不同造型風格的車身低阻基本形體

韋甘+楊志剛+李啟良

作者簡介： 韋甘(1987—)，女，廣西昭平人，博士研究生，研究方向為汽車空氣動力學，(Email)weigan87@163.com;

楊志剛(1961—)，男，遼寧鞍山人，教授，博導，博士，研究方向為車輛工程及空氣動力學，(Email)zhigangyang@tongji.edu.cn0引言

自1983年開始，汽車空氣動力學進入汽車造型的整體優(yōu)化階段.汽車整體優(yōu)化設計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的實車.［1］最初作為原型的低阻基本形體與實車越接近，優(yōu)化效率和優(yōu)化質量越高.現(xiàn)代市場對汽車造型的需求是多元化的，為同時滿足氣動性能和造型需求，不同車型需要建立相應的不同造型風格的低阻基本形體.

過去對低阻基本形體的研究主要依賴于風洞試驗和經驗知識.風洞試驗的試驗次數嚴重受限，但剩余優(yōu)化空間較大.雖然可利用來自航空領域的經驗知識或已知的“半車身”“旋轉體”等理論設計出氣動阻力極低的形體［24］，但同種方法設計出的低阻基本形體的造型風格較相似.為滿足具有不同造型風格的低阻車身外形需要，僅僅利用少量的風洞試驗和現(xiàn)有的經驗進行嘗試和推斷是不夠的.

隨著CFD和計算機技術的迅速發(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結合，并在翼型氣動優(yōu)化問題上獲得顯著效果.［57］本文將其運用于求解不同造型風格的車身低阻基本形體，得到的不同造型風格的低阻基本形體是對未來車身的探索，既可以作為車身整體優(yōu)化過程中的原型，又可為汽車造型設計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車身參數化建模方法

車身3個方向的視圖見圖1.用參數控制曲線關鍵點（圖中圓圈）的位置和部分曲線的端點斜率，用直線和保凸曲線構成車身的側視圖、俯視圖和橫截面，結合半車身［1］和翼型彎度線［3］的概念實現(xiàn)三維車身形體的構建.其中，橫截面最寬點的高度由側視圖的上下車身線決定，寬度由俯視圖決定，Ｌ為整車長度.

（a）側視圖

（b）俯視圖(c)橫截面圖 1車身3個方向的視圖

Fig.1Automobile body views in three directions

1.24種車型的約束條件

整車尺寸設置為A級轎車類別范圍，設整車尺寸中的車長、車寬和離地間隙為固定值.A車型側視圖見圖1(a)，用12個參數控制9個控制點，長高比取現(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（圖1(a)中的控制點5）的最低位置設為車高的一半，其他參數的變化范圍均與A車型相同.C車型是在A車型的基礎上將長高比變?yōu)?.8，即在固定車身長度的前提下增加車身高度.D車型在A車型的基礎上把側視圖中的控制點8從外凸點改為內凹點，并在控制點8的左右兩側添加2個過渡控制點，即D車型的側視圖用18個參數控制11個控制點.

1.3優(yōu)化方法

對比不同參數組合的二維車身1~5以及與其對應的三維車身S1~S5的氣動性能，部分算例的中截面的壁面剪切應力分布見圖2(a)，二維和三維車身的氣動阻力因數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結構近似，前者可以大致反映氣流分離和再附著等主要流動特征，并能預測后者的CD的總體變化趨勢，可以作為三維車身氣動性能的簡單預測，且二維車身外流場的數值計算時間較短，利于配合遺傳算法進行全局優(yōu)化.本文選擇側視圖參數作為優(yōu)化參數，對二維車身進行全局尋優(yōu)，得到的優(yōu)化結果作為三維低阻基本形體的側視圖.

(a)中截面的壁面剪切應力

（b）氣動阻力因數

圖2二維車身和三維車身的氣動性能

Fig.2Aerodynamic performance of 2D and

3D bodies

根據CFD計算量大的特點，將試驗設計方法與遺傳算法相結合作為全局優(yōu)化的方法.用MATLAB軟件配合Gambit和TGrid軟件實現(xiàn)網格自動化生成，用FLUENT軟件進行數值模擬計算.來流速度設為30 m/s，模型選用可實現(xiàn)kε模型.單個二維算例約有20萬個非結構網格，單個三維算例約有2 000萬個混合網格.

24種車型的低阻基本形體

2.1優(yōu)化結果

通過優(yōu)化得到A，B，C和D等4種車型的側視圖見圖3(a).根據乘員舒適性、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組合（外形見圖1(b)和（c）），結合側視圖優(yōu)化結果和俯視圖、橫截面圖，得到4種不同車型低阻基本形體，見圖3(b).

（ａ）側視圖優(yōu)化結果

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

圖 4低阻基本形體的氣動性能

Fig.4Aerodynamic performances of low drag base bodies

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

2.2風洞試驗驗證

選擇基本形體A′為試驗對象，制作1∶12縮比模型在模型風洞中進行試驗，見圖5.模型風洞為開口回流式，試驗段寬1.185 m，高0.818 m.模型全長0.350 m，底部用單根鋼支撐柱固定，阻塞比約為10%.測量儀器使用5通道壓力采集系統(tǒng)的六分力天平，縱向精度為0.075%，縱向準度為0.068%.在不同工況下，CD值的誤差約為3%~9%，不同測壓點的壓力因數分布的風洞試驗結果與數值計算結果基本符合，驗證本文數值方法的可靠性.

圖 5縮比模型的風洞試驗

Fig.5Wind tunnel test for scaled model

３低阻基本形體的對比分析

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′均為低長尾造型.低且長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，但低長尾室內可利用空間狹小，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的重要原因.當然，通過發(fā)動機后置和乘員艙前移等方法也可以解決車身布置問題［1］，所以低長尾車型依然是值得探索的低阻造型之一.

尾渦結構見圖6，可知高尾車型和低尾車型的車身后端中央對稱面附近上下都有一對馬蹄渦，左右都有一對拖曳渦.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，且馬蹄渦的湍動能較大.從車尾端向后，長為0.5倍車長、高為1倍車高、寬為1倍車寬空間內的湍流耗散率見圖7，可知B′的車后湍流耗散率體積平均值約為其他3個車形的2倍，這說明高尾車型特殊的尾渦結構使得車身的渦阻因數高于低尾車型.通過優(yōu)化，B車型尾部取自身優(yōu)化空間中的較低位置，但因為其優(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′的車頂最高點和車底后翹前端點較A′明顯后移，靠近車長的中間位置；車頭最前點較A′上移且端部尖窄，從控制點3到控制點4之間的過渡非常扁平，控制點3，8和4這3點幾乎連成一線.頭部氣流和尾部氣流聯(lián)系緊密，當尾部造型導致尾部氣流發(fā)生顯著改變時，車身其他部位的造型也應該隨著發(fā)生改變，這也證明不同約束條件的車型獨立優(yōu)化的必要性.

A′車型

圖 6尾渦結構

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、形阻因數還是渦阻因數都不可避免地偏大，但也能達到較好的氣動性能.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整其他部位的造型，可盡量減少高尾對氣動性能的影響，最大限度地挖掘自身車型的氣動性能潛能.這種潛能涉及到三維流場的非線性變化規(guī)律，僅僅用定性的經驗和知識不能確定有具體約束條件的車身的最優(yōu)解，而用數值模擬試驗結合全局尋優(yōu)的方法可以發(fā)掘出不同車型的氣動性能的最大潛能.

3.2長高比

傳統(tǒng)認為車的長高比越大，車身越細長，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，說明長高比小的車型也能得到氣動性能同樣優(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′的最高點明顯前移，車底后翹更長.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.

不同長高比車身的氣動阻力因數見圖8.C′使用2.8長高比時的CD值比使用3.0長高比時小，而A′使用3.0長高比時的CD值比使用2.8長高比時小，說明不同長高比的車型的氣動變化規(guī)律不同，CD值變化趨勢不同.不同長高比的車型應獨立優(yōu)化，不應直接套用已有的長高比優(yōu)化案例.獨立優(yōu)化過程可以最大限度地挖掘當前約束條件下的車型的氣動性能潛能.

圖 8不同長高比車身的氣動阻力因數CD

Fig.8Aerodynamic drag factors CD of bodies with

different lengthheight ratios

3.3頭部形狀

D′因為頭部的約束條件不同，造型風格與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格多元化的特點.兩者的頭部從控制點3到控制點4的部分存在一定的相似度，例如從控制點3到控制點8的部分大致吻合，從控制點8到控制點4的部分的大致趨勢也相似.D′的頂部最高點與A′相比稍前移.

中截面壓力因數云圖見圖9，A′和D′車頭部分的靜壓因數分布雖然形狀不同，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′的渦阻因數偏低，是導致D′的Cp偏低的主要原因.

A′車型

圖 9中截面壓力因數云圖

Fig.9Pressure factor contours in middle section

對于缺乏具體經驗規(guī)律且造型較為復雜的車型，使用魯棒性能較強的遺傳算法可以簡化搜索過程，得到傳統(tǒng)經驗無法預測的優(yōu)化解，這種優(yōu)化方法可以用于對未來新車型的探索.

4結論

結合數值模擬計算和混合優(yōu)化方法，通過添加不同的外形約束條件，可以較簡便地獲得不同造型風格的低阻基本形體.它們的CD值在0.085~0.100的低阻范圍內.縮比模型的風洞試驗驗證這種優(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，但也能達到較小的0.10.長高比為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.不同長高比的車型的CD值變化趨勢不同，應該獨立進行優(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格具有多元化的特點.不同約束條件下的車身外流場變化規(guī)律不同，全局尋優(yōu)的方法可以最大限度地挖掘當前車型的氣動性能的潛能，得到相應的低阻基本形體.

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