不同造型风格的车身低阻基本形体

韦甘+杨志刚+李启良

作者简介： 韦甘(1987—)，女，广西昭平人，博士研究生，研究方向为汽车空气动力学，(Email)weigan87@163.com;

杨志刚(1961—)，男，辽宁鞍山人，教授，博导，博士，研究方向为车辆工程及空气动力学，(Email)zhigangyang@tongji.edu.cn0引言

自1983年开始，汽车空气动力学进入汽车造型的整体优化阶段.汽车整体优化设计的方法从低阻基本形体出发，逐步形成具有较低阻力系数的实车.［1］最初作为原型的低阻基本形体与实车越接近，优化效率和优化质量越高.现代市场对汽车造型的需求是多元化的，为同时满足气动性能和造型需求，不同车型需要建立相应的不同造型风格的低阻基本形体.

过去对低阻基本形体的研究主要依赖于风洞试验和经验知识.风洞试验的试验次数严重受限，但剩余优化空间较大.虽然可利用来自航空领域的经验知识或已知的“半车身”“旋转体”等理论设计出气动阻力极低的形体［24］，但同种方法设计出的低阻基本形体的造型风格较相似.为满足具有不同造型风格的低阻车身外形需要，仅仅利用少量的风洞试验和现有的经验进行尝试和推断是不够的.

随着CFD和计算机技术的迅速发展，遗传算法等适用于非线性问题的全局优化方法与CFD结合，并在翼型气动优化问题上获得显著效果.［57］本文将其运用于求解不同造型风格的车身低阻基本形体，得到的不同造型风格的低阻基本形体是对未来车身的探索，既可以作为车身整体优化过程中的原型，又可为汽车造型设计师提供更丰富的低阻车形选择.

1车身建模和优化方法

1.1车身参数化建模方法

车身3个方向的视图见图1.用参数控制曲线关键点（图中圆圈）的位置和部分曲线的端点斜率，用直线和保凸曲线构成车身的侧视图、俯视图和横截面，结合半车身［1］和翼型弯度线［3］的概念实现三维车身形体的构建.其中，横截面最宽点的高度由侧视图的上下车身线决定，宽度由俯视图决定，Ｌ为整车长度.

（a）侧视图

（b）俯视图(c)横截面图 1车身3个方向的视图

Fig.1Automobile body views in three directions

1.24种车型的约束条件

整车尺寸设置为A级轿车类别范围，设整车尺寸中的车长、车宽和离地间隙为固定值.A车型侧视图见图1(a)，用12个参数控制9个控制点，长高比取现有车身常用的3.0［1］；车尾高度变化范围较大，囊括高尾造型和低尾造型.B车型是在A车型的基础上缩小车尾高度变化范围得到的高尾车型；B车型的车尾上端点（图1(a)中的控制点5）的最低位置设为车高的一半，其他参数的变化范围均与A车型相同.C车型是在A车型的基础上将长高比变为2.8，即在固定车身长度的前提下增加车身高度.D车型在A车型的基础上把侧视图中的控制点8从外凸点改为内凹点，并在控制点8的左右两侧添加2个过渡控制点，即D车型的侧视图用18个参数控制11个控制点.

1.3优化方法

对比不同参数组合的二维车身1~5以及与其对应的三维车身S1~S5的气动性能，部分算例的中截面的壁面剪切应力分布见图2(a)，二维和三维车身的气动阻力因数CD见图2(b).从图2可以看出，二维车身与三维车身中截面的外流场结构近似，前者可以大致反映气流分离和再附着等主要流动特征，并能预测后者的CD的总体变化趋势，可以作为三维车身气动性能的简单预测，且二维车身外流场的数值计算时间较短，利于配合遗传算法进行全局优化.本文选择侧视图参数作为优化参数，对二维车身进行全局寻优，得到的优化结果作为三维低阻基本形体的侧视图.

(a)中截面的壁面剪切应力

（b）气动阻力因数

图2二维车身和三维车身的气动性能

Fig.2Aerodynamic performance of 2D and

3D bodies

根据CFD计算量大的特点，将试验设计方法与遗传算法相结合作为全局优化的方法.用MATLAB软件配合Gambit和TGrid软件实现网格自动化生成，用FLUENT软件进行数值模拟计算.来流速度设为30 m/s，模型选用可实现kε模型.单个二维算例约有20万个非结构网格，单个三维算例约有2 000万个混合网格.

24种车型的低阻基本形体

2.1优化结果

通过优化得到A，B，C和D等4种车型的侧视图见图3(a).根据乘员舒适性、车身布置等空间限制，选取一组既能保证车身布置空间又能尽量减小CD的俯视图与横截面图的参数组合（外形见图1(b)和（c）），结合侧视图优化结果和俯视图、横截面图，得到4种不同车型低阻基本形体，见图3(b).

（ａ）侧视图优化结果

（ｂ）三维低阻基本形体

图 3低阻基本形体

Fig.3Low drag base bodies

低阻基本形体的气动性能见图4，图中Cp为压差阻力因数，Cf为摩擦阻力因数.由图4可知4种低阻基本形体的CD均在0.087~0.100内，Cp约占CD的65%，而普通车身则为85%［1］，比例明显降低.优化得到的结果具有气流分离小、气动阻力因数小的特点.

图 4低阻基本形体的气动性能

Fig.4Aerodynamic performances of low drag base bodies

4种不同车型的优化结果证明低阻基本形体的造型风格具有多元化的特点.尾部造型有高有低，头部造型有凸有凹，长高比也可以变化.这些不同车身造型风格的低阻基本形体既可以满足气动性能的要求，又可以满足造型多元化的需求.

2.2风洞试验验证

选择基本形体A′为试验对象，制作1∶12缩比模型在模型风洞中进行试验，见图5.模型风洞为开口回流式，试验段宽1.185 m，高0.818 m.模型全长0.350 m，底部用单根钢支撑柱固定，阻塞比约为10%.测量仪器使用5通道压力采集系统的六分力天平，纵向精度为0.075%，纵向准度为0.068%.在不同工况下，CD值的误差约为3%~9%，不同测压点的压力因数分布的风洞试验结果与数值计算结果基本符合，验证本文数值方法的可靠性.

图 5缩比模型的风洞试验

Fig.5Wind tunnel test for scaled model

３低阻基本形体的对比分析

3.1高尾和低尾

如图3(a)所示，通过优化尾部高度优化空间较大的A，C和D等3种车型得到的基本形体A′，C′和D′均为低长尾造型.低且长的尾部能够尽量减少尾部气流的分离，提高压力回升的程度，减小车身的形阻因数，但低长尾室内可利用空间狭小，不能满足传统的车身布置需求，是许多低阻车型无法量产的重要原因.当然，通过发动机后置和乘员舱前移等方法也可以解决车身布置问题［1］，所以低长尾车型依然是值得探索的低阻造型之一.

尾涡结构见图6，可知高尾车型和低尾车型的车身后端中央对称面附近上下都有一对马蹄涡，左右都有一对拖曳涡.但从马蹄涡到拖曳涡之间，低尾车型的涡形状不明显，而B′的尾涡则保持明显的上下两排涡的形状，且马蹄涡的湍动能较大.从车尾端向后，长为0.5倍车长、高为1倍车高、宽为1倍车宽空间内的湍流耗散率见图7，可知B′的车后湍流耗散率体积平均值约为其他3个车形的2倍，这说明高尾车型特殊的尾涡结构使得车身的涡阻因数高于低尾车型.通过优化，B车型尾部取自身优化空间中的较低位置，但因为其优化空间受到约束，所以B′尾端约为低尾车型低阻基本形体的2倍高，高度与现有三厢轿车车型的尾部较接近.除尾部外，B′其他部位的造型也与A′有明显区别.B′的车顶最高点和车底后翘前端点较A′明显后移，靠近车长的中间位置；车头最前点较A′上移且端部尖窄，从控制点3到控制点4之间的过渡非常扁平，控制点3，8和4这3点几乎连成一线.头部气流和尾部气流联系紧密，当尾部造型导致尾部气流发生显著改变时，车身其他部位的造型也应该随着发生改变，这也证明不同约束条件的车型独立优化的必要性.

A′车型

图 6尾涡结构

Fig.6Structures of rear vortex

图 7车后空间湍流耗散率体积平均值

Fig.7Turbulent dissipation rate of space behind body

由于尾部较高的原因，B′与A′相比不论是摩擦阻力因数、形阻因数还是涡阻因数都不可避免地偏大，但也能达到较好的气动性能.由图4可以看出，B′的CD值与A′相比只增大约0.01，且Cp占CD的比例较低，仅为62%，说明优化后得到的高尾车型低阻基本形体通过调整其他部位的造型，可尽量减少高尾对气动性能的影响，最大限度地挖掘自身车型的气动性能潜能.这种潜能涉及到三维流场的非线性变化规律，仅仅用定性的经验和知识不能确定有具体约束条件的车身的最优解，而用数值模拟试验结合全局寻优的方法可以发掘出不同车型的气动性能的最大潜能.

3.2长高比

传统认为车的长高比越大，车身越细长，车身的CD值越低，而由图4可知，C′的CD值与A′的CD值基本相同，说明长高比小的车型也能得到气动性能同样优秀的低阻形体.

如图3所示，C′与A′的尾部造型基本相同，但头部差别较大.C′的最高点明显前移，车底后翘更长.C′车头上部比A′车型更饱满突出；而A′车头下部比C′的更饱满突出.

不同长高比车身的气动阻力因数见图8.C′使用2.8长高比时的CD值比使用3.0长高比时小，而A′使用3.0长高比时的CD值比使用2.8长高比时小，说明不同长高比的车型的气动变化规律不同，CD值变化趋势不同.不同长高比的车型应独立优化，不应直接套用已有的长高比优化案例.独立优化过程可以最大限度地挖掘当前约束条件下的车型的气动性能潜能.

图 8不同长高比车身的气动阻力因数CD

Fig.8Aerodynamic drag factors CD of bodies with

different lengthheight ratios

3.3头部形状

D′因为头部的约束条件不同，造型风格与A′有明显差异，但它们的CD值均约为0.09.这反映出低阻基本形体造型风格多元化的特点.两者的头部从控制点3到控制点4的部分存在一定的相似度，例如从控制点3到控制点8的部分大致吻合，从控制点8到控制点4的部分的大致趋势也相似.D′的顶部最高点与A′相比稍前移.

中截面压力因数云图见图9，A′和D′车头部分的静压因数分布虽然形状不同，D′有上下两片正压区，但总面积与A′的单片正压区相近，且两者尾部相似，所以两者的形阻因数也大小相近.但是，D′的车后空间湍流耗散率体积均值比A′的略小（见图6），说明D′的涡阻因数偏低，是导致D′的Cp偏低的主要原因.

A′车型

图 9中截面压力因数云图

Fig.9Pressure factor contours in middle section

对于缺乏具体经验规律且造型较为复杂的车型，使用鲁棒性能较强的遗传算法可以简化搜索过程，得到传统经验无法预测的优化解，这种优化方法可以用于对未来新车型的探索.

4结论

结合数值模拟计算和混合优化方法，通过添加不同的外形约束条件，可以较简便地获得不同造型风格的低阻基本形体.它们的CD值在0.085~0.100的低阻范围内.缩比模型的风洞试验验证这种优化方法的可靠性.

高尾车型低阻基本形体头部和底部造型与低尾车型差异较大，其CD值比低尾车型大0.01，但也能达到较小的0.10.长高比为2.8和3.0的两种车型的低阻基本形体在头部造型上差异明显.不同长高比的车型的CD值变化趋势不同，应该独立进行优化.凹形头部车型与凸形头部车型的低阻基本形体的尾部相似，在头部也存在一定的相似度，头部正压区总面积相近.

低阻基本形体的车身造型风格具有多元化的特点.不同约束条件下的车身外流场变化规律不同，全局寻优的方法可以最大限度地挖掘当前车型的气动性能的潜能，得到相应的低阻基本形体.

参考文献：

［1］傅立敏. 汽车空气动力学［M］. 北京: 机械工业出版社, 2006：1314.

［2］BUCHHEIM R, DEUTENBAH K R, LCKOFF H J. Necessity and premises for reducing the aerodynamic drag of future passenger cars［C］// Proc Soc Automotive Eng, SAE Tech paper 810185. Warrendale, 1981: 759771.

［3］何忆斌, 谷正气, 李伟平, 等. 汽车理想气动形体数字化模型构建及气动性能试验［J］. 航空动力学报, 2011, 25(5): 10311035.

HE Yibin, GU Zhengqi, LI Weiping, et al. Design of aerodynamic optimization shape digital model for car and its wind tunnel test［J］. J Aerospace Power, 2010, 25(5): 10311035.

［4］HUCHO W H. Designing cars for low dragstate of the art and future potential［R］. Int J Vehicle Des, 1982, 3(3): 255262.

［5］BISCHOF C H, BUCKER H M, LANG B, et al. Efficient and accurate derivatives for a software process chain in airfoil shape optimization［J］. J Future Generation Comput Systems. 2005, 21(8): 13331344.

［6］GARDNER B A, SELIG M S. Airfoil design using a genetic algorithm and an inverse method［C］// Proc 41st Aerospace Sci Meeting & Exhibit, AIAA 20030043. Reno: 2003.

［7］隋洪涛. 基因遗传算法及气动外形最优化设计［D］.