摘要

前氣壩將流經(jīng)車(chē)身下部的氣流分流，從而減少了空氣阻力。為了提高空氣壩的阻力，必須對(duì)空氣壩的高度、形狀和位置進(jìn)行優(yōu)化。進(jìn)行了大量的迭代以確定前氣壩的大小和位置，直到目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。以往研究人員主要研究氣壩高度的影響，然后通過(guò)改變高度來(lái)確定工作位置。關(guān)于前風(fēng)壩高度與位置的交互作用研究較少?，F(xiàn)有的流程很耗時(shí)，因?yàn)榍皻鈮蔚拇笮『臀恢檬鞘謩?dòng)調(diào)整的，而且每次設(shè)計(jì)都要進(jìn)行模擬，需要對(duì)所有的設(shè)計(jì)迭代進(jìn)行詳細(xì)的分析。本研究的目的是將計(jì)算流體力學(xué)解算器與設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件相結(jié)合，以減少整體的人工設(shè)計(jì)迭代來(lái)選擇有效的前氣壩幾何形狀。提出了一種耦合CFD求解器和優(yōu)化工具的方法，參數(shù)定義為前氣壩尺寸(最小和最大)，響應(yīng)定義為阻力系數(shù)。本文選擇SHERPA算法進(jìn)行優(yōu)化研究。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的CFD氣動(dòng)阻力值，并對(duì)所有設(shè)計(jì)迭代采用相同的方法。通過(guò)使用這種優(yōu)化方法，在考慮的車(chē)輛幾何形狀中，與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的氣動(dòng)阻力值相比，阻力值提高了1.3%，人工工作量減少了約40%。

介紹

采用氣動(dòng)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬有效地縮短了車(chē)輛的開(kāi)發(fā)周期并可以全面了解氣動(dòng)對(duì)車(chē)輛性能的影響。通過(guò)附加裝置來(lái)提高空氣動(dòng)力學(xué)性能是一種被廣泛采用的方法。雖然已經(jīng)建立了量化附加裝置對(duì)提高車(chē)輛阻力系數(shù)的影響的方法，但盡管有大量關(guān)于提高空氣動(dòng)力阻力性能的研究，但研究仍需要深入了解。氣壩的設(shè)計(jì)目的是限制和改變通過(guò)車(chē)體的氣流，從而降低阻力系數(shù)，提高油耗。它也被用于造型和審美目的。Adem研究了使用附加裝置的皮卡的減阻方法。研究顯示距離地面3英寸的間隙降低了0.35%的阻力。Koo等人通過(guò)改變氣壩流速和大小，研究了氣壩對(duì)客車(chē)流場(chǎng)和壓力分布的影響。研究發(fā)現(xiàn)，如果氣壩高度較小時(shí)(約為離地間隙的25%)，根據(jù)車(chē)輛的速度和形狀，氣壩的減阻效果可能不佳。Kumar等人利用CFD仿真研究了對(duì)地間隙對(duì)乘用車(chē)氣動(dòng)減阻裝置性能的影響。研究表明，減小氣壩和車(chē)輪蓋10mm的距地高度減少了11個(gè)count。Kumar等人研究了氣壩位置和高度對(duì)車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。研究表明，通過(guò)增加前空氣壩，在高速公路上以最高檔位行駛時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了3.5%。Tandon等人研究了一輛乘用車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)分析以減少阻力，通過(guò)使用主動(dòng)格柵百葉窗和空氣壩的車(chē)輛速度范圍從60 - 120公里/小時(shí)。結(jié)果表明，采用主動(dòng)格柵百葉窗系統(tǒng)和氣壩可使阻力降低12.23%。Bilal等對(duì)柔性氣壩進(jìn)行了研究。它的設(shè)計(jì)為了通過(guò)側(cè)車(chē)道，減速帶和坑洼車(chē)輛的靈活性。模擬三點(diǎn)彎曲和停車(chē)試驗(yàn)研究，預(yù)測(cè)形狀恢復(fù)。在文獻(xiàn)綜述中，所做的大部分工作都集中在模擬各種氣壩結(jié)構(gòu)以減少氣動(dòng)阻力或相關(guān)風(fēng)洞和CFD模擬。進(jìn)行更多的迭代以確定空氣壩的幾何形狀和位置，直到目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。目前的處理需要人工調(diào)整前氣壩的大小和位置，每次都要進(jìn)行模擬，每次迭代都需要后期處理，耗時(shí)較長(zhǎng)。需要進(jìn)行更多的仿真才能達(dá)到目標(biāo)值。研究人員過(guò)去常研究氣壩高度的影響，然后用固定高度的工作來(lái)確定位置。關(guān)于前風(fēng)壩高度與位置的交互作用研究較少。本研究進(jìn)行了交互效應(yīng)的研究。這里的目標(biāo)是優(yōu)化前氣壩(高度和位置)，減少人工在模擬前/后處理時(shí)間。本研究采用STAR CCM+和HEEDS軟件對(duì)前氣壩優(yōu)化進(jìn)行仿真。將空氣壩的最小和最大尺寸(高度和位置)定義為參數(shù)，阻力系數(shù)定義為響應(yīng)。根據(jù)HEEDS中定義的優(yōu)化技術(shù)和迭代次數(shù)，將更新氣壩高度和位置，并自動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代，直到滿(mǎn)足迭代次數(shù)。

方法論

前氣壩是受汽車(chē)的造型限制設(shè)計(jì)的。通過(guò)CFD模擬，評(píng)估了前氣壩幾何形狀對(duì)車(chē)輛阻力系數(shù)的影響。研究了前氣壩高度和位置對(duì)車(chē)輛阻力系數(shù)的交互影響。通過(guò)仿真，給出了一種選擇影響車(chē)輛阻力系數(shù)的有效前氣壩高度和幾何形狀的方法。本研究采用STAR CCM+和HEEDS軟件進(jìn)行耦合。

CFD建模

車(chē)輛模型已經(jīng)用ANSA軟件清理過(guò)了。利用HEEDS優(yōu)化軟件建立參數(shù)化模型，自動(dòng)更新前氣壩高度和位置。采用STAR CCM+軟件準(zhǔn)備體網(wǎng)格和流動(dòng)模擬運(yùn)行。本文提出了一種優(yōu)化前氣壩高度和位置的系統(tǒng)方法。車(chē)輛的三維對(duì)稱(chēng)模型如圖1所示。本研究未考慮底盤(pán)/下車(chē)身組件(平底盤(pán))。總的網(wǎng)格尺寸約為1200萬(wàn)個(gè)多面體網(wǎng)格。假設(shè)流場(chǎng)是穩(wěn)定、湍流。采用標(biāo)準(zhǔn)的K-epsilon湍流模型來(lái)捕捉流場(chǎng)中的湍流波動(dòng)。本研究采用旋轉(zhuǎn)輪胎模型方法。模擬中應(yīng)用的邊界條件如表1所示。

圖1 計(jì)算域

表1 邊界條件

工程流程及優(yōu)化

前氣壩部分被分成一個(gè)單獨(dú)的部分在STAR CCM+。為相應(yīng)的氣壩部件定義了坐標(biāo)系統(tǒng)。模擬是按照自動(dòng)化的順序進(jìn)行的。SHERPA（Simultaneous Hybrid Exploration that is Robust, Progressiveand Adaptive)優(yōu)化技術(shù)被用于提供設(shè)計(jì)矩陣。優(yōu)化的目的是在更少的設(shè)計(jì)迭代中提高車(chē)輛的氣動(dòng)阻力值。該算法的主要特點(diǎn)是基于實(shí)際的模型評(píng)價(jià)進(jìn)行優(yōu)化，而不是使用近似的地表響應(yīng)模型。工作流程圖如圖2所示。所選的優(yōu)化技術(shù)以氣壩高度和位置為輸入。因此，仿真軟件的計(jì)算域得到更新，以運(yùn)行流分析。每次設(shè)計(jì)迭代完成后，HEEDS將對(duì)結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控和后期處理。優(yōu)化算法會(huì)根據(jù)每次迭代獲得的阻力值再次提供輸入，以最小化/優(yōu)化阻力系數(shù)。這個(gè)工作流過(guò)程將持續(xù)執(zhí)行，直到確定的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)量。在確定迭代次數(shù)后，HEEDS將根據(jù)從整體實(shí)驗(yàn)中獲得的阻力來(lái)確定最佳設(shè)計(jì)。這整個(gè)工作，從幾何更新到仿真和后期處理的結(jié)果是完全自動(dòng)化的。

圖2 工作流程圖

氣壩與空氣阻力

車(chē)輛前方的障礙物所造成的停滯區(qū)產(chǎn)生了高壓區(qū)。由于車(chē)輛后部的氣流分離，車(chē)輛后部成為低壓區(qū)。這稱(chēng)為壓差阻力。氣壩減少了車(chē)輛下方流動(dòng)的空氣量，從而減少了整體阻力。在某些情況下，帶有前氣壩(具有特定高度)的車(chē)體下的阻力值比沒(méi)有前氣壩的車(chē)體的阻力值要大。因此，有必要對(duì)空氣壩的最佳尺寸和位置進(jìn)行研究。

影響前氣壩的因素

氣壩通過(guò)三種不同的方式連接到汽車(chē)前保險(xiǎn)杠上，即(a)作為一個(gè)附加部件(b)連接到下蓋板(c)與前保險(xiǎn)杠集成。關(guān)鍵的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是長(zhǎng)度，高度，安裝位置和接近角度。空氣壩的高度和位置受接近角的限制。它是水平地平面與輪胎底部與保險(xiǎn)杠底部連接線之間的夾角(圖3)。根據(jù)這個(gè)夾角可以保證車(chē)輛在不平路面上行駛時(shí)氣壩不觸地。

圖3 接近角

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

風(fēng)洞阻力系數(shù)與CFD模擬結(jié)果的比較如表2所示。這種比較確保了CFD方法在分析中的適用性。

表2 驗(yàn)證

結(jié)果與討論

通過(guò)HEEDS集成在整車(chē)層面進(jìn)行優(yōu)化研究。將前氣壩高度和位置作為HEEDS優(yōu)化算法的輸入，使響應(yīng)在車(chē)輛水平處的阻力最小。以10次設(shè)計(jì)迭代為例，研究了前氣壩運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化過(guò)程。

案例研究：前氣壩高度與位置的相互作用研究

本研究考慮了4個(gè)參數(shù)，響應(yīng)為阻力系數(shù)。前氣壩分為中間空氣壩和側(cè)空氣壩(圖4)。Z坐標(biāo)調(diào)整的空氣壩高度，X坐標(biāo)平移的空氣壩位置如圖4所示?？紤]的參數(shù)以及最小和最大平移如表3所示。研究的各種配置如表4所示。進(jìn)行了10次設(shè)計(jì)迭代，結(jié)果如圖5所示。圖中顯示了前氣壩高度和位置對(duì)車(chē)輛整體阻力的相互作用效應(yīng)。設(shè)計(jì)迭代8在考慮的迭代中具有最低的拖拽值。可以看出，側(cè)氣壩的最優(yōu)配置是在最大高度和靠近輪胎的位置。中間氣壩的有利位置是在格柵開(kāi)口下方(保險(xiǎn)杠末端)，高度適中。圖6顯示了車(chē)輛前部在Y0平面的速度。從圖中可以清楚地看出，對(duì)于特定的構(gòu)型(設(shè)計(jì)迭代2、6、7、9)，下車(chē)身內(nèi)的流動(dòng)分布發(fā)生了劇烈的變化。它影響了車(chē)身下方的阻力，導(dǎo)致了整體阻力。圖7顯示了車(chē)輛后流的湍流動(dòng)能強(qiáng)度，用于基線和設(shè)計(jì)迭代8配置。面積越大，阻力越大。綜上所述，可以得到本研究中所描述的優(yōu)化前氣壩高度和位置。在不同設(shè)計(jì)構(gòu)型下得到的結(jié)果將為了解前氣壩高度和位置對(duì)車(chē)輛阻力系數(shù)的交互作用提供詳細(xì)的信息。前氣壩高度、位置、進(jìn)場(chǎng)角、氣壩與地面的距離是影響車(chē)輛阻力系數(shù)的主要因素。

圖4 氣壩高度及位置

表3 參數(shù)以及最大值最小值

表4 各配置研究

圖5 前氣壩高度與位置的相互作用效應(yīng)

圖6 剖面上的速度輪廓

結(jié)論

一般來(lái)說(shuō)，前氣壩安裝在車(chē)輛上，以使車(chē)輛的阻力系數(shù)最小。因此，有必要研究前氣壩高度和位置對(duì)車(chē)輛阻力系數(shù)的影響。然而，預(yù)測(cè)最優(yōu)前風(fēng)壩高度和位置需要較多的計(jì)算時(shí)間和每個(gè)階段的人工干預(yù)。通過(guò)將HEEDS和STAR CCM+集成在一起，實(shí)現(xiàn)了前氣壩高度和位置的優(yōu)化。設(shè)計(jì)參數(shù)和響應(yīng)是用STAR CCM+定義的。設(shè)計(jì)參數(shù)的最小值和最大值在HEEDS中定義。HEEDS將自動(dòng)進(jìn)行流模擬并捕獲響應(yīng)。通過(guò)使用這種優(yōu)化方法，在考慮的車(chē)輛幾何形狀中，與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的氣動(dòng)阻力值相比，阻力值提高了1.3%，人工工作量減少了約40%。當(dāng)車(chē)輛為對(duì)稱(chēng)時(shí)所得到的結(jié)果僅具有指示性。此外，獲得了最佳的高度和位置，它可以在全車(chē)水平與下引擎蓋/下車(chē)身部件進(jìn)行研究。該方法可推廣應(yīng)用于全車(chē)身水平仿真中對(duì)后擾流板、下顎氣壩、下車(chē)身部件和后保險(xiǎn)杠銳化的優(yōu)化，以提高氣動(dòng)阻力系數(shù)。

文章來(lái)源：Baskar, S. and Gopinathan, N., "A CFD Simulation Approach for Optimizing Front Air-Dam to Improve Aerodynamic Drag of a Vehicle," SAE Technical Paper 2020-28-0361, 2020, https://doi.org/10.4271/2020-28-0361.

本期內(nèi)容相關(guān)推送文章匯總：

1. 車(chē)內(nèi)關(guān)門(mén)瞬間聽(tīng)覺(jué)不適的分析與控制 |AutoAero202139期

2. 采用主動(dòng)翼概念的賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)分析|AutoAero202203期

3. 重型卡車(chē)后視鏡氣動(dòng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)研究|AutoAero202208期

4. 偏置分支網(wǎng)絡(luò)的流動(dòng)和熱特性| AutoAero第202210期