基于鲨鱼鳍的汽车车身仿生气动减阻研究∗

张 勇，潘正宇，谷正气，2，刘水长，宋亚豪

基于鲨鱼鳍的汽车车身仿生气动减阻研究∗

张 勇1，潘正宇1，谷正气1，2，刘水长1，宋亚豪1

(1.湖南工业大学机械工程学院，株洲 412007； 2.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

通过基于鲨鱼鳍的仿生学研究，设计了一种轿车尾底部附加装置，以期减小汽车的气动阻力。在风洞实验验证了CFD仿真方案的基础上，应用ISIGHT集成UG，ICEM和FLUENT，通过参数化建模，采用2阶响应面近似模型和多岛遗传算法对附加装置进行优化。结果表明:仿生附加装置减小了尾部的气流分离，抑制了湍流涡结形成，改善了流场结构，有效降低了气动阻力，优化后的附加装置使汽车气动阻力系数Cd比原车减小了5.06%。

汽车车身；气动阻力；鲨鱼鳍；仿生学；尾底部附加装置；优化

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

前言

截止2016年1月，我国机动车保有量已达2.79亿辆，且有攀升趋势，给燃油、环保和道路交通安全带来了巨大压力，加强汽车减排技术研究是当前汽车行业重要课题。汽车行驶时产生的气动阻力与速度的平方成正比，克服气动阻力的功率正比于速度的3次方[1]。因此，在机械传动效率日益提高后，降低气动阻力是降低燃油消耗和碳排放的有效途径。应用CFD(计算流体力学)仿真和风洞实验技术，开展气动减阻研究在过去的10年里取得了长足的发展，主要集中在车身造型及其附加装置和仿生减阻两个方面。在车身造型及其附加装置进行减阻研究方面，文献[2]～文献[5]中研究指出，由于汽车车身尾部是湍动能的主要耗散区，是气动减阻重点关注区域，并在汽车尾部的上表面安装附加装置，以抑制车身尾部气流流动，实现了具体车型的气动减阻。然而车身背部和尾部的附加装置会影响汽车整体视觉效果，对汽车尾部分离流动有同样影响的尾底部的附加装置研究还相对较少。在仿生减阻方面，目前研究和应用最多的是仿生鲨鱼皮减阻、仿沟槽形状减阻、仿生超疏水表面减阻和非光滑表面减阻等[6-9]。总体来说，对汽车车身尾底部附加装置进行仿生学减阻设计的研究尚不多见。对此，本文中通过对具有低阻特性的鲨鱼鳍进行仿生学研究，提出了一种轿车尾底部附加装置，在风洞实验验证CFD仿真计算基础上，对附加装置结构参数进行优化，以达到气动减阻、节能减排的目的。

1 几何模型选取与仿真计算

为考察仿生减阻有效性，须对原始轿车车身模型进行数值仿真和风洞实验验证。

1.1 几何模型选取

为考察仿生减阻和减小升力方法的通用性和有效性，选用国际标准MIRA阶背型车模作为研究对象，其数字模型和尺寸如图1所示。

图1 MIRA阶背模型和具体尺寸

1.2 计算域与划分网格

设置网络模型和计算域，如图2所示。采用四六混合网格策略，远场采用结构化的六面体网格，近场采用非结构化的四面体网格，近壁采用三棱柱网格，共632万个网格，445万个节点。

1.3 数值计算条件

在CFD数值仿真中，Realizable k-ε模型考虑了

图2 网格模型和计算域

旋转和曲率的影响，将应力和应变联系起来，使它能更准确地模拟有边界层和气流分离的流动的三维汽车车身外流场，更贴近真实情况[10]，因此在汽车外流场计算中选用该模型。

Realizable k-ε模型的湍动能k和湍动能耗散率ε的输运方程[11]为

其中

式中:ρ为流体密度；k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；u为x方向的动量；v为y方向的动量；Gk为平均速度梯度引发的湍流动能k的产生项；C2为经验参数，需要用典型流动的实验结果和算例结果做最佳拟合来得到。

根据实际汽车行驶工况，CFD仿真计算的边界条件可设置为:速度入口30m/s和压力出口条件，地面为滑移壁面，速度为30m/s，墙壁和车身为固定壁面。

1.4 仿真结果与风洞实验验证

1.4.1 实验风洞与气动六分力天平

在湖南大学风工程实验研究中心HD-2风洞中进行汽车模型风洞实验。其高速实验段长度为17m，宽为3m，高为2.5m，最大风速可达 58m/s，收缩比为3.2。该风洞为回流式风洞，即直流式风洞首尾相接，中间增加回流段形成闭合回路。风洞洞体由风扇段、扩散段、收缩段、低速实验段、高速实验段、拐角导流片、稳定段和蜂窝器等部分组成。风洞动力系统由功率620kW的直流电机驱动，风扇系统由9片玻璃钢桨叶组成，调速系统采用西门子6RA7090型直流调速装置。风洞风速控制、数据采集与实验监视基本集中在主控制室，以实现全自动化系统控制。表1为风洞汽车实验段的主要技术参数。图3为HD-2风洞汽车实验段。

表1 风洞汽车实验段主要技术参数

图3 风洞汽车实验段外部视图

天平是气动力测量的主要装置，也是风洞中最主要的测量装置之一，其功能为测量作用在汽车或汽车模型上的气动力和气动力矩。实验的天平为六分量浮框式应变汽车专用天平(图4)。

1.4.2 实验模型

HD-2风洞为1∶3缩比模型。风洞风速控制、数据采集和实验监视基本全部集中在主控制室以实现全自动化计算机系统控制。为保证数据的可靠性，通过数控加工中心加工出与CAD模型一致的风洞实验用模型(图5)。

1.4.3 气动阻力系数结果与对比分析

在零横摆角和风速为30m/s的条件下，通过HD-2风洞实验测得阶背MIRA模型的阻力系数，其与仿真结果的对比如表2所示。

图4 应变式测力天平

图5 风洞实验原车模型

表2 阶梯背MIRA模型气动阻力实验数据对比

由表可见，HD-2风洞实验与仿真数据之间的相对误差为0.35%，说明仿真可信，仿真方案可行，可用于后续的进一步研究。

2 尾部附加装置设计

2.1 附加装置初始设计

鲨鱼长度可达18m，体质量40t，虽具有庞大的驱体，但游动速度很快，可在短时间内达到43km/h以上。对其进行研究，发现其游动时主要靠身体、尾鳍控制推进，通过背鳍控制稳定性。鲨鱼背鳍的造型类似于飞机的竖尾翼，前沿扁尖，其高度和厚度沿脊椎向后逐渐增大。从流体动力学角度分析，这种结构可打破和削弱鲨鱼在游动过程中逐渐增厚的附面层，减小黏性阻力，抑制尾部流动分离，从而具有低流动阻力的特征。这种特征已在工程中得到应用[12-14]。

为此，基于鲨鱼鳍(如图6所示)进行仿生，抽取其结构参数，并进行简化，设鲨鱼鳍前端高度为a，后端高度为b，后端宽度为c；考虑到汽车车身结构本身尺寸特点，附加装置安装在尾底部，由沿着车身宽度布置的一排仿鳍类四棱锥组成，如图7所示。中间为7个相同的类四棱锥，因模仿鲨鱼背鳍左右对称的形状，其顶视投影为等腰三角形，称之为Ⅰ型；为与车身侧面平齐，再用一个Ⅰ型类四棱锥，劈成两半，分别置于两侧，称之为Ⅱ型，仍为类四棱锥，唯其顶视投影为直角三角形。附加装置的几何参数如图8所示。根据图1所示的车身底部实际宽度为1 266mm，为不影响车辆整体风格，附加装置总长度L取1 200mm，总宽度W为200mm，给附加装置参数赋初值为:a＝20mm，b＝50mm，c＝100mm，d＝50mm。

图6 鲨鱼鳍

图7 附加装置布置图和局部放大图

2.2 初始设计与原车对比

图8 附加装置几何参数示意图

应用上述仿真方案，对安装初始附加装置后的车模进行外流场计算，得到气动阻力系数 Cd为0.307 9，比原车气动阻力系数 0.319 9降低了3.8%。有无附加装置的车身表面压力云图、纵对称面速度云图、纵对称面速度矢量图和模型周围流场的对比如图9～图12所示。由图可见:安装附加装置后，尾部高正压区面积减小(图9)；车身尾底部附面层厚度减小(图10)；尾部由原来的充分发展的2个反洗涡结变为1个成熟发展的上洗涡结和1个未充分发展的小涡结，且涡核直径减小，从而减少了能量消耗(图11)；涡核数量明显减少，同样起了减少能耗的作用(图12)。

图9 汽车表面压强云图

图10 纵对称面速度云图

图11 纵对称面速度矢量图

图12 模型周围的流场

为更好地发挥仿生附加装置的减阻效果，对附加装置进行参数优化。

3 优化流程与约束条件

将UG二次开发[15]、实验设计、近似模型和多岛遗传算法等应用到尾底部附加装置设计中，以最小阻力为目标，进行优化。

首先参数化建模，其次根据UG二次开发所编的程序和实验设计所提供的样本点，自动导出相应的三维软件格式模型，然后在ICEM-CFD中划分网格，再用Fluent求解计算阻力，得到各个样本点对应的响应值，最后根据这些样本点和响应值，构建出2阶响应面近似模型作为代理模型，建立目标参数变量因子与气动阻力系数的响应关系，在此基础上借助多岛遗传算法(MIGA)进行全局寻优，得到最优解。优化流程如图13所示。

(4)在不同掺砂率混合物中,掺砂率越高其单位质量膨润土中所含NaCl的质量越高;又因为掺砂率30%和50%两种混合物试样的强度是由膨润土起主要作用,同时NaCl浓度越高,膨润土试样强度越大.因此,在一定浓度的盐溶液饱和条件下,不同掺砂率混合物试样的掺砂率越高,其强度及内摩擦角越大.

图13 优化流程

优化中，参数a，b，c和d的取值范围分别为[0，100]，[0，100]，[0，145]和[0，75]，单位 mm。 约束条件为Ⅰ型和Ⅱ型类四棱锥各自保持顶视投影为等腰和直角三角形，W不变。

4 优化结果与分析

4.1 最优拉丁超立方实验设计

优化采用最优拉丁超立方设计，抽取样本点40组进行计算仿真，结果如表3所示。

由表3可以看出，单个因子a对目标值影响最大，且随着a的增大而增大，b和c次之，但随着b和c增大而减小，d对目标值影响最小。同时还可发现，单个因子并不是单独作用，而是各个因子之间相互影响，存在交互效应，虽然b和c影响较小，但是a和c对目标的影响达到15.63%，a和b对目标的影响也达到-14.5%；影响最小的单个因子d，在c和d对目标的影响也达到-8.24%。所以，4个因子在优化过程中，都需要进行优化。

表3 设计变量对Cd的贡献量

4.2 构建近似模型

响应面模型(response surface model，RSM)采用多项式(线性，2次，3次，4次)近似模型，通过最小二乘回归方程拟合输入与输出参数，初始化需要一定数量的设计样本点。响应面模型系数见表4。

表4 响应面模型系数

根据表4的尾部附加装置变量因子样本组合对应的响应值，在Isight[16]平台采用响应面模型进行样本输入与输出拟合，拟合过程中，系统会自动将导入文件中的变量因子更换符号名字，即输入变量因子 a，b，c和 d 对应为近似模型中的 x1，x2，x3和 x4，输出响应值Cd对应y1。通过拟合，得到近似模型中15项模型待定系数(涉及的代理模型系数均保留4位小数)。

为了验证近似模型的精确度，从仿真数据中抽取5组数据与近似模型计算结果对比，对比结果如表5所示。

从表5可以看出，误差范围都在1%之内，说明采用此近似模型是可行的。

4.3 优化结果与分析

4.3.1 优化结果

多岛遗传算法(multi-island genetic algorithm，MIGA)是以传统遗传算法为基础的一种新型遗传算法。在该算法中，多个子群又会从各个种群的个体中分解出来，这些子群被称为“岛”。每个岛上将分别进行传统遗传算法中的选择、交叉、变异等个体行为，选定的个体将被定期地迁移到其他岛屿上，仍然不间断地进行传统遗传算法操作。

表5 阻力系数验证

迁移间隔、迁移率这两个参数对迁移过程进行控制，迁移间隔即为每次迁移的代数，迁移率决定了在一次迁移过程中每个岛上迁移的个体数量的百分比。作为一种伪并行遗传算法，多岛遗传算法可更好地在设计空间中寻找全局最佳方案[17]。

本文中通过Isight软件搭建优化流程，以气动阻力系数Cd最小为目标，采用多岛遗传算法在因子变量的可行域进行全局寻优，获得最佳参数组合，结果如表6所示。由表可见，基于最佳参数组合用代理模型算得的气动阻力系数与CFD仿真结果很接近，误差仅为0.60%。

表6 优化结果

4.3.2 优化结果分析

安装有附加装置的车模优化前后的车身表面压强云图、纵对称面速度的云图与矢量图和模型周围流场分别如图14～图17所示。

由图可见:附加装置优化后，尾部高正压区面积进一步减小(图14)；车身尾底部附面层厚度和附面层所消耗的能量皆无明显变化(图15)；但尾部由原来的1个未充分发展的有涡核的下小涡结变成1个没有涡核的下小涡结，使能量消耗进一步减小(图16)；涡核中心更高，说明底部气流更加流畅，因而车身背部的涡更小(图17)。

图14 汽车表面压强云图

图15 纵对称面速度云图

优化结果最终体现在汽车气动阻力系数由优化前的0.307 9降至0.303 7，与原车相比，总减阻率达5.06%。

5 结论

本文中基于鲨鱼背鳍进行了仿生学设计，开展了轿车尾底部附加装置气动减阻及其优化研究，得到如下结论。

(1)模仿鲨鱼背鳍形状设计了附加装置，安放于汽车尾底部，在不影响车辆外观造型风格的情况下，能有效抑制车身后背湍流涡结形成和附面层生长，降低汽车气动阻力，达到节能减排的目的。汽车的气阻系数由原来的0.319 9降至0.307 9，降低了3.8%。

(2)应用代理模型和多岛遗传算法对MIRA模型安装的附加装置进行优化，进一步降低了气动阻力。最终的汽车气阻系数为0.303 7，总减阻率达到5.06%。

图16 纵对称面速度矢量图

图17 模型周围的流场

(3)本文中仅是对标准车模尾部附加装置仿生减阻和优化，对实际在用车型尚需进一步丰富优化参数，其方法和原理可供汽车车身减阻设计参考和借鉴。

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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

∗中央财政支持地方高校专项资金项目(0420036017)、湖南省教育厅高等学校科学研究计划项目(16B074)和湖南省自然科学基金(2017JJ2074)资助。

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

刘水长，博士，E-mail:liushuichang100＠163.com。