CN104317994A - 非光滑表面与射流相结合的车身气动减阻方法 - Google Patents

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刘政
蔡圣康
黄剑锋
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Abstract

本发明公开了一种非光滑表面与射流相结合的车身气动减阻方法,包括以下步骤：设置设计变量；根据设计变量的取值范围和数值类型，分析各设计变量对凹坑型非光滑表面汽车Cd值的影响关系；构建近似模型；检验近似模型的拟合精度，选取试验点进行CFD仿真，并与Kriging模型的计算结果进行对比；采用多岛遗传优化算法，获得最优解时的设计变量值重新建模进行仿真分析计算，采用最优解进行优化，观察模型底部和侧部的气流汇合流动形态和位置；在气流汇合中心区域设置喷射装置。本发明可以在汽车行驶的过程中降低能量的耗散，实现模型的二重减阻，进一步减小汽车车身的气动阻力，提高汽车的动力性和燃油经济性。

Description

非光滑表面与射流相结合的车身气动减阻方法
技术领域
本发明涉及汽车车身非光滑表面设计技术领域，具体涉及一种非光滑表面与射流相结合的车身气动减阻方法。
背景技术
车身气动阻力直接影响汽车的动力性和燃油经济性，当汽车车速超过60km/h时，用于克服空气阻力的功率和燃油消耗占行驶总功率和燃油消耗的30％-40％。因此，降低车身空气阻力意味着整车燃油经济性与动力性均得到有效改善，是促进车辆节能环保的重要途径。近年来，仿生非光滑表面减阻成为减阻研究的热门课题并得到迅速发展，国内外的非光滑表面减阻也取得了较为显著的成效，但是还不能满足市场的需求，随着研究的深入，更先进有效的减阻方法还需不断研究和探索。
发明内容
为了更加有效地减小汽车行驶中的空气阻力，并克服现有方案的不足，本发明提供了一种非光滑表面与射流相结合的车身气动减阻方法，该方法能在汽车行驶过程中，尤其是高速行驶过程中有效减小空气阻力，改善汽车的动力性和燃油经济性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种非光滑表面与射流相结合的车身气动减阻方法，该方法在MIRA直背模型尾部引入以凹坑深度、凹坑直径、凹坑横向间距和纵向间距为参数的凹坑型非光滑单元，具体优化设计步骤如下：
a.将凹坑单元体直径D、凹坑单元体深度S、凹坑单元体之间横向间距W和纵向间距L设置为设计变量；
b.采用拉丁超立方抽样方法选取若干组样本点进行CFD模拟计算，得到各组的响应值,分析各设计变量对凹坑型非光滑表面汽车Cd值的影响关系；
c.根据设计变量和优化目标之间的响应关系采用Kriging模型构建近似模型；
d.检验近似模型的拟合精度，在设计空间中选取试验设计方案外的任意若干个试验点进行CFD仿真，并与Kriging模型的计算结果进行对比；
e.采用多岛遗传优化算法进行优化求解；
f.将步骤e中获得最优解时的设计变量值重新建模进行仿真分析计算，最终得出最优解；
g.使用步骤f中的最优解对MIRA直背模型尾部端面的凹坑型非光滑表面进行优化，观察模型底部和侧部的气流汇合流动形态和位置；
h.在气流汇合中心区域设置喷射装置。
进一步，所述喷射装置设置为圆形。
进一步，所述喷射装置的出口条件设置为速度入口。
进一步，所述喷射装置的喷射速度U设为7.5-12.5m/s。
进一步，所述喷射装置设为涡流发射器。
本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种非光滑表面与射流相结合的车身气动减阻方法，非光滑优化模型较之光滑模型，尾部负压明显减小，而加装喷射装置的非光滑模型较之非光滑优化模型，尾部负压进一步减小。尾部低压区的减小，使得尾部受到涡流中心低压区的影响降低，从而降低气动阻力，而非光滑表面模型改善了模型的尾流，进而使得气流流经模型尾部时能量耗散大幅度降低，因此湍动能也对应减小。所述喷射装置实现了气流的主动控制，进一步降低了气流流过尾部时所消耗的能量，湍动能进一步减小，并且在喷射装置加装位置处，低湍动能区域面积较之其余两者大。原车模型经过非光滑和喷射装置后，能实现模型前后压差的减小，降低能量的耗散，实现模型的二重减阻，本发明可以在汽车行驶的过程中进一步减小汽车车身的气动阻力，提高汽车的动力性和燃油经济性。
附图说明
图1是本发明气动优化流程图；
图2是凹坑型非光滑汽车气动阻力系数的Pareto图；
图3是本发明MIRA直背模型尾部速度流场示意图；
图4是喷射装置非光滑模型示意图；
图5是三种模型纵向对称面上的压力云图；
图6是三种模型尾部350mm处的压力云图；
图7是三种模型尾部350mm处平面上的湍动能云图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明作进一步阐述。应该说明的是，不得将下述实施例解释为对本发明内容的限制。
本发明气动优化流程如图1所示：一种非光滑表面与射流相结合的车身气动减阻方法，该方法在传统的CFD优化方法基础上，结合了试验设计，近似模型和优化算法等现代优化设计方法，在MIRA直背模型尾部引入以凹坑深度、凹坑直径、凹坑横向间距和纵向间距为参数的凹坑型非光滑单元，具体优化设计步骤如下：
a.将凹坑单元体直径D、凹坑单元体深度S、凹坑单元体之间横向间距W和纵向间距L设置为设计变量，寻求各因素之间的最优组合，以达到最大的减阻效果；
b.根据设计变量的取值范围和数值类型，采用拉丁超立方抽样方法选取30组样本点并进行CFD模拟计算，得到30组响应值，如表1所示：
表1 30组样本点与计算结果
各设计变量对凹坑型非光滑表面汽车Cd值得影响关系如图2所示；
c.根据设计变量和优化目标之间的响应关系采用Kriging模型构建近似模型；
d.检验建立的近似模型的拟合精度，在设计空间中选取试验设计方案外的任意3个试验点进行CFD仿真，并与代理模型的计算结果进行对比，对比结果如表2所示：
表2 近似模型拟合精度验证
可见近似模型值与CFD仿真结果的相对误差很小，在工程允许误差之内，因此近似模型可很好地描述设计变量与响应值之间的关系，其可信度高，可用来代替CFD进行直接计算；
e.采用多岛遗传优化算法，初试种群个数设为50个，岛数设为10，迭代代数设为100，经过优化，在D＝18mm，S＝6mm，W＝55mm，L＝75mm时，获得最优解，其近似模型值为0.38023；
f.将步骤e中获得最优解时的设计变量值重新建模进行仿真分析计算，Cd值为0.37980，最终得出近似模型的最优解为D＝18mm，S＝6mm，W＝55mm，L＝75mm，近似模型值为0.38023；
g.使用步骤h中的最优解对MIRA直背模型尾部端面的凹坑型非光滑表面进行优化，得到减阻效果最好的非光滑表面，在速度为24.88m/s时，观察模型底部和侧部的气流汇合流动形态和位置,在距离非光滑模型尾部350mm平面上的速度流场分布图如图1所示，从图上尾部气流流动的速度矢量可以看出，模型底部和侧部的气流汇合流向尾部，其流动呈现一种近似圆形的形态；
h.为能有效干扰尾部的气流流动，在气流汇合中心区域设置喷射装置，所述喷射装置设置为圆形，所述喷射装置的出口条件设置为速度入口，其余条件不变，得到当汽车行驶速度为24.88m/s时，喷射装置的喷射速度U在不同情形下的气动阻力系数如表3所示：
表3 24.88m/s时不同喷射速度下的阻力系数
由表3可知，当U＝10m/s时，减阻率最大，相比非光滑单元车身减阻增加了3.54％，当U＝12.5时，减阻率在非光滑单元体车身的基础上增加了3.40％。结合上述结果可以得出，非光滑单元体结合射流装置更进一步改善了汽车的气动性能，进一步减小了汽车的气动阻力。光滑模型、非光滑优化模型、加装喷射装置模型纵向对称面上的压力云图如3所示，光滑模型、非光滑优化模型、加装喷射装置模型尾部350mm处平面上的压力云图如图4所示，结合两个面上的云图，非光滑优化模型较之光滑模型，尾部负压明显减小，而加装喷射装置的非光滑模型较之非光滑优化模型，尾部负压进一步减小。尾部低压区的减小，使得尾部受到涡流中心低压区的影响降低，从而降低气动阻力。光滑模型、非光滑优化模型、加装喷射装置模型尾部350mm处平面上的湍动能云图如图5所示，湍动能越小，意味着能量耗散越小，气动阻力也会越小，对比三种不同尾部形态模型的湍动能云图，可以看出三种模型的云图差异较大，尤其是标注位置。原车模型的湍动能最为剧烈，高湍动能区域在云图中所占的比例最大，这意味着气流在尾部分离时消耗了大量的能量，而非光滑表面模型改善了模型的尾流，进而使得气流流经模型尾部时能量耗散大幅度降低，因此湍动能也对应减小。所述喷射装置设置为涡流发射器，实现了气流的主动控制，进一步降低了气流流过尾部时所消耗的能量，湍动能进一步减小，并且在喷射装置加装位置处，低湍动能区域面积较之其余两者大。湍动能的一次减小，也很好验证了仿真的准确性与可靠性。结合压力云图和湍动能云图可以看出，原车模型经过非光滑和喷射装置后，能实现模型前后压差的减小，降低能量的耗散，实现模型的二重减阻，本发明可以在汽车行驶的过程中进一步减小汽车车身的气动阻力，提高汽车的动力性和燃油经济性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种非光滑表面与射流相结合的车身气动减阻方法，其特征在于：该方法在MIRA直背模型尾部引入以凹坑深度、凹坑直径、凹坑横向间距和纵向间距为参数的凹坑型非光滑单元，具体优化设计步骤如下：
a.将凹坑单元体直径D、凹坑单元体深度S、凹坑单元体之间横向间距W和纵向间距L设置为设计变量；
b.采用拉丁超立方抽样方法选取若干组样本点进行CFD模拟计算，得到各组的响应值,分析各设计变量对凹坑型非光滑表面汽车Cd值的影响关系；
c.根据设计变量和优化目标之间的响应关系采用Kriging模型构建近似模型；
d.检验近似模型的拟合精度，在设计空间中选取试验设计方案外的任意若干个试验点进行CFD仿真，并与Kriging模型的计算结果进行对比；
e.采用多岛遗传优化算法进行优化求解；
f.将步骤e中获得最优解时的设计变量值重新建模进行仿真分析计算，最终得出最优解；
g.使用步骤f中的最优解对MIRA直背模型尾部端面的凹坑型非光滑表面进行优化，观察模型底部和侧部的气流汇合流动形态和位置；
h.在气流汇合中心区域设置喷射装置。
2.根据权利要求1所述的非光滑表面与射流相结合的车身气动减阻方法，其特征在于：所述喷射装置设置为圆形。
3.根据权利要求1所述的非光滑表面与射流相结合的车身气动减阻方法，其特征在于：所述喷射装置的出口条件设置为速度入口。
4.根据权利要求1所述的非光滑表面与射流相结合的车身气动减阻方法，其特征在于：所述喷射装置的喷射速度U设为7.5-12.5m/s。
5.根据权利要求1所述的非光滑表面与射流相结合的车身气动减阻方法，其特征在于：所述喷射装置设为涡流发射器。
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