摘要

拖車定位在牽引車-拖車組合的整體空氣動力學中起著重要作用，并且根據(jù)配置和預期用途而有很大差異。為了盡量減少拖車位置范圍內(nèi)的空氣阻力，可以使用可調(diào)節(jié)的空氣動力裝置。為了獲得最大的效益，需要確定每個拖車位置氣動裝置的最優(yōu)位置。這可以通過表征由拖車高度和拖車間隙長度組成的二維設(shè)計空間來實現(xiàn)，并以空氣動力阻力作為響應(yīng)。采用基于Lattice-Boltzmann的方法進行CFD模擬，并結(jié)合modelfrontier創(chuàng)建多個克里格響應(yīng)面。仿真分多個階段進行，允許生成中間響應(yīng)面來估計預測誤差并跟蹤響應(yīng)面收斂。利用這些響應(yīng)面生成給定氣動裝置的最優(yōu)定位圖。通過獲得多個拖車配置的定位圖，該方法得到了進一步完善。

1 表征方法

表征給定可調(diào)氣動裝置性能的第一步是確定并適當?shù)貐?shù)化設(shè)計空間。這包括在連續(xù)范圍內(nèi)或離散范圍內(nèi)確定周圍車輛幾何形狀和空氣動力裝置的可能位置，并確定完整描述這些幾何形狀變化所需的各種獨立參數(shù)。然后對可調(diào)裝置的每個位置，在每個參數(shù)范圍的最小值、最大值和中點處進行氣動阻力評估。通過Kriging算法，通過這些評估得出的車輛阻力系數(shù)為氣動裝置的每個位置創(chuàng)建響應(yīng)面，從而得出設(shè)計空間中所有中間點的預測阻力值。

阻力評估點的分布跨越整個設(shè)計空間，因此通過消除在響應(yīng)面創(chuàng)建過程中外推的使用，最大限度地減少了結(jié)果響應(yīng)面的誤差。評估點之間的均勻間距還確保了氣動裝置的每個位置都在同一組拖車位置上進行評估，從而防止響應(yīng)面出現(xiàn)偏差。圖1顯示了由兩個獨立參數(shù)組成的設(shè)計空間的樣本分布。

圖1 雙參數(shù)設(shè)計空間的樣本評估分布圖，其中藍色圓圈表示初始批評估，綠色正方形表示可能的第二組評估，紅色三角形表示可能的第三組均勻間隔評估

進一步的氣動阻力評估，然后進行每個位置的可調(diào)裝置在拖車位置對應(yīng)的設(shè)計空間的中心和每個極限邊界之間的中點。這些增加的評估通過增加Kriging算法的插值點的數(shù)量來改進響應(yīng)面，同時繼續(xù)保持點之間的均勻間距。這種分布可以很容易地擴展到任意數(shù)量的獨立參數(shù)。圖2顯示了一個使用三個參數(shù)的示例。

圖2 三參數(shù)設(shè)計空間的樣本評估分布圖，其中藍色圓圈表示初始批評估，綠色正方形表示可能的第二組評估，紅色三角形表示可能的第三組均勻間隔評估

通過計算各中間階段響應(yīng)面的平均絕對誤差，跟蹤了當氣動阻力數(shù)據(jù)增加時響應(yīng)面的收斂性。響應(yīng)面的平均絕對誤差定義為設(shè)計空間中相應(yīng)位置的計算阻力與預測阻力之差的實際平均值。這種遞歸平分過程在對應(yīng)于前一個位置之間的中點的連續(xù)位置重復。這可以重復，每個連續(xù)的迭代細化響應(yīng)面，直到達到所需的分辨率。

通過對氣動裝置的每個位置在設(shè)計空間內(nèi)的附加點進行阻力評估，并將所得阻力系數(shù)與相應(yīng)響應(yīng)面預測的阻力系數(shù)進行比較，可以驗證最終精確響應(yīng)面的分辨率。

所得的精細化響應(yīng)面然后彼此相交，以產(chǎn)生可調(diào)節(jié)裝置的最終空氣動力學性能圖。該圖顯示了可調(diào)節(jié)裝置的位置，該裝置可以在給定的拖車高度和牽引車-拖車間隙長度的范圍內(nèi)，在指定的操作車輛條件下減少空氣動力學阻力。

安裝在拖車上的氣動裝置主要是通過偏轉(zhuǎn)氣流來減少阻力，從而在牽引車與拖車之間的間隙上方和周圍創(chuàng)造更順暢的氣流。氣流的這些變化沿著拖車的長度向下傳播，并可能與拖車上安裝的空氣動力學裝置相互作用。它們還可以通過與車身下氣流的相互作用影響拖車產(chǎn)生的低壓尾跡區(qū)，從而影響拖車基底壓力阻力。對拖車安裝的可調(diào)裝置進行氣動阻力評估，可以利用前阻力值來創(chuàng)建各種響應(yīng)面。前阻力定義為車輛從牽引車前部到拖車中點的累積阻力。

2 示例實現(xiàn)的細節(jié)

2.1可調(diào)頂棚

將參數(shù)化方法應(yīng)用于兩種不同的8級牽引車-掛車配置的具體案例。所研究的氣動裝置是一個氣動飾片的概念，如圖3所示，用于引導從拖拉機車頂后緣過渡到拖車頂部的氣流。擴展安裝在車輛車頂?shù)暮蟛浚⑶铱梢哉{(diào)整到各種位置。使用定位點來指導操作最佳的飾片定位(圖4)。

圖3 安裝氣動裝飾裝置的圖像

圖4 Volvo VNL670®可調(diào)節(jié)車頂擴展器定位圖像

2.2參數(shù)描述/范圍

氣動飾片定位研究有三個參數(shù)，如表1所示，并評估它們對前阻力的影響。如表2所示，有5個獨立的飾片位置按高度增加的順序排列，由飾片桿附著在哪個支架孔來定義(見圖4)。第二個參數(shù)是牽引車間隙的長度，從牽引車駕駛室后壁的最大x位置到拖車的前表面測量。最后一個參數(shù)是拖車前緣相對于車架軌道頂部的高度

表1 氣動飾片定位研究的參數(shù)說明和范圍

表2 飾片后緣中心垂直高度差占位置1和位置5之間總差的百分比

2.3分析方法

車輛阻力系數(shù)數(shù)值通過基于lattice-boltzmann的仿真工具PowerFLOW進行計算仿真得到。模擬設(shè)置與SAE國際地面車輛推薦實踐J2966一致，以近似道路狀況。在頂棚和壁面無摩擦邊界條件下，采用小于1%堵塞的計算域?qū)θ叽缒Ｐ瓦M行了仿真。地板以無滑移邊界條件建模，移動速度相當于65英里/小時的自由流速度。車輛位于一個4.5度偏航角。拖車是一個通用的53 '干貨車拖車。駕駛室和貨箱設(shè)置符合65mph的旋轉(zhuǎn)壁面條件。在雷諾數(shù)為6.33×10e6、特征長度為3.245m的條件下進行了模擬。

采用modeFRONTIER優(yōu)化環(huán)境，將掛車高度、牽引車-掛車間隙長度和氣動飾片位置作為輸入變量，以前阻力作為期望的響應(yīng)變量，實現(xiàn)仿真過程的自動化。這允許自動后處理，利用車輛阻力系數(shù)為每次運行。這些阻力系數(shù)用于生成每個飾片位置的克里金響應(yīng)面，這些響應(yīng)面進一步后處理以生成飾片定位圖。

圖5 仿真中采用了具有代表性的牽引車-掛車間隙網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

3.1模型1

圖6 初始評估分布顯示在設(shè)計空間的角和中點的阻力評估點

對于第一個牽引車模型，進行了最初的25次模擬運行，以創(chuàng)建初始表征。初始表征的目的是生成一組粗響應(yīng)面，可以可視化地分析每個飾片位置的整個設(shè)計空間的空氣動力學阻力趨勢。這些粗響應(yīng)面進一步后處理，并相交在一起，以產(chǎn)生一個粗略的定位圖的修剪標簽。該地圖用于確定設(shè)計空間的點，以便進行下一階段的阻力評估。在設(shè)計空間的每個象限的中點處選擇評估點，以便在繼續(xù)保持設(shè)計空間樣本的均勻性的同時，提供更多平行和垂直于阻力趨勢方向的Kriging插值點，如圖6所示。

3.1.1初步鑒定

表3列出了初始表征的參數(shù)和結(jié)果。選取的初始評價點位于設(shè)計空間的每個極值邊界和中心點。

表3 第一個模型的初始表征結(jié)果

兩個飾片定位位置生成的響應(yīng)面如圖7和圖8所示。這些粗響應(yīng)面相交以生成初始修剪選項卡定位圖，如圖9所示。這張圖表明，在拖車間隙小而拖車高度大的情況下，為了最大限度地減少阻力，必須將調(diào)平片設(shè)置在其最大高度，當拖車間隙增大和/或拖車高度減小時，較低的調(diào)平片高度是最有利的。這與氣流離開車頂整流罩的空氣動力學是一致的，必須充分偏轉(zhuǎn)以避免拖車正面撞擊，同時也要盡量減少偏轉(zhuǎn)表面的正面面積，以減少空氣動力學裝置上的流動停滯。選擇額外的阻力評估點，以進一步解決不同最優(yōu)飾片定位區(qū)域之間的邊界問題。

圖7 第一款車型的初始25次運行中飾板位置1的響應(yīng)面，顏色表示前阻力大小，黑點表示設(shè)計空間中的阻力評估點

圖8 第一個模型的初始25次運行中，氣動飾片位置5的響應(yīng)面，顏色表示前阻力大小，黑色點表示設(shè)計空間中的阻力評估點

圖9 第一款車型的初始25次運行的定位圖，顏色描繪了具有最低前阻力的飾片位置?；疑珔^(qū)域描述兩個或多個位置之間的阻力差小于0.5counts

3.1.2參數(shù)化優(yōu)化

在研究了最初的一組數(shù)據(jù)結(jié)果后，又對另外25次運行進行了優(yōu)化。每個飾片位置在附加的四個點上進行分析，這些點位于最初五個設(shè)計空間的中點之間。表4列出了精化運行的參數(shù)和結(jié)果。

表4 第一個模型的參數(shù)化細化結(jié)果

圖10和圖11分別顯示了對1和5個飾片位置進行45次運行后的最終響應(yīng)面。這些表面表現(xiàn)出阻力行為的差異，特別是在小拖車間隙和大拖車高度時，位置5可以顯著減少阻力。圖12顯示了細化后的定位圖，可以看到粗圖顯示的前拖動趨勢仍然保留，但在不同最優(yōu)飾片位置區(qū)域之間的接口上具有更清晰的定義。

圖10 第一款車型共運行45次，飾片位置1的響應(yīng)面，顏色表示前阻力大小，黑點表示設(shè)計空間中的阻力評估點

圖11 第一款車型共運行45次，其中飾板位置5的響應(yīng)面，顏色表示前阻力大小，黑點表示設(shè)計空間中的阻力評估點

圖12 第一款車型總共45次運行的定位圖，顏色描繪了具有最低前阻力的飾片位置?；疑珔^(qū)域描述兩個或多個位置之間的阻力差小于0.5counts

利用響應(yīng)面的平均絕對誤差判斷各切邊位置的初始響應(yīng)面和最終響應(yīng)面分辨率。選取1個前阻力計數(shù)作為截止值，表示與定位圖中±0.5個計數(shù)邊界區(qū)域?qū)?yīng)的收斂響應(yīng)面。從表5可以看出，所有的最終響應(yīng)面都是收斂的，誤差值都很低。圖13顯示了當將拖動數(shù)據(jù)添加到trim tab位置1的響應(yīng)面時，平均絕對誤差的減少情況。其他修剪標簽位置顯示相同的趨勢。從導出的定位圖中創(chuàng)建最終的定位圖，如圖14所示。

表5所示 第一種模型的響應(yīng)面誤差分析

圖13 響應(yīng)面收斂圖顯示，在第一種模型上，飾片定位位置1的平均絕對誤差隨運行次數(shù)的增加而減少

圖14 第一個模型總共45次運行的最終定位圖

3.2 模型2

對于第二種拖車模型，使用與第一種表征相同的參數(shù)進行了全套45次模擬。表6列出了表征的參數(shù)和結(jié)果。由于設(shè)計空間的參數(shù)與第一個模型相同，所以使用了相同的評價點。對于一個已知的特征問題，我們可以用一組運行來描述設(shè)計空間，而不是一個連續(xù)的過程(如模型1中所示)。

圖15和圖16分別顯示了第二個模型中選項卡位置1和5的最終響應(yīng)面。值得注意的是，與第一個模型相比，響應(yīng)面的行為有顯著差異。這表明，在不同型號的拖拉機上，飾板的空氣動力學性能差異很大，這進一步反映在圖17所示的飾板定位圖中。這張圖還顯示了在整個設(shè)計空間中最佳飾片位置的預期變化，但在最佳區(qū)域之間具有不同的邊界。

表6 第二個模型的表征結(jié)果

使用相同的截止阻力誤差值為1計數(shù)，對第二個拖車模型進行了類似的收斂研究。從表7可以看出，最終的響應(yīng)面是收斂的，誤差值很低。添加拖動數(shù)據(jù)時第二個模型的誤差減少情況如圖18所示。從導出的定位圖中創(chuàng)建最終的定位圖，如圖19所示。

圖15 第二款車型共45次運行時飾板位置1的響應(yīng)面，顏色表示前阻力大小，黑點表示設(shè)計空間中的阻力評估點

圖16 第二款車型總共45次運行中飾板位置5的響應(yīng)面，顏色表示前阻力大小，黑點表示設(shè)計空間中的阻力評估點

圖17 第二款車型總共45次運行的定位圖，顏色描繪了具有最低前阻力的飾片位置?；疑珔^(qū)域描述兩個或多個位置之間的阻力差小于0.5ocunts

表7 第二種模型的最終響應(yīng)面誤差分析

圖18 響應(yīng)面收斂圖顯示在第二個模型上，飾片定位位置1的平均絕對誤差隨運行次數(shù)的增加而減少

圖19 第二個模型的最終定位圖，總共45次運行

4.總結(jié)

提出了一種通用氣動減阻裝置氣動效益的表征方法。這包括首先確定拖車和氣動裝置在一個連續(xù)范圍內(nèi)或一組離散位置上的可能位置，然后在拖車位置范圍的最小值、最大值和中點處獲得每個裝置位置的氣動阻力值。通過Kriging算法，這些車輛正面阻力系數(shù)值用于為每個氣動裝置位置創(chuàng)建響應(yīng)面，從而得到設(shè)計空間中所有中間點的預測阻力值。在對應(yīng)于設(shè)計空間中心和每個極限邊界之間的中點的拖車位置上，對可調(diào)節(jié)裝置的每個位置重復此過程。這可以重復，每個連續(xù)的迭代細化響應(yīng)面，直到達到所需的精度。根據(jù)這些克里格曲面，最終的定位圖被創(chuàng)建，該圖描繪了在設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)的任何配置下空氣動力阻力最小化的空氣動力裝置的位置。然后利用該方法獲得了兩種不同型號拖拉機的氣動效益圖。

第一個模型表明，對于較小的牽引車-掛車間隙長度和較大的掛車高度，為了產(chǎn)生最大的阻力減少，必須將修剪標簽設(shè)置在其最大設(shè)置。隨著牽引車與掛車間隙的增大和/或掛車高度的降低，最佳飾邊標簽位置降低。第二個模型展示了類似的模式，然而，它也表明，修剪標簽裝置的空氣動力學性能在不同的拖拉機模型中差異很大，并顯示出最佳位置之間的邊界變化。

結(jié)果表明，可調(diào)氣動裝置可以提高牽引車間隙長度和高度范圍內(nèi)的燃油經(jīng)濟性。這些裝置的空氣動力學性能可能取決于牽引車的配置，因此使用有效的表征方法對于最大限度地提高燃油經(jīng)濟性至關(guān)重要。

文獻來源：

Justin J. Novacek, et al. Characterization of Aerodynamic Design Spaces for Adjustable Tractor Surfaces. SAE Int. J. Commer Veh. 2016,10,9(2):350-358.