張 勇，潘正宇，谷正氣，2，劉水長，宋亞豪

基于鯊魚鰭的汽車車身仿生氣動減阻研究?

張 勇1，潘正宇1，谷正氣1，2，劉水長1，宋亞豪1

(1.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，株洲 412007； 2.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

通過基于鯊魚鰭的仿生學(xué)研究，設(shè)計了一種轎車尾底部附加裝置，以期減小汽車的氣動阻力。在風(fēng)洞實驗驗證了CFD仿真方案的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ISIGHT集成UG，ICEM和FLUENT，通過參數(shù)化建模，采用2階響應(yīng)面近似模型和多島遺傳算法對附加裝置進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明:仿生附加裝置減小了尾部的氣流分離，抑制了湍流渦結(jié)形成，改善了流場結(jié)構(gòu)，有效降低了氣動阻力，優(yōu)化后的附加裝置使汽車氣動阻力系數(shù)Cd比原車減小了5.06%。

汽車車身；氣動阻力；鯊魚鰭；仿生學(xué)；尾底部附加裝置；優(yōu)化

Keywords:vehicle body； aerodynamic drag； shark fin； bionics； rear bottom attachment； optimization

前言

截止2016年1月，我國機(jī)動車保有量已達(dá)2.79億輛，且有攀升趨勢，給燃油、環(huán)保和道路交通安全帶來了巨大壓力，加強(qiáng)汽車減排技術(shù)研究是當(dāng)前汽車行業(yè)重要課題。汽車行駛時產(chǎn)生的氣動阻力與速度的平方成正比，克服氣動阻力的功率正比于速度的3次方[1]。因此，在機(jī)械傳動效率日益提高后，降低氣動阻力是降低燃油消耗和碳排放的有效途徑。應(yīng)用CFD(計算流體力學(xué))仿真和風(fēng)洞實驗技術(shù)，開展氣動減阻研究在過去的10年里取得了長足的發(fā)展，主要集中在車身造型及其附加裝置和仿生減阻兩個方面。在車身造型及其附加裝置進(jìn)行減阻研究方面，文獻(xiàn)[2]～文獻(xiàn)[5]中研究指出，由于汽車車身尾部是湍動能的主要耗散區(qū)，是氣動減阻重點關(guān)注區(qū)域，并在汽車尾部的上表面安裝附加裝置，以抑制車身尾部氣流流動，實現(xiàn)了具體車型的氣動減阻。然而車身背部和尾部的附加裝置會影響汽車整體視覺效果，對汽車尾部分離流動有同樣影響的尾底部的附加裝置研究還相對較少。在仿生減阻方面，目前研究和應(yīng)用最多的是仿生鯊魚皮減阻、仿溝槽形狀減阻、仿生超疏水表面減阻和非光滑表面減阻等[6-9]?？傮w來說，對汽車車身尾底部附加裝置進(jìn)行仿生學(xué)減阻設(shè)計的研究尚不多見。對此，本文中通過對具有低阻特性的鯊魚鰭進(jìn)行仿生學(xué)研究，提出了一種轎車尾底部附加裝置，在風(fēng)洞實驗驗證CFD仿真計算基礎(chǔ)上，對附加裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到氣動減阻、節(jié)能減排的目的。

1 幾何模型選取與仿真計算

為考察仿生減阻有效性，須對原始轎車車身模型進(jìn)行數(shù)值仿真和風(fēng)洞實驗驗證。

1.1 幾何模型選取

為考察仿生減阻和減小升力方法的通用性和有效性，選用國際標(biāo)準(zhǔn)MIRA階背型車模作為研究對象，其數(shù)字模型和尺寸如圖1所示。

圖1 MIRA階背模型和具體尺寸

1.2 計算域與劃分網(wǎng)格

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)模型和計算域，如圖2所示。采用四六混合網(wǎng)格策略，遠(yuǎn)場采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，近場采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，近壁采用三棱柱網(wǎng)格，共632萬個網(wǎng)格，445萬個節(jié)點。

1.3 數(shù)值計算條件

在CFD數(shù)值仿真中，Realizable k-ε模型考慮了

圖2 網(wǎng)格模型和計算域

旋轉(zhuǎn)和曲率的影響，將應(yīng)力和應(yīng)變聯(lián)系起來，使它能更準(zhǔn)確地模擬有邊界層和氣流分離的流動的三維汽車車身外流場，更貼近真實情況[10]，因此在汽車外流場計算中選用該模型。

Realizable k-ε模型的湍動能k和湍動能耗散率ε的輸運方程[11]為

其中

式中:ρ為流體密度；k為湍流動能；ε為湍流動能耗散率；u為x方向的動量；v為y方向的動量；Gk為平均速度梯度引發(fā)的湍流動能k的產(chǎn)生項；C2為經(jīng)驗參數(shù)，需要用典型流動的實驗結(jié)果和算例結(jié)果做最佳擬合來得到。

根據(jù)實際汽車行駛工況，CFD仿真計算的邊界條件可設(shè)置為:速度入口30m/s和壓力出口條件，地面為滑移壁面，速度為30m/s，墻壁和車身為固定壁面。

1.4 仿真結(jié)果與風(fēng)洞實驗驗證

1.4.1 實驗風(fēng)洞與氣動六分力天平

在湖南大學(xué)風(fēng)工程實驗研究中心HD-2風(fēng)洞中進(jìn)行汽車模型風(fēng)洞實驗。其高速實驗段長度為17m，寬為3m，高為2.5m，最大風(fēng)速可達(dá) 58m/s，收縮比為3.2。該風(fēng)洞為回流式風(fēng)洞，即直流式風(fēng)洞首尾相接，中間增加回流段形成閉合回路。風(fēng)洞洞體由風(fēng)扇段、擴(kuò)散段、收縮段、低速實驗段、高速實驗段、拐角導(dǎo)流片、穩(wěn)定段和蜂窩器等部分組成。風(fēng)洞動力系統(tǒng)由功率620kW的直流電機(jī)驅(qū)動，風(fēng)扇系統(tǒng)由9片玻璃鋼槳葉組成，調(diào)速系統(tǒng)采用西門子6RA7090型直流調(diào)速裝置。風(fēng)洞風(fēng)速控制、數(shù)據(jù)采集與實驗監(jiān)視基本集中在主控制室，以實現(xiàn)全自動化系統(tǒng)控制。表1為風(fēng)洞汽車實驗段的主要技術(shù)參數(shù)。圖3為HD-2風(fēng)洞汽車實驗段。

表1 風(fēng)洞汽車實驗段主要技術(shù)參數(shù)

圖3 風(fēng)洞汽車實驗段外部視圖

天平是氣動力測量的主要裝置，也是風(fēng)洞中最主要的測量裝置之一，其功能為測量作用在汽車或汽車模型上的氣動力和氣動力矩。實驗的天平為六分量浮框式應(yīng)變汽車專用天平(圖4)。

1.4.2 實驗?zāi)Ｐ?/p>

HD-2風(fēng)洞為1∶3縮比模型。風(fēng)洞風(fēng)速控制、數(shù)據(jù)采集和實驗監(jiān)視基本全部集中在主控制室以實現(xiàn)全自動化計算機(jī)系統(tǒng)控制。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，通過數(shù)控加工中心加工出與CAD模型一致的風(fēng)洞實驗用模型(圖5)。

1.4.3 氣動阻力系數(shù)結(jié)果與對比分析

在零橫擺角和風(fēng)速為30m/s的條件下，通過HD-2風(fēng)洞實驗測得階背MIRA模型的阻力系數(shù)，其與仿真結(jié)果的對比如表2所示。

圖4 應(yīng)變式測力天平

圖5 風(fēng)洞實驗原車模型

表2 階梯背MIRA模型氣動阻力實驗數(shù)據(jù)對比

由表可見，HD-2風(fēng)洞實驗與仿真數(shù)據(jù)之間的相對誤差為0.35%，說明仿真可信，仿真方案可行，可用于后續(xù)的進(jìn)一步研究。

2 尾部附加裝置設(shè)計

2.1 附加裝置初始設(shè)計

鯊魚長度可達(dá)18m，體質(zhì)量40t，雖具有龐大的驅(qū)體，但游動速度很快，可在短時間內(nèi)達(dá)到43km/h以上。對其進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其游動時主要靠身體、尾鰭控制推進(jìn)，通過背鰭控制穩(wěn)定性。鯊魚背鰭的造型類似于飛機(jī)的豎尾翼，前沿扁尖，其高度和厚度沿脊椎向后逐漸增大。從流體動力學(xué)角度分析，這種結(jié)構(gòu)可打破和削弱鯊魚在游動過程中逐漸增厚的附面層，減小黏性阻力，抑制尾部流動分離，從而具有低流動阻力的特征。這種特征已在工程中得到應(yīng)用[12-14]。

為此，基于鯊魚鰭(如圖6所示)進(jìn)行仿生，抽取其結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行簡化，設(shè)鯊魚鰭前端高度為a，后端高度為b，后端寬度為c；考慮到汽車車身結(jié)構(gòu)本身尺寸特點，附加裝置安裝在尾底部，由沿著車身寬度布置的一排仿鰭類四棱錐組成，如圖7所示。中間為7個相同的類四棱錐，因模仿鯊魚背鰭左右對稱的形狀，其頂視投影為等腰三角形，稱之為Ⅰ型；為與車身側(cè)面平齊，再用一個Ⅰ型類四棱錐，劈成兩半，分別置于兩側(cè)，稱之為Ⅱ型，仍為類四棱錐，唯其頂視投影為直角三角形。附加裝置的幾何參數(shù)如圖8所示。根據(jù)圖1所示的車身底部實際寬度為1 266mm，為不影響車輛整體風(fēng)格，附加裝置總長度L取1 200mm，總寬度W為200mm，給附加裝置參數(shù)賦初值為:a＝20mm，b＝50mm，c＝100mm，d＝50mm。

圖6 鯊魚鰭

圖7 附加裝置布置圖和局部放大圖

2.2 初始設(shè)計與原車對比

圖8 附加裝置幾何參數(shù)示意圖

應(yīng)用上述仿真方案，對安裝初始附加裝置后的車模進(jìn)行外流場計算，得到氣動阻力系數(shù) Cd為0.307 9，比原車氣動阻力系數(shù) 0.319 9降低了3.8%。有無附加裝置的車身表面壓力云圖、縱對稱面速度云圖、縱對稱面速度矢量圖和模型周圍流場的對比如圖9～圖12所示。由圖可見:安裝附加裝置后，尾部高正壓區(qū)面積減小(圖9)；車身尾底部附面層厚度減小(圖10)；尾部由原來的充分發(fā)展的2個反洗渦結(jié)變?yōu)?個成熟發(fā)展的上洗渦結(jié)和1個未充分發(fā)展的小渦結(jié)，且渦核直徑減小，從而減少了能量消耗(圖11)；渦核數(shù)量明顯減少，同樣起了減少能耗的作用(圖12)。

圖9 汽車表面壓強(qiáng)云圖

圖10 縱對稱面速度云圖

圖11 縱對稱面速度矢量圖

圖12 模型周圍的流場

為更好地發(fā)揮仿生附加裝置的減阻效果，對附加裝置進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

3 優(yōu)化流程與約束條件

將UG二次開發(fā)[15]、實驗設(shè)計、近似模型和多島遺傳算法等應(yīng)用到尾底部附加裝置設(shè)計中，以最小阻力為目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化。

首先參數(shù)化建模，其次根據(jù)UG二次開發(fā)所編的程序和實驗設(shè)計所提供的樣本點，自動導(dǎo)出相應(yīng)的三維軟件格式模型，然后在ICEM-CFD中劃分網(wǎng)格，再用Fluent求解計算阻力，得到各個樣本點對應(yīng)的響應(yīng)值，最后根據(jù)這些樣本點和響應(yīng)值，構(gòu)建出2階響應(yīng)面近似模型作為代理模型，建立目標(biāo)參數(shù)變量因子與氣動阻力系數(shù)的響應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上借助多島遺傳算法(MIGA)進(jìn)行全局尋優(yōu)，得到最優(yōu)解。優(yōu)化流程如圖13所示。

(4)在不同摻砂率混合物中,摻砂率越高其單位質(zhì)量膨潤土中所含NaCl的質(zhì)量越高;又因為摻砂率30%和50%兩種混合物試樣的強(qiáng)度是由膨潤土起主要作用,同時NaCl濃度越高,膨潤土試樣強(qiáng)度越大.因此,在一定濃度的鹽溶液飽和條件下,不同摻砂率混合物試樣的摻砂率越高,其強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角越大.

圖13 優(yōu)化流程

優(yōu)化中，參數(shù)a，b，c和d的取值范圍分別為[0，100]，[0，100]，[0，145]和[0，75]，單位 mm。 約束條件為Ⅰ型和Ⅱ型類四棱錐各自保持頂視投影為等腰和直角三角形，W不變。

4 優(yōu)化結(jié)果與分析

4.1 最優(yōu)拉丁超立方實驗設(shè)計

優(yōu)化采用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計，抽取樣本點40組進(jìn)行計算仿真，結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，單個因子a對目標(biāo)值影響最大，且隨著a的增大而增大，b和c次之，但隨著b和c增大而減小，d對目標(biāo)值影響最小。同時還可發(fā)現(xiàn)，單個因子并不是單獨作用，而是各個因子之間相互影響，存在交互效應(yīng)，雖然b和c影響較小，但是a和c對目標(biāo)的影響達(dá)到15.63%，a和b對目標(biāo)的影響也達(dá)到-14.5%；影響最小的單個因子d，在c和d對目標(biāo)的影響也達(dá)到-8.24%。所以，4個因子在優(yōu)化過程中，都需要進(jìn)行優(yōu)化。

表3 設(shè)計變量對Cd的貢獻(xiàn)量

4.2 構(gòu)建近似模型

響應(yīng)面模型(response surface model，RSM)采用多項式(線性，2次，3次，4次)近似模型，通過最小二乘回歸方程擬合輸入與輸出參數(shù)，初始化需要一定數(shù)量的設(shè)計樣本點。響應(yīng)面模型系數(shù)見表4。

表4 響應(yīng)面模型系數(shù)

根據(jù)表4的尾部附加裝置變量因子樣本組合對應(yīng)的響應(yīng)值，在Isight[16]平臺采用響應(yīng)面模型進(jìn)行樣本輸入與輸出擬合，擬合過程中，系統(tǒng)會自動將導(dǎo)入文件中的變量因子更換符號名字，即輸入變量因子 a，b，c和 d 對應(yīng)為近似模型中的 x1，x2，x3和 x4，輸出響應(yīng)值Cd對應(yīng)y1。通過擬合，得到近似模型中15項模型待定系數(shù)(涉及的代理模型系數(shù)均保留4位小數(shù))。

為了驗證近似模型的精確度，從仿真數(shù)據(jù)中抽取5組數(shù)據(jù)與近似模型計算結(jié)果對比，對比結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，誤差范圍都在1%之內(nèi)，說明采用此近似模型是可行的。

4.3 優(yōu)化結(jié)果與分析

4.3.1 優(yōu)化結(jié)果

多島遺傳算法(multi-island genetic algorithm，MIGA)是以傳統(tǒng)遺傳算法為基礎(chǔ)的一種新型遺傳算法。在該算法中，多個子群又會從各個種群的個體中分解出來，這些子群被稱為“島”。每個島上將分別進(jìn)行傳統(tǒng)遺傳算法中的選擇、交叉、變異等個體行為，選定的個體將被定期地遷移到其他島嶼上，仍然不間斷地進(jìn)行傳統(tǒng)遺傳算法操作。

表5 阻力系數(shù)驗證

遷移間隔、遷移率這兩個參數(shù)對遷移過程進(jìn)行控制，遷移間隔即為每次遷移的代數(shù)，遷移率決定了在一次遷移過程中每個島上遷移的個體數(shù)量的百分比。作為一種偽并行遺傳算法，多島遺傳算法可更好地在設(shè)計空間中尋找全局最佳方案[17]。

本文中通過Isight軟件搭建優(yōu)化流程，以氣動阻力系數(shù)Cd最小為目標(biāo)，采用多島遺傳算法在因子變量的可行域進(jìn)行全局尋優(yōu)，獲得最佳參數(shù)組合，結(jié)果如表6所示。由表可見，基于最佳參數(shù)組合用代理模型算得的氣動阻力系數(shù)與CFD仿真結(jié)果很接近，誤差僅為0.60%。

表6 優(yōu)化結(jié)果

4.3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

安裝有附加裝置的車模優(yōu)化前后的車身表面壓強(qiáng)云圖、縱對稱面速度的云圖與矢量圖和模型周圍流場分別如圖14～圖17所示。

由圖可見:附加裝置優(yōu)化后，尾部高正壓區(qū)面積進(jìn)一步減小(圖14)；車身尾底部附面層厚度和附面層所消耗的能量皆無明顯變化(圖15)；但尾部由原來的1個未充分發(fā)展的有渦核的下小渦結(jié)變成1個沒有渦核的下小渦結(jié)，使能量消耗進(jìn)一步減小(圖16)；渦核中心更高，說明底部氣流更加流暢，因而車身背部的渦更小(圖17)。

圖14 汽車表面壓強(qiáng)云圖

圖15 縱對稱面速度云圖

優(yōu)化結(jié)果最終體現(xiàn)在汽車氣動阻力系數(shù)由優(yōu)化前的0.307 9降至0.303 7，與原車相比，總減阻率達(dá)5.06%。

5 結(jié)論

本文中基于鯊魚背鰭進(jìn)行了仿生學(xué)設(shè)計，開展了轎車尾底部附加裝置氣動減阻及其優(yōu)化研究，得到如下結(jié)論。

(1)模仿鯊魚背鰭形狀設(shè)計了附加裝置，安放于汽車尾底部，在不影響車輛外觀造型風(fēng)格的情況下，能有效抑制車身后背湍流渦結(jié)形成和附面層生長，降低汽車氣動阻力，達(dá)到節(jié)能減排的目的。汽車的氣阻系數(shù)由原來的0.319 9降至0.307 9，降低了3.8%。

(2)應(yīng)用代理模型和多島遺傳算法對MIRA模型安裝的附加裝置進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步降低了氣動阻力。最終的汽車氣阻系數(shù)為0.303 7，總減阻率達(dá)到5.06%。

圖16 縱對稱面速度矢量圖

圖17 模型周圍的流場

(3)本文中僅是對標(biāo)準(zhǔn)車模尾部附加裝置仿生減阻和優(yōu)化，對實際在用車型尚需進(jìn)一步豐富優(yōu)化參數(shù)，其方法和原理可供汽車車身減阻設(shè)計參考和借鑒。

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A Research on Bionic Aerodynamic Drag Reduction of Vehicle Body Based on Shark Fins

Zhang Yong1， Pan Zhengyu1， Gu Zhengqi1，2， Liu Shuichang1＆ Song Yahao1
1.Department of Mechanical Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou 412007；2.Hunan University， State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Changsha 410082

Through a bionic study based on shark fin，a novel spoiler is designed to be attached on the bottom of vehicle rear-end with an aim to reduce the aerodynamic resistance of vehicle.On the base of a CFD simulation scheme verified by wind tunnel test and parametric modeling with UG，ICEM and FLUENT integrated by ISIGHT，the attachment is optimized by multi-island genetic algorithm with a quadratic response surface approximation model.The results show that the bionic attachment designed can weaken the airflow separation of the wake behind vehicle，suppress the formation of turbulent vortex， improve flow field structure， and hence effectively reduce the aerodynamic drag of vehicle.With the optimized attachment，the drag coefficient of vehicle reduces by 5.06%compared with original one.

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.09.007

?中央財政支持地方高校專項資金項目(0420036017)、湖南省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究計劃項目(16B074)和湖南省自然科學(xué)基金(2017JJ2074)資助。

原稿收到日期為2016年10月19日，修改稿收到日期為2016年12月27日。

劉水長，博士，E-mail:liushuichang100＠163.com。