近些年來，日益嚴苛的排放法規(guī)和消費者對產(chǎn)品多元化多樣化的需求，使得汽車制造商間的市場競爭愈發(fā)激烈。更多元化的產(chǎn)品部署，更快的新車上市速度，更好的產(chǎn)品品質(zhì)都將對汽車制造商當下及未來的走勢產(chǎn)生重大影響。為了滿足汽車制造商在當前大環(huán)境下的可持續(xù)發(fā)展，氣動部門持續(xù)尋求可以縮短仿真周期，并能夠高效的實現(xiàn)設(shè)計尋優(yōu)的方法，以便在更短的開發(fā)周期內(nèi)評估更多的設(shè)計構(gòu)想，并獲得更優(yōu)秀的產(chǎn)品性能指標。

 

PowerFLOW 是一款先進的商用 CFD 數(shù)值仿真軟件，具有天然瞬態(tài)，超高精度，穩(wěn)定性好以及全細節(jié)幾何建模等諸多優(yōu)點。2008 年進入中國市場后，PowerFLOW 便深耕于空氣動力學(xué)，氣動聲學(xué)，傳熱學(xué)及人體舒適性等領(lǐng)域。國內(nèi)外多家知名廠商，均有通過PowerFLOW 進行新車空氣動力學(xué)開發(fā)的成功案例[1-5]。捷豹 XE 更是完全采用了仿真的手段進行新車空氣動力學(xué)開發(fā)，并在最終的風洞測試時獲得了 0.26 的極佳的風阻系數(shù)。PowerFLOW 取得的優(yōu)異成績，使其成為進行汽車空氣動力學(xué)性能開發(fā)工作的有力工具。

 

一汽-大眾一直采用 PowerFLOW 進行整車空氣動力學(xué)的性能開發(fā)工作。隨著產(chǎn)品線的豐富，仿真需求也在不斷增加。減小仿真耗時且不犧牲仿真精度就成為非常值得研究的課題。2021年，一汽-大眾對 TBS這種方法便做了細致研究，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果具有很好的一致性，并發(fā)表了SAE 論文[6]。本文將以 TBS 為基礎(chǔ)，選取整車后半部分后風窗角度及后蓋尾翼造型高度為研究對象，通過對設(shè)計空間的探索優(yōu)化, 進一步發(fā)掘整車氣動性能的開放潛力。

 

技術(shù)路線

本文使用 PowerFLOW 軟件 6-2021-r4 版本來進行整車空氣動力學(xué)瞬態(tài)流場仿真。軟件采用LBM 方法，可使用不同的格子分辨率進行體網(wǎng)格自動離散。以下文獻可查看更為詳細的 LBM方法介紹[7-9]。軟件對各向異性的渦進行直接求解，對耗散尺度和慣性尺度的渦采用擴展的RNG k-e 湍流模型進行求解。這種方法也被稱為非常大渦模擬(VLES)。

 

首先，本文選取一汽-大眾 BORA 車作為研究對象，幾何模型如圖 1 所示。使用一汽-大眾專有定制的 PowerFLOW 氣動風洞開發(fā)模板進行氣動仿真設(shè)置。仿真中地面使用與代表開放路面駕駛情況相同的環(huán)境風速，并施加滑移壁面的邊界條件。車輛前的邊界層厚度為 0。使用旋轉(zhuǎn)溝槽胎加表面粗糙度的方法來模擬胎紋胎的真實轉(zhuǎn)動。輪輞使用更為準確的滑移網(wǎng)格技術(shù)，以實現(xiàn)真實的旋轉(zhuǎn)。這種輪胎輪輞模擬方法的準確性在以下文獻中有所驗證[10]。使用等比例全細節(jié)幾何模型。使用 FAW-VW 專有的最佳氣動實踐進行仿真設(shè)置及體網(wǎng)格加密。使用 Run Monitor 技術(shù)來確保瞬態(tài)計算的收斂性，收斂判據(jù)為風阻系數(shù)偏差控制在 1count 內(nèi)。

 

 

圖 1. 一汽-大眾全新 BORA

 

其次，本文使用了一種可以減小氣動仿真耗時且不以犧牲計算精度為代價的方法，Transient Boundary Seeding, 簡稱 TBS。 使用 TBS 方法，在進行完整計算域仿真的時候，在流場中插入采樣平面記錄瞬態(tài)信息。圖 2 顯示了該論文研究中瞬態(tài)監(jiān)測面的位置，布置在全局坐標系下，X=1.5m 的位置，約在 B柱處。其寬度和高度擴展至整個計算域。然后以這個平面作為新的入口位置，記錄的信息作為入口的邊界條件。這種方法可大幅減小仿真域，只有平面下游的部分進行仿真計算，所以可以大幅減小仿真耗時。由于 TBS 入口使用的瞬態(tài)流場來自完整的瞬態(tài)仿真，下游氣流的發(fā)展可以得到保證，且整個車身后部的流場得以保證。

 

再次，在此基礎(chǔ)上，采用 PowerFLOW 獨有的 Design Guide 技術(shù)，對車后部風窗角度及后蓋尾翼造型高度在設(shè)計空間內(nèi)的整車氣動性能進行探索及尋優(yōu)。Design Guide 采用拉丁超立方的方法進行初始布點，采用獨有的 ExAdapt 響應(yīng)面方法進行設(shè)計空間的特征化研究及尋優(yōu)。通過 2 輪分析，得出設(shè)計變量與風阻系數(shù)及升力系數(shù)的變化關(guān)系，以及在設(shè)計空間內(nèi)的優(yōu)化潛力。

 

 

圖 2. 計算域及監(jiān)測面位置 X=1.5m.

 

仿真結(jié)果

3.1 TBS 方法計算精度校核

TBS 方法得到的為監(jiān)測面至整車后半部分的仿真結(jié)果。通過對原始整車計算沿車長方向進行離散，記錄監(jiān)測面前累積的風阻系數(shù)和升力系數(shù)，最后與 TBS 計算的結(jié)果進行累加。經(jīng)過處理后，可得到這兩種計算方法的整車風阻系數(shù)發(fā)展曲線及整車升力系數(shù)發(fā)展曲線對比。TBS 計算的整車風阻系數(shù)與原始整車計算得到的結(jié)果相同。TBS 計算得到的整車升力系數(shù)與原始整車計算得到的結(jié)果僅相差 3counts。此外，這兩種計算方法消耗的 CPU 小時數(shù)如柱狀圖 3 所示。如采用 TBS 方法計算效率提升約 86%。

 

 

圖 3. 兩種方法計算耗時對比.

 

這種方法的準確性在已發(fā)表 SAE 論文 2021-01-0944《Vehicle Aerodynamic Development Using a Novel Reduced Turn-Around Time Approach》中得到了驗證。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果具有很好的一致性，這里不再贅述。此外，TBS 計算得到的整車尾流及車身表面壓力也與原始整車計算的結(jié)果具有高度一致性。

 

3.2 Design Guide 設(shè)計空間探索

將后風窗角度和后蓋尾翼造型高度作為研究對象，定義為雙設(shè)計變量。采用 PowerFLOW前處理工具 PowerDELTA 進行網(wǎng)格 morph 變形。經(jīng)與造型及設(shè)計部門確認后，定義后蓋尾翼造型高度的工程可變化范圍為-6mm 至 30mm，后風窗角度的工程可變化范圍為-5°至 5°，后風窗角度和后蓋高度變化范圍的輪廓線對比如圖 4 和圖 5 所示。

 

 

圖 4. 后蓋尾翼造型高度變化范圍.

 

 

圖 5. 后風窗角度變化范圍

 

為了便于仿真操作，將變量的變化范圍無量綱化，如表 1 所示。此外結(jié)合工程實際，即實際加工及制造時可實現(xiàn)的尺寸及角度控制精度，將變量變化的步長設(shè)置為 0.1。此時，后蓋尾翼造型高度構(gòu)成 13 個設(shè)計點，后風窗角度構(gòu)成 18 個設(shè)計點。兩個設(shè)計變量全集組合共構(gòu)成 13 乘18，即 234 個設(shè)計點的設(shè)計空間探索范圍。

 

利用 Design Guide 的初始布點功能，設(shè)置 12 個初始計算，并提交計算。統(tǒng)計計算結(jié)果如表1 所示。其中 Run7, Run12, Run5, Run8, Run6 設(shè)計點的風阻系數(shù)最小，較原始狀態(tài)，即兩個設(shè)計變量的變化值均為 0 的情況相比降低了 2counts。此外，在風阻系數(shù)最小的設(shè)計點中，Run5 的升力系數(shù)最小，為 0.097。

 

表 1. 第一輪計算結(jié)果

 

 

3.3 第一輪計算結(jié)果分析

根據(jù)第一輪 12 個計算結(jié)果，生成初始響應(yīng)面。響應(yīng)面的誤差約為 9.1%，如圖 6 所示。根據(jù)初始響應(yīng)面，生成 10000 個虛擬計算。通過降序排列，得到基于初始響應(yīng)面的最低風阻系數(shù)，為 0.137。

 

 

圖 6. 初始響應(yīng)面誤差

 

根據(jù)第一輪的計算結(jié)果及初始響應(yīng)面預(yù)測，Design Guide 擬合生成風阻系數(shù) Cd 與升力系數(shù)Cl 的帕累托前線，如圖 6 所示。在帕累托前線上，風阻系數(shù)與升力系數(shù)幾乎成反比的關(guān)系，即風阻系數(shù)越大，升力系數(shù)越小，升力系數(shù)越大，風阻系數(shù)越小。另根據(jù)帕累托前線的預(yù)測，風阻系數(shù) Cd 最小約為 0.137，此設(shè)計點下對應(yīng)的升力系數(shù)約為 0.125。

 

 

圖 7. 初始響應(yīng)面 Cd 與 Cl 帕累托前線.

 

3.4 Design Guide設(shè)計空間尋優(yōu)

在第一輪計算的基礎(chǔ)上，采用 Design Guide 的自適應(yīng)布點方式，基于響應(yīng)面特征化的方法，生成8個計算。另外，根據(jù)第一輪虛擬計算下最優(yōu)風阻系數(shù)對應(yīng)的設(shè)計變量值，生成4個計算。最終第二輪計算共計生成 12 個設(shè)計點。經(jīng)過計算后，結(jié)果如表 2 所示。

 

表 2. 第二輪計算結(jié)果.

 

 

與原始狀態(tài)，即兩個設(shè)計變量的變化值均為 0 的情況相比，第二輪計算中，從第一輪虛擬計算下最優(yōu)風阻系數(shù)對應(yīng)的設(shè)計變量生成的計算 Run22 和 Run24 的風阻系數(shù)最低，均為 0.139。此外，Run24 的升力系數(shù)為 0.122，優(yōu)于 Run22 的 0.127。

 

3.5 第二輪計算結(jié)果分析

以第一輪 12 個計算結(jié)果為基礎(chǔ)，疊加第二輪 12 個計算結(jié)果，初始響應(yīng)面的誤差降至 6.6%，如圖 15 所示。根據(jù)第二輪響應(yīng)面，生成 10000 個虛擬計算。通過降序排列，得到基于第二輪響應(yīng)面的最低風阻系數(shù)為 0.138，如圖 8 所示。此時，預(yù)測的最小風阻系數(shù)與當前計算得到的最小風阻系數(shù) 0.139 已相差不大。

 

 

圖 8. 第二輪響應(yīng)面誤差.

 

根據(jù)前兩輪的計算結(jié)果及第二輪響應(yīng)面預(yù)測，Design Guide 可以自動生成風阻系數(shù) Cd 與升力系數(shù) Cl 的帕累托前線，如圖 9 所示。在帕累托前線上，風阻系數(shù)與升力系數(shù)仍舊成反比的關(guān)系，即風阻系數(shù)越大，升力系數(shù)越小；升力系數(shù)越大，風阻系數(shù)越小。另根據(jù)帕累托前線的預(yù)測，風阻系數(shù) Cd 最小約為 0.138，此設(shè)計點下對應(yīng)的升力系數(shù) Cl 約為 0.125。

 

 

圖 9. 第二輪響應(yīng)面 Cd 與 Cl 帕累托前線.

 

利用一維關(guān)系圖來分析當前計算結(jié)果的優(yōu)化潛力。Run24 的一維關(guān)系如圖 10 所示。Run24當前設(shè)計點的后風窗角度-0.6 已處于局部最優(yōu)狀態(tài)，后蓋尾翼造型高度 0.5 可略微下調(diào)至無量綱值 0.3 左右，以進一步降低風阻。其局部最優(yōu)設(shè)計潛力約為 0.1384，優(yōu)化潛力已不大。

 

 

圖 10. 第二輪響應(yīng)面 Cd 與 Cl 帕累托前線

 

利用二維關(guān)系圖來分析較優(yōu)的低風阻設(shè)計變量組合及升力與兩設(shè)計變量間的相互關(guān)系。如圖 11 所示，低風阻設(shè)計主要出現(xiàn)在象限的左下角，即兩個變量不同時取較大變化值的情況。此外，可供選擇的低風阻設(shè)計空間相對較寬。低風阻設(shè)計狀態(tài)下的風阻敏感性相對較弱，有利于對風阻系數(shù)的把控。

 

 

圖 11. 風阻系數(shù)二維關(guān)系圖

 

升力系數(shù)與兩設(shè)計變量的二維關(guān)系如圖 12 所示，低升力設(shè)計主要出現(xiàn)在象限的右上側(cè)，即后蓋尾翼造型高度變化較大，后風窗角度在原始狀態(tài)下增加的情況。根據(jù)當前的響應(yīng)面精度，可判斷升力系數(shù)對后蓋尾翼造型高度非常敏感，呈負相關(guān)，即在設(shè)計空間范圍內(nèi)，后蓋尾翼造型高度越高，升力系數(shù)越小。升力系數(shù)對后風窗角度的變化并不敏感。

 

 

圖 12. 升力系數(shù)二維關(guān)系圖.

 

結(jié)論

本文采用了一種新穎的可以縮短仿真周期，并能高效進行設(shè)計空間探索尋優(yōu)的方法。以BORA 車型為研究對象，研究結(jié)果如下：

（1）使用 TBS 技術(shù)，在不犧牲仿真精度的同時，單個仿真耗時減少約 86%。

（2）通過在有效設(shè)計空間內(nèi)的探索及優(yōu)化，采用后蓋尾翼造型高度上抬 15mm，同時后風窗角度增加 3.9°的方案，風阻系數(shù)可再降低 3counts，升力系數(shù)可降低 15counts。

（3）通過 24 個計算，完成對 234 個設(shè)計點構(gòu)成的設(shè)計空間探索。獲取設(shè)計變量與響應(yīng)變量間的相互作用關(guān)系，以及給定設(shè)計空間內(nèi)風阻系數(shù)的優(yōu)化潛力。同時對未來升力性能的持續(xù)改善提供了技術(shù)方案儲備。

 

使用該方法可以更充分利用計算資源，在有限時間內(nèi)探索更多的設(shè)計構(gòu)想，并獲取合理的優(yōu)化方案，從而有效縮短仿真周期，降低仿真成本，提升產(chǎn)品力和競爭力，未來應(yīng)用場景廣泛。

 

資料來源：達索官方