ICEM優化

B. 誰能幫我寫個《汽車凹坑型非光滑表面減阻特性的分析與優化》的論文

[摘要]本文中研究了凹坑型非光滑車身表面的減阻特性．首先探討了凹坑單元體矩形、菱形、等差等不同排列方式的減阻效果，選取了減阻效果較好的矩形排列方式；然後以單元體直徑D、橫向間距W和縱向間距L為設計變數，以氣動阻力最小為目標，採用拉丁方試驗設計方法進行優化；接著利用CFD模擬得到各樣本點的響應值，並據此建立Kriging近似模型；最後在驗證了近似模型的可信度基礎上，以近似模型進行全局優化：結果表明：凹坑單元體矩形排列最大可達7. 62%的減阻效果。
關鍵詞：汽車；凹坑型非光滑表面；減阻；CFD模擬；Kriging模型；優化
Analysis and Optimization on the Drag Rection Characteristics of Car with Pit-type Non-smooth Surface
[Abstract]Drag rection characteristic of pit-type non-smooth car body surface is studied in this paper. Firstly the drag rection effects of rectangle, thombus and equal-different pit arrangement are investigated, and the rectangular arrangement with better drag rection effect is chosen. Then an optimization by the design of experiment with Latin Hypercube scheme is performed with the diameter and longitudinal and transverse spacing of pit as design variables and minimizing drag as objective. Next, the responses of different sample points are obtained by CFD simulation, and based on which a Kriging metamodel is built. Finally after the confidence of metamodel is verified a global optimization with the metamodel is concted. The results show that a maximum drag rection effect up t0 7.62% can be achieved with rectangular pit arrangement.
Keywords: car; pit-type non-smooth surface; drag rection; CFD simulation; Kriging model; optimization
前言
日前汽車空氣動力學的氣動阻力特性優化主要通過車身的流線形化和局部改進等方法來實現，由於這些方法研究日益成熟，降低阻力的空間越來越小，汽車減阻進入一個瓶頸期。近年來，基於工程仿生學理論的凹坑型非光滑表面結構的減阻研究迅速發展。其中最典型的應用便是高爾夫凹坑球面。高爾夫球在飛行過程中由於凹坑的存在使空氣形成的邊界層緊貼球的表面，使平滑的氣流順著球形多往後走一些，延遲了邊界層與球體的分離，減小了尾流區，減少了前後的壓差阻力，從而使凹坑型球面的高爾夫球比光滑球面的高爾夫球飛得更遠。
受其啟發，本文中將凹坑型非光滑表面運用在汽車表面上，並通過CFD數值模擬，研究其減阻效果。首先研究了凹坑單元體不同排列方式對汽車減阻效果的影響；然後以減阻效果最佳的排列方式為基礎，選取相關設計變數，運用拉丁方試驗設計方法選出樣本點；接著建立了Kriging近似模型-3-；最後通過多島遺傳演算法對近似模型進行全局尋優。
1 原車模型CFD計算與試驗驗證
1.1計算模型的建立
採用UG軟體建立了某轎車1:1的實車模型。對模型進行了適當的簡化，忽略了門把手、雨刮器、雨水槽等，同時對底盤進行了平整化處理，從而提高了分析效率。轎車模型的長×寬×高分別為5 088×2 036x1 497( mm)，整車模型如圖1所示。
1.2建立計算網格及求解
整車計算域為一圍繞車身的長方體，人口距模型前端3倍車長，出口距模型後端7倍車長，總高度為5倍車高，總寬度為7倍車寬。採用ANSYS ICEM CFD軟體生成非結構化的四面體網格，在車身要凹坑非光滑處理的表面上進行網格加密，以便更加准確地獲取所需的流場信息，同時在車身表面拉伸出與其平行的三稜柱網格作為附面層，以消除壁面函數的影響。為避免網格差異對模擬結果的影響，在模擬過程中，保持棋型相同部分的網格尺寸不變。每次模擬生成的整車總網格數約為360多萬。
邊界條件的設置如下：計算域入口設置為速度人口邊界，速度為40m/s，計算域出口為壓力出口邊界，車身表面設置為無滑移壁面邊界條件，計算域地板設置為移動壁面邊界條件，計算域上表面及左右側面均為滑移壁面邊界條件。選用Relizable k-ε湍流模型，採用二階迎風格式進行離散求解，計算域溫度為常溫進行CFD穩態模擬計算。
1.3風洞試驗驗證
通過風洞試驗來驗證邊界條件和湍流模型設置的准確性。試驗模型根據CAD模型通過數控加工中心加工成1：3的模型，從而保證了試驗用物理模型與數值模擬用CAD模型的一致性。在湖南大學風工程試驗研究中心HD-2風洞中進行測力試驗，用六分力浮框式測力天平測量模型的氣動力。試驗風速為40 m/s，啟動地面附面層抽吸裝置，消除了由
於風洞試驗引起的地面邊界層的影響。轎車模型風洞試驗如圖2所示。
通過風洞試驗測得模型的風阻系數CD，並將CFD模擬結果與試驗進行對比，如表1所示。風阻系數的相對誤差為3. 86%，在工程允許誤差5%以內，從而驗證了數值模擬的可靠性。
2 非光滑處理區域的選定與單元體尺寸的估算
非光滑處理區域應該選在能較好控制尾流區的表面，以減小湍能損失和壓差阻力，而車身頂蓋是對尾流區域影響最大的表面，故本文中主要研究對車身頂蓋進行凹坑非光滑處理後的減阻效果，凹坑非光滑區域如圖3所示。
有關研究表明，無論是氣流分離所引起的壓差阻力還是由於氣體的黏性作用而引起的摩擦阻力，它們總是和邊界層及其厚度有關。仿生非光滑減阻方法的實現途徑就是通過對邊界層的控制來減少湍流猝發強度，減小湍動能的損失。可見，非光滑結構的選擇應該和邊界層有關，非光滑單元體的尺寸高度或深度應該小於車身表面到對數律區之間的距離。目前國際上關於凹坑減阻的研究仍然較少，沒有形成理論體系。因此，在研究初期凹坑型單元體尺寸主要是根據邊界層的厚度來確定。
平板層流邊界層的厚度計算公式為
3 凹坑結構尺寸設計與排列方式
3.1 凹坑結構尺寸設計
在進行凹坑型單元體排列時主要考慮單元體的尺寸：直徑D、橫向間距W、縱向間距L和凹坑深度S，見圖4。為了設計與排列方便，取深度S為直徑D的一半。根據計算模型最大邊界層厚度、車身頂蓋的尺寸、汽車行駛速度和凹坑單元體之間防干涉的要求，給定D、W、L和S的取值范圍分別為[10，40]、[60，160]、[60，160]和[5，20]，單位為mm。
3.2 凹坑單元體排列方式的影響
根據大量的仿生學實驗可知，例如土壤動物蜣螂在土中運動自如一方面得益於其體表的非光滑單元體凹坑形狀，另一方面得益於其凹坑單元體的排列方式。為此在研究凹坑型非光滑車身表面的減阻性能時，要考慮其排列方式的影響。本文中選取了常見的3種排列方式：矩形排列、菱形排列和等差排列，如圖5所示。
本文中選取D= 15mm，形=120mm．￡=120mm．對這3種排列方式進行CFD模擬，其結果見表2。
由表2可知，3種凹坑型單元體排列方式中矩形排到減阻效果最佳，降阻率達2. 13%。
4 凹坑型非光滑表面優化設計
4.1 優化流程與設計變數的選取
根據3種排列方式的CFD模擬結果知，矩形排列方式減阻效果最佳，故以矩形排列凹坑型非光滑表面作為優化對象。整個分析與優化過程如下：(1)確定設計變數，使用拉丁方設計方法選取樣本點；(2)通過CFD模擬得出各樣本點的響應值，並以樣本點和響應值構建近似模型；(3)選取3組新的樣本點驗證近似模型的精度，若不精確則須重新選取樣本點；(4)在驗證近似模型可信度的基礎E，利用優化演算法在滿足約束條件的區域內實現全局尋優，得到最優解，最後再回代到模擬模型中校核計算，如圖6所示。
以D、W和L為設計變數，尋求最優的組合，以達到最大的減阻效果，即求得最小CD值。
4.2試驗設計 ，
根據設計變數的取值范圍，採用拉丁方抽樣方法。選取20組樣本點進行CFD模擬計算，得到20組響應值。各設計變數對CD值的影響關系如圖7所示，D等表示單個設計變數對CD的影響，D-W等表示兩個變數對CD交互影響，D