全局变形法在实车气动减阻中的运用.pdf

2 0 1 1 年 第3 3卷 第 1期 汽车工程 Aut o mo t i v e En g i ne e r i n g 全局变形法在实车气 动减 阻中的运用 水 江涛， 谷正气， 杨 易， 容江磊 湖 南大学 ， 汽车车身先进设计制造国家重点 实验室 ， 长沙4 1 0 0 8 2 2 01 1 0 0 7 [ 摘要] 针对 目前在实际车型气动减阻中常用的局部改型优化法所存在的盲目性和低效率 ， 提出一种针对整 体气动布局的优化改型方法 首先抽取出原始车型的基本气动造型， 对其进行全局变形， 并结合流场仿真改善其气 动特性 ， 全局变形确定后将非气 动造 型细节还原到基本造型上 以完成气动减 阻的优化 过程 。最后 以国产某轿 车的 减阻设计 为例验证 了该技术路线的可行性 。 关键词 气动减阻； 气动布局 ； 全局变形 Th e Us e o f Gl o b a l Mo d i fic a t i o n Me t h o d i n Ca r Ae r o d y n a mi c Dr a g Re d u c t i o n J i a n g Ta o．Gu Z h e n g q i ．Ya n g Yi Ro n g J i a n g l e i H u n a n U n i v e r s i t y ， S t a t e K e L a b o r a t o r y o fA ，a n c e d D e s ig n a n d Ma n u f a c t u r i n g f o r V e h ic l e B o d ，C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 [ A b s t r a c t ] I n v i e w o f t h e b l i n d n e s s a n d l o w e f f i c i e n c y i n l o c a l m e n d i n g o p t i m i z a t i o n m e t h o d c u r r e n t l y c o rn - mo n l y u s e d i n t he p r a c t i c e f o r r e d u c i n g c a r a e r o d y n a mi c d r a g，a n e w o p t i mi z a t i o n me t h o d a i mi n g a t o v e r a l l a e r o dy n a mi c l a y o u t i s b r o u g h t f o r wa r d．Fi r s t l y t h e b a s i c a e r o d y n a mi c s t y l i ng e l e me n t s a r e e x t r a c t e d a n d a g l o b a l mo d i fic a t i o n i s e x e r c i s e d o n t h e m c o mb i n e d wi t h flo w fie l d s i mu l a t i o n for i mp r o v i n g i t s a e r o d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s ．Th e n a f - t e r t h e mo d i fic a t i o n i s f i x e d n o n a e r o d y n a mi c s t y l i n g d e t a i l s a r e a dd e d b a c k t o ba s i c s t y l i n g mo d i fie d a n d t h e p r o c e s s o f o p t i mi z a t i o n f o r a e r o d y na mi c d r a g r e d u c t i o n i s c o mp l e t e d．F i n a l l y a n e x a mp l e o f r e d u c i ng a e r o d y n a mi c d r a g for a r e a l c a r v e r i fie s t h e f e a s i b i l i t y o f t h e t e c h n i c a l s c h e me p r o p o s e d． Ke y wo r ds a e r o d y na mi c d r a g r e d uc t i o n；a e r o dy na m i c l a y o ut ；g l o ba l de f o r m a t i o n 日 U吾 目前不论是对现有车型进行有限度 的改型还是 全新车型的开发 ， 一般都要在完成美学概念和人机 布置之后进行 减小 气动阻力 以下简称减阻 的优 化 。 汽车界最常用的减阻手段是局部细节迭代最优 化法 。其基本思想是对某一局部进行改型尝试 ， 如果阻力系数增加则从相反方 向进行改型， 如果阻 力系数减小 ， 则按同样的趋势继续改型， 直到阻力系 数不再下降， 然后继续探寻下一处有效 的局部减阻 方案， 最后加以综合。 性价比较高的 C F D优化减阻， 由于局部细节在 整体流场中的局限性 ， 提出的改型方案往往减阻效 果不太明显 ， 特别是像轿车这类流线性较好的车型。 存在的问题有 改型的部位和改型的样式有很大 的 盲目性 ； 不同局部 的改型方案在综合运用 时可能会 存在效果冲突； 另外 ， 实车 C A D模型的曲面数据复 杂， 因此仿真效率低下 ’ 。 汽车车身整体轮廓决定 了整体气动布局 ， 因此 可以尝试从全局角度进行优化 ， 本文 中提出一 种针 对实际_乍型气动减阻 的“ 全局变形法” 。其思路为 首先抽取原始车型中集中体现 了原车的气动特性的 基本气动造型， 而简化了对整体流场影响较小但占 用大量计算资源和人工处理时间的非气动造型细 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室 自主课题项 目 6 0 8 7 0 0 0 1 和教育部长江学者与创新团队发展计划 5 3 1 1 0 5 0 5 0 0 3 7 资助。 原稿收到日期为2 0 0 9年 1 2月 1 5日， 修改稿收到日期为2 0 1 0年4月 1日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江涛 ， 等 伞局变形法在实 车气动减 阻中的运用 节 ； 采用变形盒技术对气动基本造型进行全局修改 ， 运用 C F D仿真验证修改效果 ， 以改善基本 造型的气 动设计缺陷 ； 将 原先简化 的造型细 节还原到优化后 的气动基本造型上 ， 使原车阻力系数下降。 之所以不对原 车模 型直 接进行 全局 优化， 是 为实车过多的细节必然会造成计算求解时间过 长和 人工处理成本过大 ， 对于需要进行大量改型和仿真 的 C F D优化 设计来 说性 价 比低 ， 工 程实 用价值 不 高 ， 而且非气动细节 的存在也使得流场分布更为复 杂， 不容易找出整体气动布局 的设计缺陷 。本 文中 以国内某轿车的气动减 阻设计 为例 ， 结 合风洞实验 以验证上述方法的可行性。 1 全局变形法 的思路 1 ． 1 基于 R e l i z a b l e k - 模型的 C F D仿真 全局变形法是一种面向实车 C A D模 型的减 阻 方法 ， 需要对车身外流场进行 C F D仿真 以求 出阻力 系数和各类流场特性分布图作为下一步改型的参 考 依据。 汽车车速一般远低 于声速 ， 所 以汽 车空气动力 学属于低速空气 动力学 ， 因而汽车周 围流场 可以看 作是三维不可压缩黏性等温流场 J ， 由于其外形复 杂容易产生气 流分离 ， 所 以应按湍 流处 理。湍流计 算的基本控制方程为三维不可压缩雷诺时均 N a v i e r S t o k e s 方程 ， 简称 R A N S方程 ， 其控制方程为 连续方程O u ／ O x 0 1 运动方程 一 老 去 [～II 警O x 誊Ox ] c 2 一 l l 一 一 l l I ／ J a d ， d 【’ ⋯ ＼ ．／ J 式 中 u 、 ， 为平均速度分量 ； 、 为坐标分量 ； p为 流体微元体上的压力 ； 为湍流有效黏性系数 。 在对 N a v i e r S t o k e s方 程进 行 雷诺 时均 化处 理 时 ， 引进 了新的变量项 “ u 雷诺应力项 ， 使原来 封闭的方程组不再封 闭。为封闭 R A N S方 程组 ， 对 新变量使用了不 同的处理方法， 这就 导致 了不 同种 类的湍流模 型的出现。文 中仿真基于 R e l i z a b l e k - e 模型进行。 R e l i z a b l e 一 模型中的湍动能 方程为 毒 崩 G k - p e a a d 【 ＼ 丁 ／ a J 3 湍动耗散率 方程为 篙 毒 [ o- 1／塑O xst O x Ox O x ] ，L ＼ p C 1 E 一 p C 2 4 k√” ￡ 式中 P为流体密度 ； 为 y方 向的动量 ； G 为由于平 均速度梯度引起的湍动能 k的产生项 ， 由式 5 计 算 ； ／ x为 动力 黏 度 ； 为 湍 动黏 度 ， 由式 6～式 1 1 求得 ； 、 、 C 2 分别取值 为 1 ． 0、 1 ． 2 、 1 ． 9 ； C 1 可由式 1 2 ～式 1 3 求得。 I t p C ／ 8 【 c 1 ／ A 0 A U ／ r 4。4 0 1 4 瓜。 1 J g wa r c c o s W E E 丢 O u2 U ff E 0 ．E ij C1一a x 0． 43, ．-r／ y 2 E E k ／ s 1 ． 2现 有减 阳设 计 方法 目前汽车工程界在车身气动性能最佳化 的技术 路线上可分为局部修形优化法和理想形体整体设计 法 两种 。 局部修形优化法以满足功能 、 工艺学 、 人机工程 学和美学效果等方面要求而事先初定下来 的车身造 型为 出发点 ， 对局部造 型进行修改或是加装少量气 动附件以达到减阻的目的。该方法存在的问题在于 不同部位局部改型 的效果可能发生 冲突 ， 而单个局 部方案的减阻效果又较为有限。 理想形体整体设计法是 以具有优 良气动特性的 “ 理想基本形体” 为出发点 ， 通过对其进行几何修整 而直接发展成满足各方面要求的车身造型。它的思 路在于首先以低 阻基本形体 为起点 ， 使设计 车身的 整体轮廓具有 良好 的气动 布局 ， 然后 在此基础上加 入实际功能所需要的各类细节 ， 即思想核心是“ 先整 体后局部” 。从 国内外学术研究和实践来看 ， 运用该 、，、，、 ，＼ ，＼ ，＼ ，、 ，、，、 5 6 7 8 9 0 1 2 3 ／ L， L／L， ，L l 1 1 l ／L， L／ L／L 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车工程 2 0 1 1年 第 3 3卷 第 1 期 方法 曾成功设计 出一些阻力 系数较小的概念 车， 例 如意大利 A ． Mo r e l l i 教授的“ M． 2 0 0 0 ” 概念车l 5 和奔 驰“ 箱鱼” 型概念 车。这种设计方 法仅适 合于车身 造型的正向开发 ， 而不适合对已有造型的减阻优化。 因此对于完成度较高的既有实车减阻可以借鉴 “ 先整体后局部” 的思路。 1 ． 3 全局变形法的思路 全局变形法是一种 面向实际车型的减 阻方法 ， 它属于后期修改 ， 而不是一种前期正向设计方法 ， 但 借鉴了“ 理想基本形体” 的概念。 首先抽取原始车型的气动基本造型 。该气动基 本造型是原车整体气 动布局的集 中体现 ， 它保 留了 主体轮廓特征 以及正压 区和分 离区等处的气动细 节 ， 简化 了对整体流场影响较小但 占用大量计算仿 真资源和人工处理时间的非气动细节。结合变形盒 技术和 C F D仿真对该气动基本造型进行全局修改 ， 使整体气动特性得以改善 ， 形成对应于原车的“ 理想 基本形体” 。 将原先简化的非气动造型细节还原到改善后 的 气动基本造型上 ， 完成气动减 阻。整个思路如图 1 所示 。必要时可以在整体改善的基础上再来进行常 规 的局部 优化 。 l 原 始实 车 造型l - - 舶 哟 l 气动 基本 造型l 改进后的 气动基本造型 图 1 全局变形法的减阻思路 1 ． 4 对非气动细节的简化处理 全局变形法的第一个环节就是抽取气动基本形 体 ， 简化非气动细节。非气动细节一般具 有如下特 点 ①对整体流场的影响微小 ； ②包含大量尺寸量级 小的细化面片 ， 特别是细条面、 尖角面 ， 在 C F D计算 网格划分 中占用大量计算资源 ， 影响计算收敛。 以实车造型设计来看 ， 非气动细节应包括 2类。 1 尺寸量级在 1 0 m m以下表面气动压力较小 的造型细节 ， 包括 车窗密封条所处 的台阶曲面 ， 车 门、 车灯与车身问的缝隙 ， 侧面防刮条 以及用于美观 的装饰条等， 图 2所示 为可 以简化的车窗台阶和缝 隙细 节 。 2 有一定正压区和湍流 区， 但其周 围为连续 延伸而曲率无急剧变化的表面。这类造型细节最明 显 的特点是无论存在与否， 周围流场 的形态为层流 ， 包括 车后窗加装的尾鳍天线和门把手等 ， 图 3所示 为位于车身侧 围层流区内可供简化的造型细节。 一 图2 小尺寸量级的车 图3 侧面层流区内可供 窗 台阶及缝隙 简化的门把手细节 有一类造型细节虽然尺寸量级不 大， 但对 流场 影响较大， 不宜作简化处理 ， 包括 ①正压力较 大区 域处的造型细节 ， 例如车头迎风面 ， 因为前端对整车 流场的影响最大 ； ②表面曲率变化急剧的过渡区， 包括 车身侧面和顶面与车尾表面的过渡区， 因为从 侧面和顶部流过的高速气流将从此处与车身发生分 离 ， 形成尾涡 ， 该处 的细节对气流起导 向作用 ， 所 以 不宜简化。 1 ． 5 对气动基本造型的全局修改 相对于原车而言 ， 气动基本造型在保留整体气 动布局的前提下 ， 其模型数据结构 的复杂程度将大 为降低 ， 无论是造型修改的效率和 自由度 ， 还是用于 C F D计算求解的时间， 都将明显改善 ， 这就使得基于 变形盒技术 的快速改型优化成为可能。 变形盒技术的思路是用一个在长宽高各方向划 分成均匀多段 的控制变形盒来拟合待修改的物体 ， 调节变形盒的控制顶点 ， 原始物体上位于调节顶点 附近区域的点将会产生相应 的变形 ， 这种变形模式 特别适合具有较好 曲率连续性 的车身外覆盖件 。 图 4为变形盒技术的改型示意。均匀分布的控 制点及其连结线将变形盒分成若干子区， 调节 其中 一 个控制顶点， 包含该点的子区以及相邻子区内的 原始物体将会变形 ， 其变形程度按照 与控制顶 点问 豳 图 4 变形盒 改型示意 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江涛 ， 等 全局变形法 在实车气 动减阻 中的运用 2 9 的距离服从衰减变化。 在改型优化 的过程 中遵循 的原则如下 在每 次 改型前应该详细分析 七 一次计算所对应的阻力系数 值 、 速度流线图和压力云图 ， 找出其 中不合理 的因素 然后改型。 2 全局变形法在实 车减 阻 中的运用 以某国产轿车 自主开发中的减阻实践为例研究 新减阻方法的可行性 。 2 ． 1 原车造型及 C F D仿真 导入轿车模型， 该模 型由大量面片拼接构成 ， 如 图 5所示 。经封闭处理后该模型共有面片 7 8 6块 。 图 5 包含各类 细节 的原始车身 进行 C F D仿真 ， 设定边界条件 选 择 的计算域 大小为人 口距前端 3倍车长 ， 出 口距后端 6倍车长 ， 高度为 5倍车高 ， 宽度为 8倍车宽。对 于尺寸量级 较小的细节面片采用较小 的网格尺寸 以精确模拟。 划分出的体 网格数为 4 2 3万 。采用 R e l i z a b l e k - s湍 流模型， 湍流强度为 0 ． 5 ％ ， 流速为 4 0 m／ s 。 算求解时问为 1 8 h ， 迎风 面积为 2 ． 2 9 2 6 m 。 ． 得 出阻力系数为 0 ． 2 8 9， 阻力 L 大 J 子 阻力系数与迎风 面积之 积 为 0 ． 6 6 2 6 。 2 ． 2 风 洞 实验验 证 将仿真所采用的模型加工成 比例为 1 3的树脂 模型， 在湖南大学风工程试验研究 中心进行测力实 验 ， 风速为 2 0～ 4 0 m ／ s ， 每隔 5 m ／ s 采集一次数据 ， 启 动地面覆面层抽吸装置 ， 如图 6所示。 图 6 风洞实验 在风速 3 0 m ／ s 后 的雷诺数处于 自模拟状态 ， 气 动阻力系数基本趋于稳定 ， 实验数据见表 1 。 表 1 各风速段数据 速度／ 升力 阻力 俯仰力 侧力 横摆力 侧倾力 n 1 S 一 】 WN X ／ N 矩／ N m Z ／ N 矩／ N m 矩／ N m O 一0 0 0 5 3 l 0 ． 0 0 9 1 8 0 ． 0l 3 8 0 0 ． 0 0 2 9 8 0 ． O o 0 8 2 0 ． oo O 6 8 2 0 一O ．1 l 7 6 8 1 ． 6 7 6 5 3 一】 ． 2 9 4 2 5 0 ．1 2 1 8 7 0 ． 01 5 42 0 ． 1 2 8 3 7 2 5 0 ． 2 2 9 1 9 2 ． 7 8 7 1 3 1 ． 9 6 8 1 0 0 ． 0 5 6 2 9 0 ． 0 2 9 3 8 一O ． 1 2 8 9 3 3 0 0 ． 3 6l O 7 3 ． 9 1 3 7 6 2 ． 8 2 07 5 0 ． 0 7 7 2 9 0 ． O 5 1 7 O 一0 ． 1 91 l 9 3 5 0 ． 5 5 0 7 9 5 ． 3 6 8 1 7 3 ． 8 4 8 0 2 0 ． 0 4 5 5 3 0 ．1 0 6 1 9 0 ． 2 3 0 8 5 4 0 0 ． 7 28 6 9 7 ． O 4 O 5 6 5 ． 0 5 38 0 0 ． 1 1 99 4 0 ． 1 0 9 2 0 0 ． 3 3 7 0 3 通过计算得出该模型的阻力系数为0 ． 2 8 0 1 ， 与 上述 C F D仿真结果 0 ． 2 8 9相 比， 误差为 3 ． 2 1 ％。验 证 了该模型的计算网格设置和湍流方程选择的合理 性 ， 下面将保持同样的设定进行后续 C F D研究 。 2 ． 3 全局变形减 阻 首先抽取气动基本造型 ， 这须要简化 尺寸量级 微小 的车身缝 隙和密封条 台阶面 ； 位于侧面层 流区 气动压力较小的门把手和侧面装饰条 以及其它非气 动细节 ， 并且将原先拼接的面片模 型做缝合处 理以 适合变形盒修改 。结果如图 7所示 ， 抽取 出的气 动 基本造型共有面片数 8 0块 ， 较原始模型减少 了 7 0 6 块。网格数相应减少至 1 8 6万。计算求解时间 由原 始模型 的 1 8 h减少 到 8 h 。仿 真 出 的 阻力 系 数 为 0 ． 2 7 1 ， 迎风面积为 2 ． 2 4 5 7 m ， 阻力因子为 0 ． 6 0 8 6 。 综合人 工处理和计算求解两方面考虑 ， 气动基本造 型的仿真效率相比原车提高了近 3倍。 图 7 抽取 出的气动基本造 型 对简化基本造型进行全局变形减阻。建立变形 盒 ， 调节车身各处 的控制点 以实现全局修改。待改 型完成后进行气动仿真 ， 分析阻力系数 、 速度流线和 压力云图 ， 找 出阻力变化的原 因以指导下一 轮的改 型。由于仿真效率 的提高 ， 相 比原 车可以在有 限的 时间内尝试更多的方案 ， 如图 8所示 。 在考虑不过分影响原车造型风格和布置的基础 上 ， 最终确定 一修改 方案 ， 通过 改进车头 、 侧 围、 后 窗 、 后行李箱盖和尾端等处的曲面形状 ， 可以在基本 气动造型的基础上 将阻力 系数减小到 0 ． 2 4 8， 迎风 面积变化到 2 ． 2 5 1 1 m ， 则阻力 因子减小了 8 ． 2 7 ％。 图 9为改进前后对称面主轮廓线的对 比。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 O 汽车工程 2 0 1 1年 第3 3卷 第 1 期 a 原车 b 全局方案O l c 全局方案0 2 d 全局方案0 3 e 全局方案0 4 D全局方案O 5 全局方案O 6 图 8 运用变形盒对气 动基本造型进行全局修改 图 9 改进前后对称面 主轮廓线对 比 将原先简化的非气动细节还原到改进后 的气动 基本造型上， 以完成 原车减阻设计 ， 如 图 1 0所 示。 仍按上述的设定进行仿真 ， 得 出阻力系数为 0 ． 2 6 9， 图 l 0 还原非气动细节后 的改型方案 迎风面 积为 2 ． 2 9 9 1 m ， 阻 力 因子相 对 原 车减 小 6 ． 6 6 ％。这种改动属于车身覆盖件曲面起伏程度的 修改 ， 不会对原车的全面布局构成影响 ， 但在一定程 度t影响到整车的造型风格。 3 结论 按照“ 先整体后局部 ” 的思路 ， 提 出一种面向实 际车型气动减阻的全局变形法， 以改善车身整体气 动布局为主线 ， 通过抽取基本气动造型， 运用变形盒 和仿真对整体轮廓进行优化 ， 待整体气动布局改善 后还原非气动细节。该方法适合直接经工业设计、 完成度较高的既有 车型 ， 突破了 目前局部修形优化 法的限制 。 参考文献 [ 1 ] 严扬 ， 刘志国 ， 高华云． 汽车造型设计概论 [ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 谷正气． 汽车空气动力学[ M] ． 北京 人民交通 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] R a j n e e s h S i n g h ．A u t o m a t e d A e r o d y n a m i c D e s i g n O p t i m i z a t i o n P lo e c s s f o r A u t o mo t iv e V e h ic l e 『 C] ．S A E P a p e r 2 0 0 3 0 1 0 9 9 3 ． [ 4] 壬福军． 计算流 体动 力学分 析 [ M] ． 北 京 清 华大学 出版 社， 2 0 0 4． [ 5 ] 黄 向东． 汽车空 气动力学与车身造型[ M] ． 北京 人 民交通出版 社 。 2 0 0 0 ． [ 6] 徐东升 ， 宁涛， 张志波 ， 等． 人体局部 曲面建模 与自由变形 方法 J ． 计算机与数字工程， 2 0 0 6 ， 3 4 1 1 ． 2 0 1 1慕尼黑上海电子展 即将开幕 2 0 1 1年慕尼黑上海 电子展将于 3月 1 5日在上海新国际博览 中心拉开帷幕， 其 中“ 汽车 电子主题馆” 以 及在展会期间召开的“ 国际先进汽车电子技术研讨会” 值得汽车专业人士关注。本次“ 国际先进汽车电子技 术研讨会” 的主题是“ 动力总成系统电子控制技术 、 智能交通系统、 新能源汽车、 总线技术 、 汽车安全与电子。 “ 汽车毫予主题馏”部分参与企业 鬻 觥 蜒 In te rn a tio na l l I 耋 一 T y c o E le c tr o n -c s 塞 1 - DK- F u ETAS d S P AC E L e C r o y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m