優(yōu)化，不涉及任何對邊界條件優(yōu)化，因此無論是進(jìn)行原始解求解還是后續(xù)的伴隨流求解中均采用相同的邊界條件進(jìn)行仿真計算和優(yōu)化。如表2所列。

表2 邊界條件一覽

2.4 收斂判定

當(dāng)原始解完全收斂后方能開始伴隨流計算。對于吸盤這種氣力設(shè)備而言，壓降和流量是最重要的設(shè)計參數(shù)。由于吸管出口采用的是壓力出口邊界條件，因此文中最重要的設(shè)計參數(shù)便是吸嘴出口處的空氣質(zhì)量流率，收斂的判定條件也不僅僅局限在各項計算殘差，在本文中質(zhì)量流率檢測曲線每一個計算步的前后差值不大于0.000 1 kg/s，且連續(xù)持續(xù)100步以上也是判定原始解是否完全收斂的決定性指標(biāo)之一。

2.5 數(shù)值模型

數(shù)值計算采用基于耦合求解的隱式定長算法，湍流模型為可實現(xiàn)化的k-e湍流模型，在近壁面處進(jìn)行兩層全Y+壁面處理以提高近壁面處的數(shù)值計算精度。梯度計算選擇2階精度的混合高斯-LSQ梯度法，同時加入Venkatakrishnan梯度限制器。同時，在本文中忽略了重力對流體的影響。

3 結(jié)果及其分析

3.1 原始解求解

在進(jìn)行伴隨求解之前，首先需要完成對原始解的求解過程。本文中的數(shù)值仿真是基于全耦合流體進(jìn)行，為了加速仿真收斂，在求解過程中加入了基于V循環(huán)庫朗數(shù)躍升的連續(xù)性收斂加速器，并對吸管出口的質(zhì)量流量進(jìn)行檢測(見圖3)，以確保仿真的完全收斂。

圖3 質(zhì)量流量監(jiān)測圖

3.2 伴隨模型求解

3.2.1 流場分析

從圖4所示速度矢量線積分卷積圖可以看到。

(1) 在前后水平方向上，由于吸盤前膠皮離地高度遠(yuǎn)大于后尼龍塊的離地高度，因此前端的空氣入流速度明顯大于后端，且在吸管前部形成明顯的前后入流的對沖。

(2) 在左右方向上，由于吸管靠近吸盤的兩側(cè)，因此吸盤中部受側(cè)向進(jìn)風(fēng)的影響很小，而在兩側(cè)的部分前后兩端的吸入空氣均受到側(cè)面進(jìn)風(fēng)的擠壓，在吸盤側(cè)部形成明顯的渦流區(qū)。

(3) 在垂直方向上，吸盤前、后端的上部均存在明顯的渦流區(qū)。

圖4 速度矢量線積分卷積圖

通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)盡管吸盤的幾何結(jié)構(gòu)相對簡單，但由于其四周的圍板離地距離都很小，且存在一定的高度差，而吸管安裝位置受到車架的影響，嚴(yán)重的偏向吸盤的兩側(cè)，因此導(dǎo)致吸盤內(nèi)部的空氣流場存在明顯的流動對沖、二次渦以及三維渦流，在進(jìn)入吸管前的流場整體上體現(xiàn)出了強烈的湍度，很難通過分析流場來制定科學(xué)的優(yōu)化方案。

3.2.2 伴隨流優(yōu)化

氣力系統(tǒng)的整體功率是以風(fēng)機(jī)消耗的能耗來評估的，就吸盤而言能耗優(yōu)化簡單的講就是減少壓降，提高風(fēng)量這兩點。由于文中的仿真是基于吸管出口為-5 000 Pa的壓力入口為邊界條件的，因此優(yōu)化點就變?yōu)榱巳绾卧?5 000 Pa的負(fù)壓下提高出口的空氣質(zhì)量流量。

基于之前的原始解，以吸管出口質(zhì)量流量為成本函數(shù)，對吸盤原始幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行伴隨模型優(yōu)化，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看到，通過伴隨流模型的計算后，伴隨模型以吸管出口處的質(zhì)量流率為成本函數(shù)對吸盤原始幾何模型各個表面進(jìn)行了定量敏感度分析。根據(jù)這個分析結(jié)果，只要改變吸盤的幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)法讓流場中的空氣更多的集中到圖5所示的流量成本較高的區(qū)域，增加該處的空氣經(jīng)過量。

3.2.3 優(yōu)化方向確認(rèn)

從實際產(chǎn)品優(yōu)化開發(fā)的角度，吸盤幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化還需要考慮到成本、加工工藝、總布置以及重量等諸多因素，因此在實際的現(xiàn)有產(chǎn)品優(yōu)化中，能夠?qū)υ形P幾何機(jī)構(gòu)的改動不能夠是太具有顛覆性的。基于這個考慮，首先對圖5進(jìn)行細(xì)節(jié)化的分析，并將結(jié)果整理如下：

(1) 盡管吸盤的幾何結(jié)構(gòu)上均體現(xiàn)出一定的敏感度，但其峰值仍主要出現(xiàn)在吸管前后的前膠皮和后尼龍塊處。

(2) 前膠皮，后尼龍塊和側(cè)板的離地高度對質(zhì)量流率影響極大，但由于涉及到吸盤的綜合吸力和洗掃潔凈率，此點暫時不能作為優(yōu)化方向。

(3) 從圖6可以看到，在吸盤前端頂板處有正負(fù)2個峰值相鄰出現(xiàn)，這可以是一個很好的可優(yōu)化點。

圖5 基于質(zhì)量流率的伴隨流分析 圖6 局部放大圖

3.2.4 優(yōu)化方案

基于上面的分析，以微調(diào)的基準(zhǔn)，設(shè)計了以下三種優(yōu)化/檢查方案(見圖7):

優(yōu)化方案A：將前部膠皮和后尼龍塊該外傾斜形式(a)。

優(yōu)化方案B：在吸盤前端頂板處有表面敏感度呈正峰值處開一個內(nèi)徑5 mm，壁厚0.5 mm的直圓孔(b)。

檢查方案C: 在吸盤前端頂板處有表面敏感度呈負(fù)峰值處開一個內(nèi)徑5 mm，壁厚0.5 mm的直圓孔(c)。

圖7 各優(yōu)化方案幾何模型

4 效果檢查

如上一節(jié)所述，優(yōu)化和檢查方案的改動量均不大，因此優(yōu)化前后的流場并不會有很大的變化，為了對比優(yōu)化效果，取高度0.08 m處水平截面的速度矢量線積分卷積圖進(jìn)行對比觀察。

圖8 各方案對比

表3 邊界條件一覽

從圖8可以看到，盡管改進(jìn)后的動量變化很小、流場變化也不大，但是還是能夠看到優(yōu)化方案A中

渦流區(qū)有所變小而優(yōu)化方案B中盡管渦流區(qū)變大，但其對周圍流場的影響被很好的阻斷，從而使整個流場區(qū)域平穩(wěn)。結(jié)合表3中吸管出口處的質(zhì)量流量計算結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)通過伴隨流優(yōu)化能夠有針對性提升對吸盤的吸力。

5 結(jié) 語

通過應(yīng)用伴隨流模型對某洗掃類環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品的吸盤進(jìn)行了優(yōu)化分析，以吸管出口處的空氣質(zhì)量流量為成本函數(shù)，得到了吸盤幾何結(jié)構(gòu)表面的敏感度分析結(jié)果。并依據(jù)此分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化方案和檢查方案的設(shè)計，有效地證明了應(yīng)用伴隨流模型對洗掃類產(chǎn)品氣力系統(tǒng)進(jìn)行分析和優(yōu)化的可行性。

由于伴隨流模型求解速度快、易收斂且無需借助于任何其他的優(yōu)化設(shè)計軟件也無需對原始模型進(jìn)行參數(shù)化建模，僅需要單一Fluent、STAR-CCM+等商用CFD求解器即可完成全部設(shè)計和優(yōu)化工作，與目前主流的MDO優(yōu)化方法相比在時間成本、軟硬件需求等方面具有明顯的優(yōu)勢，對于洗掃類產(chǎn)品研發(fā)而言有很好的實用價值。