黃森仁，王宇，崔世海，劉學(xué)龍

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汽車(chē)前部氣動(dòng)外形減阻自動(dòng)優(yōu)化研究*

黃森仁1，王宇2，崔世海2，劉學(xué)龍1

（1.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司 汽車(chē)工程研究院，天津 300300；2.天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)的CFD方法只能在產(chǎn)品的CAD幾何數(shù)模設(shè)計(jì)完成之后進(jìn)行分析，CFD分析工程師所提出的優(yōu)化方案無(wú)法得到立即驗(yàn)證，設(shè)計(jì)周期增長(zhǎng)，成本高。文章基于某車(chē)的CFD網(wǎng)格模型，針對(duì)汽車(chē)前部相關(guān)設(shè)計(jì)變量，利用優(yōu)化軟件HyperStudy與網(wǎng)格變形軟件HyperMorph、商用流體分析軟件STAR-CCM+耦合，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)氣動(dòng)外形減阻的自動(dòng)優(yōu)化流程。

計(jì)算流體力學(xué)；氣動(dòng)外形；氣動(dòng)減阻；自動(dòng)優(yōu)化；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

前言

汽車(chē)氣動(dòng)造型的傳統(tǒng)優(yōu)化方式都是由設(shè)計(jì)師首先設(shè)計(jì)出車(chē)身的基本造型，然后由空氣動(dòng)力學(xué)工程師進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析并進(jìn)行油泥風(fēng)洞試驗(yàn)，空氣動(dòng)力學(xué)工程師根據(jù)自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)及工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)汽車(chē)造型提出一些可能的減阻優(yōu)化方案，再由設(shè)計(jì)師將模型修改后交由空氣動(dòng)力學(xué)工程師進(jìn)行氣動(dòng)特性評(píng)估，此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直到達(dá)到所要求的目標(biāo)值或優(yōu)化時(shí)間用盡[1]。這樣的過(guò)程既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，往往還達(dá)不到預(yù)期的效果，耽誤企業(yè)的研發(fā)進(jìn)程。

隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的快速發(fā)展，基于CFD分析的汽車(chē)氣動(dòng)造型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法極大地縮短了汽車(chē)造型設(shè)計(jì)時(shí)間。本研究針對(duì)傳統(tǒng)優(yōu)化方式搭建出一個(gè)自動(dòng)優(yōu)化平臺(tái)，該平臺(tái)對(duì)汽車(chē)模型前部實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格變形的自動(dòng)化，CFD分析的自動(dòng)化以及數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化。這將對(duì)汽車(chē)開(kāi)發(fā)流程產(chǎn)生影響，能夠縮短汽車(chē)氣動(dòng)造型的開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高工程師的工作效率，減少工程師的繁重的工作量并能有效控制整車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)特性。

1 自動(dòng)優(yōu)化流程

傳統(tǒng)的汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化流程如圖1（a）所示，空氣動(dòng)力學(xué)工程師從汽車(chē)造型師的手中得到汽車(chē)模型，對(duì)所得到的汽車(chē)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到所需要分析計(jì)算的網(wǎng)格模型，經(jīng)過(guò)CFD計(jì)算求解，接著由空氣動(dòng)力學(xué)工程師向汽車(chē)造型師提供優(yōu)化建議，再由造型師進(jìn)行汽車(chē)模型的幾何數(shù)據(jù)修改，然后重復(fù)上述步驟，如此反復(fù)，最終完成優(yōu)化工作。可以看出這一過(guò)程需要造型師不斷修改模型數(shù)據(jù)，空氣動(dòng)力學(xué)工程師不斷建模計(jì)算分析，這將消耗大量的人力和時(shí)間。

為了改善上述狀況，本研究搭建了一個(gè)自動(dòng)優(yōu)化流程來(lái)完成對(duì)整車(chē)模型的氣動(dòng)減阻，如圖1（b）所示。該流程通過(guò)在CFD求解與后處理兩個(gè)步驟之間實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)格自動(dòng)變形以及自動(dòng)提交CFD計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化。自動(dòng)優(yōu)化流程主要包括如下幾個(gè)步驟：

（1）通過(guò)相關(guān)網(wǎng)格變形軟件實(shí)現(xiàn)模型變形的參數(shù)化；

（2）通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法來(lái)構(gòu)建DOE矩陣；

（3）以DOE矩陣為基礎(chǔ)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)慕颇Ｐ头椒▽?duì)所得DOE矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到相應(yīng)的近似模型；

（4）利用恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法對(duì)近似模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到優(yōu)化結(jié)果，并進(jìn)行CFD驗(yàn)算，驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。

該流程需要在STAR-CCM+中錄制相關(guān)宏文件（Macro）來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動(dòng)劃分及模型的計(jì)算求解[2]，編輯批處理文件來(lái)實(shí)現(xiàn)HyperStudy調(diào)用STAR-CCM+軟件進(jìn)行優(yōu)化分析[3]。

2 原車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)CFD分析

采用某SUV車(chē)型的CAS面模型，CAS技術(shù)是在CAD/ CAE/CAM技術(shù)后的又一新技術(shù)，它主要用來(lái)將造型設(shè)計(jì)師的效果圖用軟件做成實(shí)際大小的數(shù)據(jù)模型，這種模型相對(duì)比較粗糙，車(chē)身上存在很多縫隙，需要進(jìn)行縫補(bǔ)；將車(chē)身上的一些不必要的細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化，例如將門(mén)把手、雨刷等部位刪除[4]；在本研究中主要針對(duì)汽車(chē)的氣動(dòng)外形進(jìn)行研究，所以在處理底盤(pán)部分時(shí)，將底盤(pán)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)刪除，然后通過(guò)構(gòu)建底部平面將下面封閉，使模型得以簡(jiǎn)化；在處理格柵部分時(shí)，基本保留了格柵的形狀，并將其開(kāi)口封閉，以使整個(gè)模型封閉。

在將幾何模型處理完成之后，將所得到的初始模型導(dǎo)入到STAR-CCM+中，再對(duì)模型進(jìn)行一定的處理以備下一步在STAR-CCM+中進(jìn)行包面（Surface Wrapper），然后再對(duì)包面的模型進(jìn)行表面重構(gòu)（Surface Remesher），通過(guò)表面重構(gòu)得到了質(zhì)量較好的網(wǎng)格模型，從而保證了后續(xù)生成體網(wǎng)格的質(zhì)量。最終的整車(chē)面網(wǎng)格模型如圖2所示。計(jì)算域大小設(shè)置：寬為7倍車(chē)寬，高為6倍車(chē)高，長(zhǎng)度為13倍車(chē)長(zhǎng)（車(chē)前面4倍車(chē)長(zhǎng)，車(chē)后面8倍車(chē)長(zhǎng)）的長(zhǎng)方體。

圖1 汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化流程

面網(wǎng)格生成完畢后，再以面網(wǎng)格為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行體單元的劃分。本次體網(wǎng)格的生成采用了STAR-CCM+中具有特色的切割六面體網(wǎng)格模型（Trimmer），采取了混合網(wǎng)格的策略，即Trimmer+棱柱層網(wǎng)格，其中棱柱層網(wǎng)格是用來(lái)生成汽車(chē)表面及非滑移地面邊界層的。為了保證模擬計(jì)算的精確性，在本研究中共設(shè)置了5個(gè)體網(wǎng)格加密區(qū)，分別是汽車(chē)底部、尾部以及三個(gè)整車(chē)體網(wǎng)格加密區(qū)，如圖3所示。

圖2 某車(chē)面網(wǎng)格模型

圖3 體網(wǎng)格加密區(qū)

表1 邊界條件的設(shè)置

湍流模型選擇了可實(shí)現(xiàn)的k-ε（Realizable K-Epsilon）湍流模型，該模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的變形，用數(shù)學(xué)約束改善模型性能。在本研究的邊界條件的設(shè)定上將計(jì)算域的入口設(shè)定為速度入口（velocity inlet），氣流流速為120km/h，計(jì)算域出口設(shè)為壓力出口（pressure outlet），相對(duì)壓力值為0Pa，汽車(chē)前部地面設(shè)置為滑移（slip）邊界條件，其余地面設(shè)置為非滑移邊界條件（no-slip），具體邊界條件的設(shè)置如表1所示。

經(jīng)過(guò)4000步的迭代計(jì)算達(dá)到收斂，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足精度要求。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到了整車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)為0.325，整車(chē)氣動(dòng)阻力為270.08N。

通過(guò)后處理分別得到對(duì)稱(chēng)面的相對(duì)壓力系數(shù)云圖如圖4所示，對(duì)稱(chēng)面上的湍流動(dòng)能圖如圖5所示，以及水平面上的湍流動(dòng)能圖如圖6所示。

圖4 對(duì)稱(chēng)面的壓力系數(shù)云圖

圖5 對(duì)稱(chēng)面上的湍流動(dòng)能圖

圖6 水平面上的湍流動(dòng)能圖

根據(jù)對(duì)以上相關(guān)空氣動(dòng)力學(xué)云圖的分析，針對(duì)汽車(chē)模型前部，最終確定了與啟動(dòng)減阻有關(guān)的設(shè)計(jì)變量，分別為：發(fā)動(dòng)機(jī)蓋傾角、擋風(fēng)玻璃傾角、接近角、前翼子板外寬。

3 汽車(chē)模型前部空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化

3.1 設(shè)計(jì)變量設(shè)置

在不改變其基本造型的情況下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋傾角進(jìn)行參數(shù)化變形方案設(shè)計(jì)，其初始角度為6°，所設(shè)置的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋傾角角度的變化范圍為[6°, 9°]；前擋風(fēng)玻璃傾角的初始角度為32°，所設(shè)置的前擋風(fēng)玻璃傾角角度變化范圍為[30°，34°]；基于原始模型，前輪包向內(nèi)收縮范圍為[0mm，40mm]；接近角的原始角度為4°，設(shè)置其變形范圍為[0°，8°]。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有許多種，選擇適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)設(shè)計(jì)方法不僅可以有效降低計(jì)算成本，而且為后續(xù)建立的近似模型的精確度提供了保障。在本研究中，由于考慮到可控因子（設(shè)計(jì)變量）的水平是連續(xù)的，因此可以選擇全因子設(shè)計(jì)、拉丁超立方采樣及哈默斯雷采樣，但全因子設(shè)計(jì)所需的設(shè)計(jì)點(diǎn)很多，在基于CFD計(jì)算的試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，由于單個(gè)模型的計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，一個(gè)算例大概需要10多個(gè)小時(shí)，這會(huì)造成試驗(yàn)的計(jì)算成本和時(shí)間成本很高，故本試驗(yàn)不采用全因子設(shè)計(jì)。對(duì)比拉丁超立方采樣和哈默斯雷采樣兩種采樣方法，哈默斯雷采樣是基于哈默斯雷點(diǎn)利用偽隨機(jī)數(shù)值發(fā)生器，均勻地在一個(gè)超立方體中進(jìn)行抽樣，其優(yōu)點(diǎn)在于它能在K維超立方體上取得很好的均勻分布，而拉丁超立方采樣只在一維問(wèn)題上取得較好的均勻性，故本文采用哈默斯雷采樣方法[3]。

通過(guò)對(duì)DOE矩陣的后處理分析，可知汽車(chē)前部的四個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)氣動(dòng)阻力的影響非常小，這主要是因?yàn)樵撈?chē)模型處于造型的中后期階段，對(duì)模型的修改變化有很大限制，因此在對(duì)汽車(chē)模型進(jìn)行變形時(shí)都是進(jìn)行微小的改變，所以對(duì)氣動(dòng)阻力產(chǎn)生的影響較小。各個(gè)試驗(yàn)變量之間的交互作用皆近乎為零，所以在對(duì)該模型進(jìn)行設(shè)計(jì)分析時(shí)不用考慮這幾個(gè)變量之間的交互作用[5]。

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

本次通過(guò)采用移動(dòng)最小二乘法擬合構(gòu)建了近似模型，通過(guò)自適應(yīng)響應(yīng)面法，以氣動(dòng)阻力最小為優(yōu)化目標(biāo)，氣動(dòng)升力系數(shù)約束在一定的范圍內(nèi)，結(jié)合所構(gòu)建近似模型，優(yōu)化后的參數(shù)如下：發(fā)動(dòng)機(jī)蓋傾角為6°；前擋風(fēng)玻璃傾角的初始角度為30°；前輪包向內(nèi)收縮[0mm；接近角為8°，自動(dòng)優(yōu)化算法預(yù)測(cè)的阻力為267.12N，對(duì)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)經(jīng)過(guò)CFD驗(yàn)證計(jì)算得到的預(yù)測(cè)阻力為268.36N， CFD計(jì)算結(jié)果與優(yōu)化算法所預(yù)測(cè)的氣動(dòng)阻力值之間的誤差僅為0.46%，誤差較小，說(shuō)明優(yōu)化結(jié)果可信。最終的優(yōu)化后模型與原模型的形狀對(duì)比如圖7所示。優(yōu)化后模型的Cd值為0.322，比原模型Cd值0.325降低了0.92%。

圖7 原始模型與優(yōu)化模型形狀對(duì)比

圖8所示，為原始模型與優(yōu)化后的模型的車(chē)身表面壓力云圖。汽車(chē)表面的壓力變化主要體現(xiàn)在車(chē)身前部，車(chē)身后部的表面壓力優(yōu)化前后變化較小，說(shuō)明車(chē)身前部設(shè)計(jì)變量對(duì)車(chē)身后部流場(chǎng)影響較小。

圖9為兩模型對(duì)稱(chēng)面上的湍流動(dòng)能云圖。通過(guò)對(duì)比可以明顯發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后模型底部較原始模型底部的流場(chǎng)得到明顯改善，由圖9可以看出在接近角處，優(yōu)化模型的湍流區(qū)明顯減小，其中心湍流動(dòng)能明顯降低，原始模型的底部有著較長(zhǎng)較厚的湍流區(qū)域，優(yōu)化后整個(gè)底部的湍流區(qū)域明顯變薄，這是由于接近角的增大使得氣流較平順地流過(guò)車(chē)身底部，改善了底部的氣流狀況，這也說(shuō)明接近角對(duì)車(chē)身底部氣流的影響較大，在汽車(chē)外形設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)尤為關(guān)注此處。

圖8 車(chē)身表面壓力云圖

圖9 對(duì)稱(chēng)面上湍流動(dòng)能云圖

觀(guān)察發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前端可見(jiàn)，雖然在優(yōu)化模型中并沒(méi)有對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋處做任何變形，只是對(duì)擋風(fēng)玻璃傾角做出相應(yīng)的改變，但可以看出優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前端的湍流動(dòng)能較原始模型有所減小，這對(duì)整個(gè)模型的減阻來(lái)說(shuō)是有幫助的，說(shuō)明擋風(fēng)玻璃傾角能夠影響到車(chē)身前部的氣流狀態(tài)，同時(shí)這也給出了一個(gè)啟示，就是在對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，一個(gè)設(shè)計(jì)變量所產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)作用是不可忽略的。同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋與擋風(fēng)玻璃轉(zhuǎn)角處也可以發(fā)現(xiàn)此處的湍流動(dòng)能也有所減小，使得在優(yōu)化后模型的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋及擋風(fēng)玻璃上的氣流貼合度較原始模型要好，對(duì)氣動(dòng)阻力的減小都起到一定的作用。

在車(chē)子尾部也可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后模型較原始模型的湍流動(dòng)能有所減小。可以看出，前部接近角的改變也會(huì)對(duì)汽車(chē)尾部的氣流狀況產(chǎn)生影響，所以一個(gè)好的車(chē)身前部設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生較好的作用，不僅僅能夠影響到車(chē)身前部，同時(shí)也會(huì)影響到車(chē)身的其他部分。

4 結(jié)論

根據(jù)氣動(dòng)外形減阻的傳統(tǒng)優(yōu)化流程，通過(guò)優(yōu)化軟件HyperStudy與變形軟件HyperMorph、計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+耦合，搭建了氣動(dòng)外形減阻的自動(dòng)優(yōu)化流程，實(shí)現(xiàn)了模型的自動(dòng)優(yōu)化減阻，能夠?yàn)楫a(chǎn)品的研發(fā)節(jié)省時(shí)間，大大提高了工作效率。

本研究也發(fā)現(xiàn)，在某一設(shè)計(jì)變量改變時(shí)往往有些結(jié)果的變化是難以預(yù)料，擋風(fēng)玻璃傾角對(duì)車(chē)身前部氣流所產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)作用是不可以忽視的，這對(duì)于工程師對(duì)整車(chē)造型的優(yōu)化研究是非常重要。

通過(guò)對(duì)汽車(chē)前部的優(yōu)化可以看出，在汽車(chē)中后期造型階段的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化工作由于受到造型方面的限制，對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)變量的變化幅度較小，因此在氣動(dòng)減阻方面的工作是比較困難的。

[1] Singh R. Automated Aerodynamic Design Optimization Process for Automotive Vehicle[C]. SAE Technical Paper. 2003-01-0993.

[2] CD-Adapco company. STAR-CCM+ version 10.04.011 user guide[K].

[3] 洪清泉,趙康,張攀等.OptiStruct & HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[4] 張英朝.汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2011.6.

[5] 蒙哥馬利.傅鈺生等譯.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M].北京:人民郵電出版社, 2009.

Research on Automatic Optimization of aerodynamic drag reduction for the automobile front part

Huang Senren1, Wang Yu2, Cui Shihai2, Liu Xuelong1

( 1.China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd.. Tianjin 300300; 2.College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222 )

The computational fluid dynamics (CFD) is widely applied during the design of vehicle dynamic shape. However, the traditional CFD can only be used after the complete of vehicle CAD geometrical digital model, and the optimization scheme cannot be verified at once, which made the automobile design period longer. Based on the CFD model of an automobile, an automatic optimization process for the design variables of automobile front part was realized by coupling optimization code Hyperstudy, element morph code Hypermorph and commercial CFD code STAR-CCM+.

CFD; Aerodynamic shape; aerodynamic drag reduction; Automatic optimization; DOE

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1671-7988(2019)03-101-04

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黃森仁，中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，碩士、高工、研究方向：汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)。

崔世海，博士，教授，天津科技大學(xué)，研究方向：汽車(chē)CAE。

天津市中青年骨干教師項(xiàng)目資助。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.031