基于伴隨模型的洗掃類環衛車氣力系統優化設計 *

張 沛，張 喆，郭海樂 龐 明，姜衛生，陳 鴿

(鄭州宇通重工有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引 言

隨著經濟的快速發展和城市對環境衛生質量要求的不斷提高，各地環衛部門加快了提高城市道路清掃機械化程度的步伐。洗掃車作為新一代路面作業清掃工具，其實際應用范圍越來越廣泛[1]。但由于國內道路清掃車的研制與生產起步較晚，國內道路清掃車仍普遍存在能量損失高、作業效率低及二次污染等設計缺陷，主要是氣路系統內流場的不合理分布及降塵措施的不完善所致。

作為決定整車洗掃效果最關鍵的部件之一，由吸盤、吸管、大箱以及進氣道和風機共同組成的洗掃車氣力系統的能耗基本都要占到整個洗掃車量上裝能耗的50%以上，在一些小型號的洗掃類車輛上甚至超過了55%。因此，從節能降耗，提升產品市場競爭力等方面考慮，對洗掃類產品的氣力系統做科學系統的分析并進行行之有效的優化對于環衛產品設計生產廠家有著十分重要的現實意義。目前，我國國產洗掃車氣力系統的設計仍較多采用傳統的設計方法，即首先進行氣力系統及氣路的結構設計，然后制造出物理樣機進行測試，其過程需要反復設計且設計效果很大程度依賴設計人員的經驗。由于洗掃車氣力系統幾何結構的復雜性，傳統的設計方法很難達到預期的效果，這也是目前國產洗掃類產品能耗普遍偏高的主因之一。

隨著計算及軟硬件水平的發展，計算流體力學(CFD)技術在各行業領域的應用日益增加[2]。同時CFD技術聯合諸如CAESES、HEEDS等優化軟件架構的多學科優化(MDO)平臺也被廣泛的應用于車輛、船舶、飛機、流體機械等多種行業中。西門子在2017年以智能制造和智能設計為主題的PLM軟件年會中便提出了以參數化模型為基礎、CAE仿真軟件為內核、優化算法為平臺的智能設計鏈的概念。隨著智能制造概念的逐步升溫，這種優化設計鏈業已成為多個行業內最為主流的優化設計方法。然而進行MDO綜合優化所需的時間成本高，對產品開發周期的影響占比大一直是該方法目前存在的最大問題之一。特別是對于洗掃類環衛產品這種剛剛起步，仍需針對市場反饋不斷對產品進行升級換代的產業而言，產品開發周期的長短很大程度上決定了換代產品在市場上先發優勢的多寡，因此選擇一種短時高效有針對性的優化設計方法才是目前最為適合洗掃類環衛產品設計開發的手段。

伴隨流方法因其計算量與設計變量的數量無關、易編程實現、求解內存需求量小等優點，近年來在形狀反設計及優化領域得到了國內外研究者的廣泛關注[3]。筆者通過商用CFD軟件，將伴隨方法擴展到湍流領域，以某18 t路面洗掃車的吸盤為分析對象，通過伴隨流的方法以吸管出口處的質量流量為成本函數對吸盤的幾何外形進行了敏感度分析和形狀反設計，在極小的幾何改動量下，取得了良好的優化效果。

1 伴隨流模型

1.1 簡 述

伴隨流方法最早由Pironneau引入到流體力學領域中[3]，隨后Jameson將其擴展到了航空領域[4]，盡管目前國內對于該方法在工程上應用的實例較少，但在學術領域特別是對內流和外流研究方面已得到了廣泛的應用。

盡管目前伴隨流模型存在著僅能進行幾何形狀反設計、無法跳出成本函數的概念進行優化、僅能針對單相介質求解等諸多限制，但是應用伴隨流模型依舊能夠快速地為解決以下問題：①幾何結構是如何對成本函數造成影響；②邊界條件對于成本函數的影響；③基于成本函數，對幾何表面給出定量的敏感度分析；④對因網格數值擴散產生的誤差進行評估。

與一般的流場求解不同的是，伴隨流求解一般分為兩個步驟：①初始流場求解并確定收斂，獲得原始解Q；②啟用伴隨流模型進行伴隨求解。

在進行第一步的原始解求解并收斂后，通過以下三個方面確定進行伴隨求解所需的輸入條件：①明確設計參數：明確通過何種設計參數D來定義初始幾何(網格)的變形，同時通過設計參數D建立與網格節點X的關聯關系；②明確收斂解：對求解方程進行迭代，獲得收斂解Q；③明確成本函數：根據需要建立目標物理量的伴隨成本函數L，例如壓降、質量流率或升力，阻力等。

1.2 對設計參數的敏感度分析

(1)

假設有n個設計變量D和m個網格節點X，則：

(2)

可以看到，(2)式中的每一列都是雅克比正切，而每一行都是雅克比的梯度。

顯而易見的是，當設計變量D或網格節點X的數量很龐大時，對于式(1)的求解將變成一個相當耗時的工作，這與我們使用伴隨流模型進行優化的初衷不符。為了解決這個問題，首先：

(3)

(4)

2 數值計算方法

2.1 洗掃車吸盤幾何結構

由于吸盤和吸管是完全左右對稱的，因此選取幾何結構的1/2作為仿真分析對象。同時，為了充分考慮到板厚、離地高度等對吸盤能耗的影響，此次研究沒有采用傳統的抽取幾何流體域的方式建模而是采用了一種帶有四周外域的幾何模型，具體結構如圖1所示。其主要參數詳見表1。

2.2 網格劃分

考慮到伴隨流計算中對梯度計算精度的要求，網格劃分采用多面體網格方案。

圖1 計算用幾何模型

表1 吸盤主要結構參數/mm

同時由于吸盤的側板和后尼龍塊離地間隙均十分小，在進行網格劃分時采用了面網格重構和體網格局部加密等方法。為了避免網格數量對數值仿真精度的影響，進行原始解求解時對網格進行了無關性處理。最終計算模型的總網格數61萬374個。如圖2所示。

圖2 計算網格示意圖

2.3 邊界條件

此次研究的重點是探討應用伴隨流方法對吸盤進行幾何形狀優化，不涉及任何對邊界條件優化，因此無論是進行原始解求解還是后續的伴隨流求解中均采用相同的邊界條件進行仿真計算和優化。如表2所列。

表2 邊界條件一覽

2.4 收斂判定

當原始解完全收斂后方能開始伴隨流計算。對于吸盤這種氣力設備而言，壓降和流量是最重要的設計參數。由于吸管出口采用的是壓力出口邊界條件，因此文中最重要的設計參數便是吸嘴出口處的空氣質量流率，收斂的判定條件也不僅僅局限在各項計算殘差，在本文中質量流率檢測曲線每一個計算步的前后差值不大于0.000 1 kg/s，且連續持續100步以上也是判定原始解是否完全收斂的決定性指標之一。

2.5 數值模型

數值計算采用基于耦合求解的隱式定長算法，湍流模型為可實現化的k-e湍流模型，在近壁面處進行兩層全Y+壁面處理以提高近壁面處的數值計算精度。梯度計算選擇2階精度的混合高斯-LSQ梯度法，同時加入Venkatakrishnan梯度限制器。同時，在本文中忽略了重力對流體的影響。

3 結果及其分析

3.1 原始解求解

在進行伴隨求解之前，首先需要完成對原始解的求解過程。本文中的數值仿真是基于全耦合流體進行，為了加速仿真收斂，在求解過程中加入了基于V循環庫朗數躍升的連續性收斂加速器，并對吸管出口的質量流量進行檢測(見圖3)，以確保仿真的完全收斂。

圖3 質量流量監測圖

3.2 伴隨模型求解

3.2.1 流場分析

從圖4所示速度矢量線積分卷積圖可以看到。

(1) 在前后水平方向上，由于吸盤前膠皮離地高度遠大于后尼龍塊的離地高度，因此前端的空氣入流速度明顯大于后端，且在吸管前部形成明顯的前后入流的對沖。

(2) 在左右方向上，由于吸管靠近吸盤的兩側，因此吸盤中部受側向進風的影響很小，而在兩側的部分前后兩端的吸入空氣均受到側面進風的擠壓，在吸盤側部形成明顯的渦流區。

(3) 在垂直方向上，吸盤前、后端的上部均存在明顯的渦流區。

圖4 速度矢量線積分卷積圖

通過以上分析，可以發現盡管吸盤的幾何結構相對簡單，但由于其四周的圍板離地距離都很小，且存在一定的高度差，而吸管安裝位置受到車架的影響，嚴重的偏向吸盤的兩側，因此導致吸盤內部的空氣流場存在明顯的流動對沖、二次渦以及三維渦流，在進入吸管前的流場整體上體現出了強烈的湍度，很難通過分析流場來制定科學的優化方案。

3.2.2 伴隨流優化

氣力系統的整體功率是以風機消耗的能耗來評估的，就吸盤而言能耗優化簡單的講就是減少壓降，提高風量這兩點。由于文中的仿真是基于吸管出口為-5 000 Pa的壓力入口為邊界條件的，因此優化點就變為了如何在-5 000 Pa的負壓下提高出口的空氣質量流量。

基于之前的原始解，以吸管出口質量流量為成本函數，對吸盤原始幾何結構進行伴隨模型優化，結果如圖5所示。

從圖5可以看到，通過伴隨流模型的計算后，伴隨模型以吸管出口處的質量流率為成本函數對吸盤原始幾何模型各個表面進行了定量敏感度分析。根據這個分析結果，只要改變吸盤的幾何結構，設法讓流場中的空氣更多的集中到圖5所示的流量成本較高的區域，增加該處的空氣經過量。

3.2.3 優化方向確認

從實際產品優化開發的角度，吸盤幾何結構的優化還需要考慮到成本、加工工藝、總布置以及重量等諸多因素，因此在實際的現有產品優化中，能夠對原有吸盤幾何機構的改動不能夠是太具有顛覆性的?；谶@個考慮，首先對圖5進行細節化的分析，并將結果整理如下：

(1) 盡管吸盤的幾何結構上均體現出一定的敏感度，但其峰值仍主要出現在吸管前后的前膠皮和后尼龍塊處。

(2) 前膠皮，后尼龍塊和側板的離地高度對質量流率影響極大，但由于涉及到吸盤的綜合吸力和洗掃潔凈率，此點暫時不能作為優化方向。

(3) 從圖6可以看到，在吸盤前端頂板處有正負2個峰值相鄰出現，這可以是一個很好的可優化點。

圖5 基于質量流率的伴隨流分析 圖6 局部放大圖

3.2.4 優化方案

基于上面的分析，以微調的基準，設計了以下三種優化/檢查方案(見圖7):

優化方案A：將前部膠皮和后尼龍塊該外傾斜形式(a)。

優化方案B：在吸盤前端頂板處有表面敏感度呈正峰值處開一個內徑5 mm，壁厚0.5 mm的直圓孔(b)。

檢查方案C: 在吸盤前端頂板處有表面敏感度呈負峰值處開一個內徑5 mm，壁厚0.5 mm的直圓孔(c)。

圖7 各優化方案幾何模型

4 效果檢查

如上一節所述，優化和檢查方案的改動量均不大，因此優化前后的流場并不會有很大的變化，為了對比優化效果，取高度0.08 m處水平截面的速度矢量線積分卷積圖進行對比觀察。

圖8 各方案對比

表3 邊界條件一覽

從圖8可以看到，盡管改進后的動量變化很小、流場變化也不大，但是還是能夠看到優化方案A中

渦流區有所變小而優化方案B中盡管渦流區變大，但其對周圍流場的影響被很好的阻斷，從而使整個流場區域平穩。結合表3中吸管出口處的質量流量計算結果能夠發現通過伴隨流優化能夠有針對性提升對吸盤的吸力。

5 結 語

通過應用伴隨流模型對某洗掃類環衛產品的吸盤進行了優化分析，以吸管出口處的空氣質量流量為成本函數，得到了吸盤幾何結構表面的敏感度分析結果。并依據此分析結果進行優化方案和檢查方案的設計，有效地證明了應用伴隨流模型對洗掃類產品氣力系統進行分析和優化的可行性。

由于伴隨流模型求解速度快、易收斂且無需借助于任何其他的優化設計軟件也無需對原始模型進行參數化建模，僅需要單一Fluent、STAR-CCM+等商用CFD求解器即可完成全部設計和優化工作，與目前主流的MDO優化方法相比在時間成本、軟硬件需求等方面具有明顯的優勢，對于洗掃類產品研發而言有很好的實用價值。