近些年來(lái)，日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)和消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品多元化多樣化的需求，使得汽車制造商間的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(duì)汽車制造商當(dāng)下及未來(lái)的走勢(shì)產(chǎn)生重大影響。為了滿足汽車制造商在當(dāng)前大環(huán)境下的可持續(xù)發(fā)展，氣動(dòng)部門(mén)持續(xù)尋求可以縮短仿真周期，并能夠高效的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)尋優(yōu)的方法，以便在更短的開(kāi)發(fā)周期內(nèi)評(píng)估更多的設(shè)計(jì)構(gòu)想，并獲得更優(yōu)秀的產(chǎn)品性能指標(biāo)。

 

PowerFLOW 是一款先進(jìn)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(xì)節(jié)幾何建模等諸多優(yōu)點(diǎn)。2008 年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)后，PowerFLOW 便深耕于空氣動(dòng)力學(xué)，氣動(dòng)聲學(xué)，傳熱學(xué)及人體舒適性等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外多家知名廠商，均有通過(guò)PowerFLOW 進(jìn)行新車空氣動(dòng)力學(xué)開(kāi)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(jìn)行新車空氣動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)，并在最終的風(fēng)洞測(cè)試時(shí)獲得了 0.26 的極佳的風(fēng)阻系數(shù)。PowerFLOW 取得的優(yōu)異成績(jī)，使其成為進(jìn)行汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能開(kāi)發(fā)工作的有力工具。

 

一汽-大眾一直采用 PowerFLOW 進(jìn)行整車空氣動(dòng)力學(xué)的性能開(kāi)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(shí)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(duì) TBS這種方法便做了細(xì)致研究，仿真結(jié)果與試驗(yàn)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(fēng)窗角度及后蓋尾翼造型高度為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)空間的探索優(yōu)化, 進(jìn)一步發(fā)掘整車氣動(dòng)性能的開(kāi)放潛力。

 

技術(shù)路線

本文使用 PowerFLOW 軟件 6-2021-r4 版本來(lái)進(jìn)行整車空氣動(dòng)力學(xué)瞬態(tài)流場(chǎng)仿真。軟件采用LBM 方法，可使用不同的格子分辨率進(jìn)行體網(wǎng)格自動(dòng)離散。以下文獻(xiàn)可查看更為詳細(xì)的 LBM方法介紹[7-9]。軟件對(duì)各向異性的渦進(jìn)行直接求解，對(duì)耗散尺度和慣性尺度的渦采用擴(kuò)展的RNG k-e 湍流模型進(jìn)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(duì)象，幾何模型如圖 1 所示。使用一汽-大眾專有定制的 PowerFLOW 氣動(dòng)風(fēng)洞開(kāi)發(fā)模板進(jìn)行氣動(dòng)仿真設(shè)置。仿真中地面使用與代表開(kāi)放路面駕駛情況相同的環(huán)境風(fēng)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(lái)模擬胎紋胎的真實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。輪輞使用更為準(zhǔn)確的滑移網(wǎng)格技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的旋轉(zhuǎn)。這種輪胎輪輞模擬方法的準(zhǔn)確性在以下文獻(xiàn)中有所驗(yàn)證[10]。使用等比例全細(xì)節(jié)幾何模型。使用 FAW-VW 專有的最佳氣動(dòng)實(shí)踐進(jìn)行仿真設(shè)置及體網(wǎng)格加密。使用 Run Monitor 技術(shù)來(lái)確保瞬態(tài)計(jì)算的收斂性，收斂判據(jù)為風(fēng)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(dòng)仿真耗時(shí)且不以犧牲計(jì)算精度為代價(jià)的方法，Transient Boundary Seeding, 簡(jiǎn)稱 TBS。 使用 TBS 方法，在進(jìn)行完整計(jì)算域仿真的時(shí)候，在流場(chǎng)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(cè)面的位置，布置在全局坐標(biāo)系下，X=1.5m 的位置，約在 B柱處。其寬度和高度擴(kuò)展至整個(gè)計(jì)算域。然后以這個(gè)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(jìn)行仿真計(jì)算，所以可以大幅減小仿真耗時(shí)。由于 TBS 入口使用的瞬態(tài)流場(chǎng)來(lái)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(gè)車身后部的流場(chǎng)得以保證。

 

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

 

 

圖 2. 計(jì)算域及監(jiān)測(cè)面位置 X=1.5m.

 

仿真結(jié)果

3.1 TBS 方法計(jì)算精度校核

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

 

 

圖 3. 兩種方法計(jì)算耗時(shí)對(duì)比.

 

這種方法的準(zhǔn)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(yàn)證。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性，這里不再贅述。此外，TBS 計(jì)算得到的整車尾流及車身表面壓力也與原始整車計(jì)算的結(jié)果具有高度一致性。

 

3.2 Design Guide 設(shè)計(jì)空間探索

將后風(fēng)窗角度和后蓋尾翼造型高度作為研究對(duì)象，定義為雙設(shè)計(jì)變量。采用 PowerFLOW前處理工具 PowerDELTA 進(jìn)行網(wǎng)格 morph 變形。經(jīng)與造型及設(shè)計(jì)部門(mén)確認(rèn)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(fēng)窗角度的工程可變化范圍為-5°至 5°，后風(fēng)窗角度和后蓋高度變化范圍的輪廓線對(duì)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(fēng)窗角度變化范圍

 

為了便于仿真操作，將變量的變化范圍無(wú)量綱化，如表 1 所示。此外結(jié)合工程實(shí)際，即實(shí)際加工及制造時(shí)可實(shí)現(xiàn)的尺寸及角度控制精度，將變量變化的步長(zhǎng)設(shè)置為 0.1。此時(shí)，后蓋尾翼造型高度構(gòu)成 13 個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，后風(fēng)窗角度構(gòu)成 18 個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)。兩個(gè)設(shè)計(jì)變量全集組合共構(gòu)成 13 乘18，即 234 個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的設(shè)計(jì)空間探索范圍。

 

利用 Design Guide 的初始布點(diǎn)功能，設(shè)置 12 個(gè)初始計(jì)算，并提交計(jì)算。統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表1 所示。其中 Run7, Run12, Run5, Run8, Run6 設(shè)計(jì)點(diǎn)的風(fēng)阻系數(shù)最小，較原始狀態(tài)，即兩個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化值均為 0 的情況相比降低了 2counts。此外，在風(fēng)阻系數(shù)最小的設(shè)計(jì)點(diǎn)中，Run5 的升力系數(shù)最小，為 0.097。

 

表 1. 第一輪計(jì)算結(jié)果

 

 

3.3 第一輪計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)第一輪 12 個(gè)計(jì)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(gè)虛擬計(jì)算。通過(guò)降序排列，得到基于初始響應(yīng)面的最低風(fēng)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(jì)算結(jié)果及初始響應(yīng)面預(yù)測(cè)，Design Guide 擬合生成風(fēng)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(fēng)阻系數(shù)與升力系數(shù)幾乎成反比的關(guān)系，即風(fēng)阻系數(shù)越大，升力系數(shù)越小，升力系數(shù)越大，風(fēng)阻系數(shù)越小。另根據(jù)帕累托前線的預(yù)測(cè)，風(fēng)阻系數(shù) Cd 最小約為 0.137，此設(shè)計(jì)點(diǎn)下對(duì)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(jì)空間尋優(yōu)

在第一輪計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用 Design Guide 的自適應(yīng)布點(diǎn)方式，基于響應(yīng)面特征化的方法，生成8個(gè)計(jì)算。另外，根據(jù)第一輪虛擬計(jì)算下最優(yōu)風(fēng)阻系數(shù)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量值，生成4個(gè)計(jì)算。最終第二輪計(jì)算共計(jì)生成 12 個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)計(jì)算后，結(jié)果如表 2 所示。

 

表 2. 第二輪計(jì)算結(jié)果.

 

 

與原始狀態(tài)，即兩個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化值均為 0 的情況相比，第二輪計(jì)算中，從第一輪虛擬計(jì)算下最優(yōu)風(fēng)阻系數(shù)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量生成的計(jì)算 Run22 和 Run24 的風(fēng)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(jì)算結(jié)果分析

以第一輪 12 個(gè)計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，疊加第二輪 12 個(gè)計(jì)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(gè)虛擬計(jì)算。通過(guò)降序排列，得到基于第二輪響應(yīng)面的最低風(fēng)阻系數(shù)為 0.138，如圖 8 所示。此時(shí)，預(yù)測(cè)的最小風(fēng)阻系數(shù)與當(dāng)前計(jì)算得到的最小風(fēng)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(jì)算結(jié)果及第二輪響應(yīng)面預(yù)測(cè)，Design Guide 可以自動(dòng)生成風(fēng)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(fēng)阻系數(shù)與升力系數(shù)仍舊成反比的關(guān)系，即風(fēng)阻系數(shù)越大，升力系數(shù)越小；升力系數(shù)越大，風(fēng)阻系數(shù)越小。另根據(jù)帕累托前線的預(yù)測(cè)，風(fēng)阻系數(shù) Cd 最小約為 0.138，此設(shè)計(jì)點(diǎn)下對(duì)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(lái)分析當(dāng)前計(jì)算結(jié)果的優(yōu)化潛力。Run24 的一維關(guān)系如圖 10 所示。Run24當(dāng)前設(shè)計(jì)點(diǎn)的后風(fēng)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(wú)量綱值 0.3 左右，以進(jìn)一步降低風(fēng)阻。其局部最優(yōu)設(shè)計(jì)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(lái)分析較優(yōu)的低風(fēng)阻設(shè)計(jì)變量組合及升力與兩設(shè)計(jì)變量間的相互關(guān)系。如圖 11 所示，低風(fēng)阻設(shè)計(jì)主要出現(xiàn)在象限的左下角，即兩個(gè)變量不同時(shí)取較大變化值的情況。此外，可供選擇的低風(fēng)阻設(shè)計(jì)空間相對(duì)較寬。低風(fēng)阻設(shè)計(jì)狀態(tài)下的風(fēng)阻敏感性相對(duì)較弱，有利于對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的把控。

 

 

圖 11. 風(fēng)阻系數(shù)二維關(guān)系圖

 

升力系數(shù)與兩設(shè)計(jì)變量的二維關(guān)系如圖 12 所示，低升力設(shè)計(jì)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(fēng)窗角度在原始狀態(tài)下增加的情況。根據(jù)當(dāng)前的響應(yīng)面精度，可判斷升力系數(shù)對(duì)后蓋尾翼造型高度非常敏感，呈負(fù)相關(guān)，即在設(shè)計(jì)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(duì)后風(fēng)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(jìn)行設(shè)計(jì)空間探索尋優(yōu)的方法。以BORA 車型為研究對(duì)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(shí)，單個(gè)仿真耗時(shí)減少約 86%。

（2）通過(guò)在有效設(shè)計(jì)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(shí)后風(fēng)窗角度增加 3.9°的方案，風(fēng)阻系數(shù)可再降低 3counts，升力系數(shù)可降低 15counts。

（3）通過(guò) 24 個(gè)計(jì)算，完成對(duì) 234 個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)構(gòu)成的設(shè)計(jì)空間探索。獲取設(shè)計(jì)變量與響應(yīng)變量間的相互作用關(guān)系，以及給定設(shè)計(jì)空間內(nèi)風(fēng)阻系數(shù)的優(yōu)化潛力。同時(shí)對(duì)未來(lái)升力性能的持續(xù)改善提供了技術(shù)方案儲(chǔ)備。

 

使用該方法可以更充分利用計(jì)算資源，在有限時(shí)間內(nèi)探索更多的設(shè)計(jì)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(jìng)爭(zhēng)力，未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。

 

資料來(lái)源：達(dá)索官方