基于數據挖掘的皮卡貨車導流板減阻研究

賴晨光，陸茂桂，張海林

(重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054)

基于數據挖掘的皮卡貨車導流板減阻研究

賴晨光，陸茂桂，張海林

(重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054)

為了減小皮卡貨車行駛中的氣動阻力，利用計算流體力學(CFD)、DOE試驗設計、優化算法及自組織神經網絡(SOM)相結合的方法，分析了導流板安裝角度、導流板長度、貨箱長度和貨箱高度對氣動阻力系數Cd的影響。研究結果表明：導流板安裝角度對Cd的影響最大，且具有較好減阻效果的導流板的安裝角度并不是一定值，而是隨著貨箱結構尺寸的改變而變化。

皮卡貨車；導流板；減阻；數據挖掘

隨著車速的提高，由空氣阻力引起的汽車動能消耗成為一個不可忽視的問題。前人利用風洞試驗與計算流體力學(CFD)的方法在汽車減阻方面做了許多工作，但國內外學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]通過風洞試驗，利用PIV技術得到了某皮卡貨車詳細的外流場結構、貨箱上方及貨車尾部的渦流分布特點。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阻力的影響，并通過將兩種方法結合使阻力系數減少了0.021。HA等[3]將導流板安裝在駕駛室頂棚后部，以導流板長度與安裝角度為變化參數，通過實驗與CFD相結合的方法研究了導流板不同的安裝角度與長度對氣動阻力的影響，研究結果表明：阻力系數Cd隨著導流板的長度增加而減??；隨著導流板的安裝角度Cd值呈現先減小后增大的趨勢。

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

1 參數模型

本次數值模擬所用皮卡貨車CAD模型為文獻[4]中使用的模型，其各參數為文獻[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、導流板安裝角度angle和導流板長度length為設計變量參數，如圖2所示。各參數的變化范圍如表1所示。

圖2 變化的參數Fig.2 Variable parameters

表1 參數變化范圍

2 網格生成與數值計算

2.1 計算域

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

圖3 計算域

2.2 網格劃分

為了減少計算的網格數量，采用混合網格策略，即：將整個計算域劃分為兩個區域，在內部小域中采用貼體性較好的四面體網格；為了更好地捕捉車身周圍的流場信息，在靠近車身的區域采用了密度盒進行加密，如圖4中最深色區域所示，在外部大域中采用六面體網格，如圖4中的淺色區域所示。

圖4 計算域網格劃分

2.3 模擬計算

根據相關文獻，Realizablek-ε湍流模型在計算汽車外流場時具有較好的適應性，故本次模擬采用Realizablek-ε湍流模型。計算域的入口為速度入口，速度為20 m/s；計算域的出口為壓力出口，壓力大小為0 Pa，即1個大氣壓；計算域的底面設為移動壁面邊界條件，以消除壁面邊界層對皮卡貨車周圍流場的影響。由式(1)、(2)計算得到湍流強度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為湍流強度；Re為雷諾數；D為水力直徑；S為計算域入口面積；C為計算域入口周長。

最優拉丁超立方試驗設計(Opt LHD)相比其他試驗設計具有較好的空間填充性與均衡性，可以使所選取的樣本點盡可能均勻地分布在整個取樣空間中[5]。因此，本文采用最優拉丁超立方試驗設計選取了50組初始樣本點，按照上述的設置進行Fluent迭代計算。

3 數據處理與結果分析

3.1 敏感度分析

根據Fluent計算得到的50組數據建立敏感度分析圖，分析各變量對Cd值的影響。

圖5為4個自變量對阻力系數Cd影響的敏感度分析圖。由圖5可知：4個變量中導流板安裝角度對Cd的貢獻最大，達到了44.7%；而貨箱結構尺寸對氣動阻力的影響僅占27.1%，且貨箱結構尺寸與其功能要求有著密切的關系，故以下著重討論導流板的安裝角度對具有某一貨箱結構尺寸的皮卡貨車氣動阻力的影響。

圖5 敏感度分析圖

3.2 Kriging代理模型

為了進一步分析導流板安裝角度對Cd的影響作用，利用本研究計算的50組樣本點建立了Kriging近似模型。表2為根據Kriging模型預測的Cd和用Fluent軟件計算所得的Cd，可以看出Kriging預測的結果與數值計算結果的最大誤差為3.9%，小于5%，故所建立的Kriging模型滿足所需精度要求。

表2 Kriging模型驗證

3.3 組織神經網絡分析

自組織神經網絡(SOM)是一種多維數據降維技術。SOM可以將多維數據轉化為二維拓撲映射圖，從而直觀地觀察到多維數據的特征及其之間的關系[6]。

利用遺傳算法對建立的Kriging模型進行尋優，尋優的目標為Cd最小。將遺傳算法求得的解集進行SOM處理得到angle、bedlength、bedheight與Cd的自組織神經網絡圖，如圖6所示。圖中顏色越藍表示數值越小，顏色越紅表示數值越大，各圖中的每一小單元一一對應。由Cd的自組織神經網絡拓撲圖可以看出氣動阻力系數較小的區域集中在右半側，相應地，當angle、bedlength、bedheight在各自的右半側區域范圍內取值時可以使皮卡貨車具有較小的氣動阻力系數。當bedlength較小時，如圖中的A區域，相應的angle取較大的值。bedheight取較小值時可以滿足Cd較小的要求；當bedlength較大時，如圖中的B區域，相應的angle取較小的值，bedheight取較大值時可以使Cd較小。

圖6 自組織神經網絡

為了近一步分析導流板安裝角度對皮卡貨車氣動阻力的影響，在上述的B區域中取一點進行Fluent數值計算，并將其與未安裝導流板時的皮卡貨車的流場進行對比分析。

3.4 流場分析

圖7為未安裝導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分成了兩部分。一部分氣流沿著發動機罩、前擋風玻璃、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的氣流在發動機罩前緣、車頂前緣和車頂后緣由于幾何形狀的突變而發生了氣流分離現象，前兩處與車身分離的氣流經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 未安裝導流板皮卡貨車速度矢量圖

圖8為未安裝導流板皮卡貨車模型中截面上的壓力云圖。前方氣流的流動由于受到皮卡貨車前臉及前擋風玻璃的阻礙，流體的動能轉化為靜壓勢能，所以在圖中的A、B兩個區域出現了兩個較大的靜壓區域。從車頂向后區域基本被負壓所覆蓋，尤其是貨箱內與尾擋板后方，前后壓力的差異形成了氣動阻力的主要組成部分，即壓差阻力。由于貨箱內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 未安裝導流板皮卡貨車壓力云圖

圖9為安裝導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構與未安裝導流板的時候一樣。但在貨箱的上方以及尾擋板的后方，流場的結構發生了明顯的變化。

在導流板的引導下，氣流向斜下方流動，抑制了貨箱內渦流往右上方的發展，同時進入貨箱內的氣流也增加了原負壓區的壓力勢能，使得貨箱內負壓區域的大小、負壓值大小都要比未安裝導流板的時候要小。在尾擋板后部上方氣流對尾流區域的影響區域相比未安裝導流板的時候也有所減小。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阻力。本次數值模擬的結果為Cd=0.398，相比未安裝導流板的時候降低了3.63%。

圖9 安裝導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。安裝了導流板之后的皮卡貨車背部的壓力相比未安裝導流板的時候壓力有了較大的提升，這是由于導流板所引導的下洗氣流進入到貨箱中，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流板的時候要大，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：安裝導流板后，圍擋板上的壓力要比未安裝導流板的時候要大，這是由于導流板所引導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，當由于導流板所減小的氣動阻力大于其所增加的局部氣動阻力時，導流板具有改善皮卡貨車氣動性能的作用。

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

圖11 尾擋板壓力云圖

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

4 結束語

通過以上分析可知：4個參數(導流板安裝角度、導流板長度、貨箱長度及貨箱高度)對皮卡貨車氣動阻力的影響是不一樣的。其中導流板的安裝角度對Cd值的影響最大，占44.7%。當貨箱的結構參數不一樣時，具有較好減阻效果的導流板安裝角度也是不一樣的：當貨箱較長時取較小安裝角度；當貨箱較短時，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.

[4] HAJ,JEONG S,OBAYASHI S.Investigation of the Bed and Rear Flap Variation for a Low-Drag Pickup Truck using Design of Experiments[C]//Sae World Congress.USA:SAE Paper,2010.

[5] 賴宇陽.Isight參數優化理論與實例詳解[M].北京:北京航空航天大學出版社,2012.

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.在數據挖掘中基于SOM網絡的數據分析可視化設計[J].計算機應用與軟件,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 基金項目：國家自然科學基金資助項目(51305477)

賴晨光(1978—)，男，教授，主要從事汽車與高速列車空氣動力學研究， 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化研究。

賴晨光，陸茂桂，張海林.基于數據挖掘的皮卡貨車導流板減阻研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，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