賴晨光，陸茂桂，張海林

(重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院，重慶 400054)

基于數(shù)據(jù)挖掘的皮卡貨車導(dǎo)流板減阻研究

賴晨光，陸茂桂，張海林

(重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院，重慶 400054)

為了減小皮卡貨車行駛中的氣動(dòng)阻力，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)、DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法及自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SOM)相結(jié)合的方法，分析了導(dǎo)流板安裝角度、導(dǎo)流板長度、貨箱長度和貨箱高度對氣動(dòng)阻力系數(shù)Cd的影響。研究結(jié)果表明：導(dǎo)流板安裝角度對Cd的影響最大，且具有較好減阻效果的導(dǎo)流板的安裝角度并不是一定值，而是隨著貨箱結(jié)構(gòu)尺寸的改變而變化。

皮卡貨車；導(dǎo)流板；減阻；數(shù)據(jù)挖掘

隨著車速的提高，由空氣阻力引起的汽車動(dòng)能消耗成為一個(gè)不可忽視的問題。前人利用風(fēng)洞試驗(yàn)與計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法在汽車減阻方面做了許多工作，但國內(nèi)外學(xué)者的研究對象大多是轎車或卡車，對皮卡貨車的減阻研究還不是很多。Al-Garni等[1]通過風(fēng)洞試驗(yàn)，利用PIV技術(shù)得到了某皮卡貨車詳細(xì)的外流場結(jié)構(gòu)、貨箱上方及貨車尾部的渦流分布特點(diǎn)。Chen等[2]研究了在全尺寸皮卡貨車貨箱尾部添加艇尾型擾流裝置、在貨箱后部增加部分蓋板對減小皮卡氣動(dòng)阻力的影響，并通過將兩種方法結(jié)合使阻力系數(shù)減少了0.021。HA等[3]將導(dǎo)流板安裝在駕駛室頂棚后部，以導(dǎo)流板長度與安裝角度為變化參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)與CFD相結(jié)合的方法研究了導(dǎo)流板不同的安裝角度與長度對氣動(dòng)阻力的影響，研究結(jié)果表明：阻力系數(shù)Cd隨著導(dǎo)流板的長度增加而減??；隨著導(dǎo)流板的安裝角度Cd值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

前人的研究結(jié)果表明：在駕駛室尾部安裝導(dǎo)流板可以有效減小皮卡貨車行駛中受到的氣動(dòng)阻力，但不同的皮卡貨車其貨箱尺寸結(jié)構(gòu)是不一樣的，而導(dǎo)流板的減阻效果與貨箱及尾部的流場結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，本文通過計(jì)算流體力學(xué)與數(shù)據(jù)挖掘相結(jié)合的方法，綜合探討了導(dǎo)流板的長度、安裝角度及貨箱部分結(jié)構(gòu)尺寸對皮卡貨車氣動(dòng)阻力的影響。

1 參數(shù)模型

本次數(shù)值模擬所用皮卡貨車CAD模型為文獻(xiàn)[4]中使用的模型，其各參數(shù)為文獻(xiàn)[4]中模型的10倍，模型的長寬高分別為5 406，1 835，1 670 mm，見圖1。

圖1 皮卡貨車CAD模型Fig.1 The CAD model of pickup

本研究分別以貨箱長度bedlength、貨箱高度bedheight、導(dǎo)流板安裝角度angle和導(dǎo)流板長度length為設(shè)計(jì)變量參數(shù)，如圖2所示。各參數(shù)的變化范圍如表1所示。

圖2 變化的參數(shù)Fig.2 Variable parameters

表1 參數(shù)變化范圍

2 網(wǎng)格生成與數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算域

皮卡貨車幾何模型左右對稱，為了減少計(jì)算量，本研究取模型的一半進(jìn)行數(shù)值模擬。本次模擬的計(jì)算域如圖3所示。計(jì)算域入口距車前為3倍車長，計(jì)算域出口距車尾為7倍車長，計(jì)算域總高為5倍車高，計(jì)算域總寬度為3.5倍車寬。計(jì)算域的阻塞比為2.85%。

圖3 計(jì)算域

2.2 網(wǎng)格劃分

為了減少計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)量，采用混合網(wǎng)格策略，即：將整個(gè)計(jì)算域劃分為兩個(gè)區(qū)域，在內(nèi)部小域中采用貼體性較好的四面體網(wǎng)格；為了更好地捕捉車身周圍的流場信息，在靠近車身的區(qū)域采用了密度盒進(jìn)行加密，如圖4中最深色區(qū)域所示，在外部大域中采用六面體網(wǎng)格，如圖4中的淺色區(qū)域所示。

圖4 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

2.3 模擬計(jì)算

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，Realizablek-ε湍流模型在計(jì)算汽車外流場時(shí)具有較好的適應(yīng)性，故本次模擬采用Realizablek-ε湍流模型。計(jì)算域的入口為速度入口，速度為20 m/s；計(jì)算域的出口為壓力出口，壓力大小為0 Pa，即1個(gè)大氣壓；計(jì)算域的底面設(shè)為移動(dòng)壁面邊界條件，以消除壁面邊界層對皮卡貨車周圍流場的影響。由式(1)、(2)計(jì)算得到湍流強(qiáng)度I為2.24%，水力直徑D為 6.54 m。

I= 0.16/Re0.125

(1)

D= 4S/C

(2)

其中：I為湍流強(qiáng)度；Re為雷諾數(shù)；D為水力直徑；S為計(jì)算域入口面積；C為計(jì)算域入口周長。

最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Opt LHD)相比其他試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有較好的空間填充性與均衡性，可以使所選取的樣本點(diǎn)盡可能均勻地分布在整個(gè)取樣空間中[5]。因此，本文采用最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取了50組初始樣本點(diǎn)，按照上述的設(shè)置進(jìn)行Fluent迭代計(jì)算。

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1 敏感度分析

根據(jù)Fluent計(jì)算得到的50組數(shù)據(jù)建立敏感度分析圖，分析各變量對Cd值的影響。

圖5為4個(gè)自變量對阻力系數(shù)Cd影響的敏感度分析圖。由圖5可知：4個(gè)變量中導(dǎo)流板安裝角度對Cd的貢獻(xiàn)最大，達(dá)到了44.7%；而貨箱結(jié)構(gòu)尺寸對氣動(dòng)阻力的影響僅占27.1%，且貨箱結(jié)構(gòu)尺寸與其功能要求有著密切的關(guān)系，故以下著重討論導(dǎo)流板的安裝角度對具有某一貨箱結(jié)構(gòu)尺寸的皮卡貨車氣動(dòng)阻力的影響。

圖5 敏感度分析圖

3.2 Kriging代理模型

為了進(jìn)一步分析導(dǎo)流板安裝角度對Cd的影響作用，利用本研究計(jì)算的50組樣本點(diǎn)建立了Kriging近似模型。表2為根據(jù)Kriging模型預(yù)測的Cd和用Fluent軟件計(jì)算所得的Cd，可以看出Kriging預(yù)測的結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的最大誤差為3.9%，小于5%，故所建立的Kriging模型滿足所需精度要求。

表2 Kriging模型驗(yàn)證

3.3 組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析

自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SOM)是一種多維數(shù)據(jù)降維技術(shù)。SOM可以將多維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維拓?fù)溆成鋱D，從而直觀地觀察到多維數(shù)據(jù)的特征及其之間的關(guān)系[6]。

利用遺傳算法對建立的Kriging模型進(jìn)行尋優(yōu)，尋優(yōu)的目標(biāo)為Cd最小。將遺傳算法求得的解集進(jìn)行SOM處理得到angle、bedlength、bedheight與Cd的自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖，如圖6所示。圖中顏色越藍(lán)表示數(shù)值越小，顏色越紅表示數(shù)值越大，各圖中的每一小單元一一對應(yīng)。由Cd的自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D可以看出氣動(dòng)阻力系數(shù)較小的區(qū)域集中在右半側(cè)，相應(yīng)地，當(dāng)angle、bedlength、bedheight在各自的右半側(cè)區(qū)域范圍內(nèi)取值時(shí)可以使皮卡貨車具有較小的氣動(dòng)阻力系數(shù)。當(dāng)bedlength較小時(shí)，如圖中的A區(qū)域，相應(yīng)的angle取較大的值。bedheight取較小值時(shí)可以滿足Cd較小的要求；當(dāng)bedlength較大時(shí)，如圖中的B區(qū)域，相應(yīng)的angle取較小的值，bedheight取較大值時(shí)可以使Cd較小。

圖6 自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

為了近一步分析導(dǎo)流板安裝角度對皮卡貨車氣動(dòng)阻力的影響，在上述的B區(qū)域中取一點(diǎn)進(jìn)行Fluent數(shù)值計(jì)算，并將其與未安裝導(dǎo)流板時(shí)的皮卡貨車的流場進(jìn)行對比分析。

3.4 流場分析

圖7為未安裝導(dǎo)流板皮卡貨車模型中截面上速度矢量圖。前方來流在遇到皮卡車頭時(shí)分成了兩部分。一部分氣流沿著發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前擋風(fēng)玻璃、車頂往后流去，另一部分氣流則沿著車底向車尾流去。沿皮卡車身上方流動(dòng)的氣流在發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣、車頂前緣和車頂后緣由于幾何形狀的突變而發(fā)生了氣流分離現(xiàn)象，前兩處與車身分離的氣流經(jīng)過一小段距離后又附著在車身表面之上。而車頂后緣分離的氣流徑直往后流去，在車尾與車身底部的氣流相互作用在尾擋板后方形成漩渦。貨箱內(nèi)的氣流由于受到車頂后緣分離流的剪切作用而形成了較大的漩渦。

圖7 未安裝導(dǎo)流板皮卡貨車速度矢量圖

圖8為未安裝導(dǎo)流板皮卡貨車模型中截面上的壓力云圖。前方氣流的流動(dòng)由于受到皮卡貨車前臉及前擋風(fēng)玻璃的阻礙，流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓勢能，所以在圖中的A、B兩個(gè)區(qū)域出現(xiàn)了兩個(gè)較大的靜壓區(qū)域。從車頂向后區(qū)域基本被負(fù)壓所覆蓋，尤其是貨箱內(nèi)與尾擋板后方，前后壓力的差異形成了氣動(dòng)阻力的主要組成部分，即壓差阻力。由于貨箱內(nèi)渦流的存在消耗了大量的能量，使得皮卡貨車較一般轎車的Cd值要大，本次模擬皮卡貨車的Cd值為0.413。

圖8 未安裝導(dǎo)流板皮卡貨車壓力云圖

圖9為安裝導(dǎo)流板后皮卡貨車中截面的速度矢量圖與壓力云圖。在車身的前部流場結(jié)構(gòu)與未安裝導(dǎo)流板的時(shí)候一樣。但在貨箱的上方以及尾擋板的后方，流場的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。

在導(dǎo)流板的引導(dǎo)下，氣流向斜下方流動(dòng)，抑制了貨箱內(nèi)渦流往右上方的發(fā)展，同時(shí)進(jìn)入貨箱內(nèi)的氣流也增加了原負(fù)壓區(qū)的壓力勢能，使得貨箱內(nèi)負(fù)壓區(qū)域的大小、負(fù)壓值大小都要比未安裝導(dǎo)流板的時(shí)候要小。在尾擋板后部上方氣流對尾流區(qū)域的影響區(qū)域相比未安裝導(dǎo)流板的時(shí)候也有所減小。這兩部分的流場變化降低了皮卡貨車前后的壓差阻力，從而減小了皮卡貨車所受到的氣動(dòng)阻力。本次數(shù)值模擬的結(jié)果為Cd=0.398，相比未安裝導(dǎo)流板的時(shí)候降低了3.63%。

圖9 安裝導(dǎo)流板皮卡貨車速度矢量圖與壓力云圖Fig.9 The velocity vector and pressure contour of pickup with deflector

圖10為皮卡貨車駕駛室背面壓力云圖及壓力分布曲線圖。安裝了導(dǎo)流板之后的皮卡貨車背部的壓力相比未安裝導(dǎo)流板的時(shí)候壓力有了較大的提升，這是由于導(dǎo)流板所引導(dǎo)的下洗氣流進(jìn)入到貨箱中，傳遞給原速度較低的氣流更多的能量，使得氣流作用在駕駛室背部的力要比未安裝導(dǎo)流板的時(shí)候要大，從而使得前后的壓差阻力有所下降。

圖11為尾擋板壓力云圖。從圖中可以看出：安裝導(dǎo)流板后，圍擋板上的壓力要比未安裝導(dǎo)流板的時(shí)候要大，這是由于導(dǎo)流板所引導(dǎo)的氣流直接沖擊到尾擋板上所引起的。這在一定程度上會增加皮卡貨車的阻力，當(dāng)由于導(dǎo)流板所減小的氣動(dòng)阻力大于其所增加的局部氣動(dòng)阻力時(shí)，導(dǎo)流板具有改善皮卡貨車氣動(dòng)性能的作用。

圖10 皮卡貨車駕駛室背部壓力云圖與壓力分布曲線(Lo未加導(dǎo)流板 Lc加導(dǎo)流板)

圖11 尾擋板壓力云圖

由此可見，在某一具體的貨箱結(jié)構(gòu)下，當(dāng)導(dǎo)流板安裝角度過大時(shí)，將會有更多的氣流沖擊到尾擋板上，從而減小了導(dǎo)流板的減阻效果；當(dāng)導(dǎo)流板的安裝角度過小時(shí)，雖然減少了直接流向尾擋板的氣流，但同時(shí)也減弱了導(dǎo)流板所引導(dǎo)的下洗氣流對貨箱上方渦流的抑制作用，從而減弱了導(dǎo)流板的減阻效果。

4 結(jié)束語

通過以上分析可知：4個(gè)參數(shù)(導(dǎo)流板安裝角度、導(dǎo)流板長度、貨箱長度及貨箱高度)對皮卡貨車氣動(dòng)阻力的影響是不一樣的。其中導(dǎo)流板的安裝角度對Cd值的影響最大，占44.7%。當(dāng)貨箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)不一樣時(shí)，具有較好減阻效果的導(dǎo)流板安裝角度也是不一樣的：當(dāng)貨箱較長時(shí)取較小安裝角度；當(dāng)貨箱較短時(shí)，選用較大安裝角度可以獲得比較好的減阻效果。

[1] AL-GARNI A M，BERNAL L P.Experimental study of a pickup truck near wake[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2009,98(2):100-112.

[2] CHEN K，KHALIGHI B.A CFD Study of Drag Reduction Devices for a Full Size Production Pickup Truck[C]//Sae World Congress.USA:SAE Paper,2015.

[3] HA J,JEONG S,OBAYASHI S.Drag reduction of a pickup truck by a rear downward flap[J].International Journal of Automotive Technology,2011,12(3):369-374.

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LAI Yuyang.Isight parameter optimization theory and example explanation[M].BeiJing:Beihang University Press,2012.

[6] 朱家元,張恒喜,虞健飛.在數(shù)據(jù)挖掘中基于SOM網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分析可視化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2003,20(2):15-16.

ZHU Jiayuan,ZHANG Hengxi,YU Jianfei.An Approach to Design of Visualized Data Analysis Based on SOM in Data Mining[J].Computer Applications and Software,2003,20(2):15-16.

(責(zé)任編輯 楊黎麗)

Drag Reduction Study of Pickup with Deflector Based on Data Mining

LAI Chen-guang，LU Mao-gui，ZHANG Hai-lin

(College of Vehicle Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

In order to reduce the aerodynamic drag of pickup, CFD, DOE, optimization algorithm and SOM were used to study the effect of the installation angle of the deflector, the length of the deflector, the height of the bed, the length of the bed and the aerodynamic drag of pickup to aerodynamic drag coefficientCd. The results indicate that the installation angle of the deflector is the biggest factor affect theCd, and the appropriate installation angle of the deflector is not constant, but varies with the change of container size.

pickup; deflector; drag reduction; data mining

2016-09-02 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305477)

賴晨光(1978—)，男，教授，主要從事汽車與高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究， E-mail: 10442725@qq.com；陸茂桂(1989—)，男，碩士研究生，主要從事汽車外流場與汽車外形優(yōu)化研究。

賴晨光，陸茂桂，張海林.基于數(shù)據(jù)挖掘的皮卡貨車導(dǎo)流板減阻研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(2):1-6.

format：LAI Chen-guang，LU Mao-gui，ZHANG Hai-lin.Drag Reduction Study of Pickup with Deflector Based on Data Mining[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(2):1-6.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.02.001

U461.54

A

1674-8425(2017)02-0001-06