基于CFD的商用車(chē)頂導(dǎo)流罩減阻優(yōu)化

摘 要：針對(duì)某款中型商用車(chē)中頂導(dǎo)流罩與貨箱過(guò)渡不匹配導(dǎo)致風(fēng)阻增大問(wèn)題，文章采用CFD仿真分析方法，首先對(duì)整車(chē)模型進(jìn)行CFD仿真，分析其氣流流動(dòng)特性，得出風(fēng)阻系數(shù)初始值并找出頂導(dǎo)流罩的風(fēng)阻敏感因素；其次，根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合實(shí)車(chē)參數(shù)范圍設(shè)計(jì)頂導(dǎo)流罩優(yōu)化方案，即尾部高度H1=894.3mm、中部高度H2=739.2mm和寬度W=2035.9mm；最后進(jìn)行風(fēng)阻仿真并對(duì)比初始模型確定優(yōu)化效果。仿真結(jié)果表明優(yōu)化后初始模型的風(fēng)阻系數(shù)從0.6486降至0.6320，降低了16.6 counts，有效降低了整車(chē)風(fēng)阻。

關(guān)鍵詞：頂導(dǎo)流罩 減阻優(yōu)化 CFD仿真分析

商用車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)緩解能源危機(jī)、減少環(huán)境污染極其重要。研究表明，高速行駛的商用車(chē)氣動(dòng)阻力與車(chē)速的平方成正比，氣動(dòng)阻力消耗的功率與速度的三次方成正比[1]，可見(jiàn)商用車(chē)大部分燃油均消耗在克服氣動(dòng)阻力上。因此，降低整車(chē)風(fēng)阻，有利于提高商用車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性，減少環(huán)境污染。

為不斷優(yōu)化汽車(chē)外形部件，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者采用了多種優(yōu)化方法進(jìn)行了仿真減阻研究。Sam Jeyasingham 等人[2]采取DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)某款皮卡車(chē)車(chē)身關(guān)鍵部位變量進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，從響應(yīng)面預(yù)測(cè)模型中求解獲取最佳響應(yīng)值及對(duì)應(yīng)變量的最佳參數(shù)。廉玉波等人[3]基于Isight平臺(tái)集成Sculptor網(wǎng)格變形算法結(jié)合CFD仿真，優(yōu)化了汽車(chē)外輪廓參數(shù)，降低了風(fēng)阻系數(shù)6counts。鄭鑫等人[4]采用靈敏度理論分析了某款SUV各部件風(fēng)阻系數(shù)的靈敏度，得出對(duì)風(fēng)阻影響性最大的敏感部件。賀巖松等人[5]針對(duì)整車(chē)模型采用離散伴隨法進(jìn)行靈敏度分析，確定優(yōu)化部件，并采用多島遺傳算法全局尋優(yōu)，最大化降低整車(chē)風(fēng)阻。

分析文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，CFD仿真技術(shù)作為汽車(chē)風(fēng)阻研究中的主流方法日趨成熟，因此現(xiàn)在針對(duì)汽車(chē)風(fēng)阻的研究方法主要聚集在“CFD仿真技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)”中，可縮短優(yōu)化周期，提升優(yōu)化效率，促進(jìn)汽車(chē)氣動(dòng)減阻研究的發(fā)展。

1 理論基礎(chǔ)

因汽車(chē)行駛時(shí)空氣流速遠(yuǎn)小于聲速，空氣為不可壓縮氣體[6]，仿真流場(chǎng)設(shè)置為三維定常無(wú)壓縮湍流運(yùn)動(dòng)，湍流模型選用Realizable 模型，其表達(dá)式如下。

湍動(dòng)能方程：

湍能耗散率方程：

式中，為流體密度；脈動(dòng)動(dòng)能；為脈動(dòng)動(dòng)能的耗散百分比；為流體動(dòng)力粘性系數(shù)；為渦粘性系數(shù)；為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，其計(jì)算式為：

式中，為湍流粘度，其公式為：

式中，為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，由下式計(jì)算得來(lái)：

2 物理模型的建立

2.1 物理模型的建立與網(wǎng)格劃分

采用三維建模軟件Catia按1﹕1比例建立某商用車(chē)模型，保留車(chē)廂外形、發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)氣系統(tǒng)等對(duì)風(fēng)阻仿真結(jié)果存在影響的復(fù)雜大件，去除管線、螺栓、鉚釘孔等對(duì)氣體流動(dòng)特性影響較小的部件和特征，簡(jiǎn)化完成后的物理模型如圖1所示。

2.2 網(wǎng)格劃分及求解參數(shù)設(shè)置

仿真計(jì)算需劃定計(jì)算邊界，假設(shè)整車(chē)模型長(zhǎng)、寬、高分別為L(zhǎng)、W、H，則可設(shè)置計(jì)算域尺寸總長(zhǎng)11L，其中入口距離模型3L，出口距模型7L，總寬為7W，左右壁面距模型均為3W，總高為4H，車(chē)輪緊貼地面。為提高計(jì)算效率和精度，計(jì)算域空間由內(nèi)而外采取梯度漸進(jìn)劃分方式建立3層加密區(qū)，如圖2所示。求解器設(shè)置中初始速度值為25m/s，其余參數(shù)按表1設(shè)置。

2.3 初始模型仿真結(jié)果分析

針對(duì)初始模型的風(fēng)阻仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示，其中所受的正面迎風(fēng)面積為9.1236m2，表征汽車(chē)所受阻力大小的氣動(dòng)阻力系數(shù)Cd為0.6486。截取中間截面的湍動(dòng)能云圖如圖3所示，可以看出初始模型的貨箱上方存在嚴(yán)重的氣流分離和能量耗散區(qū)，說(shuō)明該區(qū)域的速度變化梯度大，氣流流動(dòng)狀況比較混亂。主要原因是初始模型在頂導(dǎo)流罩與貨箱之間銜接不匹配，未能很好地引導(dǎo)氣流流動(dòng)，導(dǎo)致氣流分離，從而增大了整車(chē)風(fēng)阻，需進(jìn)一步優(yōu)化頂導(dǎo)流罩參數(shù)。從圖4流線圖中發(fā)現(xiàn)氣流流過(guò)導(dǎo)流罩時(shí)受到貨箱前面的阻擋，造成一部分氣流直面沖擊貨箱正面，增大了阻力。

3 優(yōu)化方案及其仿真驗(yàn)證

根據(jù)初始模型仿真分析，結(jié)合實(shí)車(chē)尺寸，將頂導(dǎo)流罩尾部高度加高至H1=894.3mm、中部高度加高至H2=739.2mm、尾部寬度加寬至W=2035.9mm作為優(yōu)化方案，如圖5所示，并進(jìn)行仿真計(jì)算分析。結(jié)果如表3所示?？梢钥闯鱿啾容^初始模型，優(yōu)化方案的整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)降低了16.6 counts，降幅達(dá)2.56%，大幅降低了整車(chē)風(fēng)阻，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖6為優(yōu)化方案的湍動(dòng)能仿真圖，可以發(fā)現(xiàn)貨箱頂部的能量耗散程度相比初始模型有所減弱，表明優(yōu)化后的頂導(dǎo)流罩可有效減弱與貨箱間隙處的氣流分離現(xiàn)象，能量耗散值降低。此外，從圖7流線圖可以看出優(yōu)化后的頂導(dǎo)流罩型面變緩，更能完美迎合前方氣流，并且高度提高后避免了氣流直接撞擊貨箱正面，使前方氣流緊密沿著頂導(dǎo)流罩壁面直接順暢地流動(dòng)至貨箱頂面，避免了氣流分離現(xiàn)象，有利于減少氣動(dòng)阻力。

基金項(xiàng)目：桂林電子科技大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：2023KYJ0010）。

參考文獻(xiàn)：

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[2] Jeyasingham S， Srinivasan K. Detailed Aerodynamic Characterization and Optimization of a Pickup Truck Using Adaptive Sampling based DOE[R].SAE Technical Paper， 2018.

[3]廉玉波，羅秋麗，張風(fēng)利，等.基于形體優(yōu)化方法的汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)[J].汽車(chē)工程，2022，44（10）：1619-1626.

[4]鄭鑫，蘇東海.汽車(chē)風(fēng)阻系數(shù)靈敏度分析方法研究[J].汽車(chē)工程，2021，43（09）：1336-1342.

[5]賀巖松，曹禮鵬，張志飛，等.基于離散伴隨法與代理模型的整車(chē)氣動(dòng)阻力優(yōu)化[J].汽車(chē)工程，2020，42（11）：1577-1584.

[6]王其東，張杰，張民.基于靈敏度分析-中心組合設(shè)計(jì)的乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)優(yōu)化[J].汽車(chē)工程，2020，42（03）：315-322.