平头货车在考虑侧风影响下的气动阻力系数优化

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.05.010

摘要/Abstract

摘要：

本文中在考虑侧风影响的条件下，对一平头货车的气动阻力系数进行优化。首先，建立平头货车模型并进行简化处理，根据不同偏角侧风分布概率，提出以加权阻力系数为减阻优化的评价指标。之后把简化模型作为参数优化模型，选取驾驶室部分7个造型参数和货箱部分3个造型参数为设计变量，同时提出分别以加权阻力系数和0°侧风偏角下阻力系数为响应的两种方式，采用拉丁超立方的试验设计方法对优化参数进行试验设计，其中驾驶室部分生成40个样本，货箱部分生成16个样本，仿真得到不同侧风偏角下的阻力系数和加权阻力系数。最后使用Isight平台的Kriging近似模型拟合并采用自适应模拟退火优化算法进行寻优，得到减阻优化方案。结果表明，驾驶室部分优化后加权阻力系数下降168个点，降幅为21.90%；货箱部分优化后加权阻力系数下降94个点，降幅为12.25%，减阻效果明显。

关键词: 平头货车, 气动减阻优化, 侧风, 加权阻力系数

Abstract:

In this paper， the aerodynamic drag coefficient of a cabover truck is optimized with consideration of the effects of crosswind. Firstly， a model for the cabover truck is built and simplified， with the weighted drag coefficient， which is obtained based on the distribution probability of crosswind at different deflection angles， as the evaluation indicator of drag reduction optimization. Then with the simplified model as the model for parameter optimization， seven styling parameters of cab and three styling parameters of cargo container are selected as design variables， combined with Latin hypercube sampling， two variants of the design of experiments are proposed： taking the weighted drag coefficient and the drag coefficient without crosswind as the response， respectively， in which 40 samples of cab and 16 samples of cargo container are generated， and a simulation is conducted to obtain the drag coefficients at different deflection angles and hence the weighted drag coefficient. Finally， an optimization is performed by utilizing the Kriging approximation model of Isight platform and using the adaptive simulated annealing optimization algorithm and an optimized scheme for drag reduction is obtained. The results show that the weighted drag coefficient of the optimized cab reduces by 168 counts， equivalent to a falling rate of 21.90%； the weighted drag coefficient of the cargo container reduces by 94 counts， equivalent to a dropping rate of 12.25%， achieving an apparent drag reduction effect.

Key words: cabover truck, aerodynamic drag reduction optimization, crosswind, weighted drag coefficient

张英朝,刘涛,曹惠南,张喆,王国华. 平头货车在考虑侧风影响下的气动阻力系数优化[J]. 汽车工程, 2021, 43(5): 713-720.

Yingchao Zhang,Tao Liu,Huinan Cao,Zhe Zhang,Guohua Wang. Optimization of Aerodynamic Drag Coefficient for a Cabover Truck Considering the Effects of Crosswind[J]. Automotive Engineering, 2021, 43(5): 713-720.

图/表 21

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

表 1

表 2

表 3

图 6

图 7

表 4

表 5

表 6

表 7

表 8

表 9

表 10

2种优化方案在侧风偏角下的仿真结果"

优化方案	0°	3°	6°	9°	12°	15°	$C d ˉ$ _仿真
简化模型	0.575	0.650	0.948	1.064	1.197	1.212	0.767
驾驶室-优化方法1	0.536	0.548	0.597	0.841	1.102	1.118	0.599
驾驶室-优化方法2	0.522	0.552	0.625	1.078	1.175	1.223	0.629
货箱-优化方法1	0.485	0.562	0.853	0.959	1.039	1.062	0.673
货箱-优化方法2	0.473	0.564	0.861	0.978	1.047	1.072	0.676

表 10

图 8

图 9

图 10

图 11

参考文献 14

1	WINDSOR S. Real world drag coefficient–is it wind averaged drag？［C］. International Vehicle Aerodynamics Conference2014， 2014.
2	李腾飞.不同道路形式下重型商用车瞬态气动特性的数值模拟［D］. 长春：吉林大学， 2013.
	LI Tengfei. Numerical simulation of transient aerodynamic characteristics of heavy commercial vehicle within different road configurations［D］.Changchun：Jilin University， 2013.
3	BRITCHER C， MOKHTAR W， WAY S. Simulation considerations for commercial vehicles in strong crosswind conditions［C］. SAE Paper 2014-01-2452.
4	IINUMA Y， TANIGUCHI K， OSHIMA M. Aerodynamics development for a new EV hatchback considering crosswind sensitivity［C］. SAE Paper 2018-01-0715.
5	王夫亮. 侧风对轿车气动特性影响的数值模拟［D］.长春：吉林大学，2005.
	WANG Fuliang. Numerical simulation of the crosswind effects on the aerodynamic performance of a sedan［D］. Changchun：Jilin University， 2005.
6	龚旭，谷正气，李振磊，等.侧风状态下轿车气动特性数值模拟方法的研究［J］.汽车工程，2010，32（1）：13-16.
	GONG Xu， GU Zhengqi， LI Zhenlei， et al. A study on the numerical simulation of car aerodynamic characteristics under crosswind conditions［J］， Automotive Engineering，2010，32（1）：13-16.
7	龚旭. 重型半挂厢式货车高速侧风气动稳定性分析与优化［D］.长沙：湖南大学，2011.
	GONG Xu. Analysis and optimization of high⁃speed aerodynamic stability of tractor⁃trailer vehicle in cross winds［D］.Changsha：Hunan University，2011.
8	张甫仁，张金龙，屈贤，等.侧风作用下汽车外流场气动特性分析［J］.科技导报，2015，33（15）：76-81.
	ZHANG Furen， ZHANG Jinglong， QU Xian， et al. Aerodynamic characteristics analysis of vehicle external flow field under crosswind ［J］. Science and Technology Guide， 2015，33 （15）： 76-81.
9	刘立宁. 侧风环境中不同运动状态下厢式货车瞬态气动特性研究［D］. 济南：山东大学， 2019.
	LIU Lining. Research on transient aerodynamic characteristics of van type freight cars under different motion states in crosswind environment ［D］. Jinan： Shandong University， 2019.
10	安阳. 基于尾部附件的轿车气动减阻研究［D］.长春：吉林大学，2012.
	AN Yang. Research on aerodynamic drag reduction of car based on tail accessories ［D］. Changchun： Jilin University， 2012.
11	詹昊，李万平，方秦汉，等.不同雷诺数下圆柱绕流仿真计算［J］.武汉理工大学学报，2008，30（12）：129-132.
	ZHAN Hao， LI Wangping，FANG Qinhan， et al. Simulation of flow around a circular cylinder at different Reynolds numbers ［J］. Journal of Wuhan University of Technology， 2008，30 （12）： 129-132.
12	D'HOOGE A， PALIN R， REBBECK L， et al. Alternative simulation methods for assessing aerodynamic drag in realistic crosswind［J］. SAE International Journal of Passenger Cars⁃Mechanical Systems， 2014， 7（2014-01-0599）： 617-625.
13	HOWELL J， PASSMORE M， WINDSOR S. A drag coefficient for test cycle application［J］. SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems， 2018， 11（2018-01-0742）： 447-461.
14	赖宇阳. Isight 参数优化理论与实例详解［M］. 北京：北京航空航天大学出版社，2012.
	LAI Yuyang. Isight parameter optimization theory and example explanation ［M］.Beijing： Beihang University Press， 2012.

类型	相关设置参数
湍流模型	可实现的K?E模型
边界条件	入口速度v=100 km/h 出口压力p=0 滑移壁面地面滑移+非滑移
边界层	层数5 厚度8 mm 增长比1.2
网格基础尺寸	0.1 m
计算域	13L×11W×6H

侧风偏角β/(°)	0	3	6	9	12	15
来流速度v/(km·h^-1)	100	100	100	100	100	100
车速v₁/(km·h^-1)	100	99.863	99.452	98.769	97.815	96.593
侧风速度v₂/(km·h^-1)	0	5.233	10.453	15.643	20.791	25.882

侧风偏角β/（°）	权重系数
0	0.149 2
3	0.478 5
6	0.259 3
9	0.084 9
12	0.021 5
15	0.006 6

序号	设计变量	初始值/m	变化范围/m
1	A	0.65	[0.3,1]
2	B	1.5	[1.3,1.8]
3	C	0.13	[0.05,0.2]
4	R₁	0.3	[0.1,0.5]
5	R₂	0.1	[0.05,0.2]
6	R₃	0.2	[0.1,0.5]
7	R₄	0.05	[0.05,0.4]
8	R₅	0.005	[0.005,0.25]
9	R₆	0.005	[0.005,0.25]
10	R₇	0.005	[0.005,0.25]

[1]	袁志群,刘宇峰,林立. 强风环境下跨海桥梁行车安全评价与管控方法[J]. 汽车工程, 2022, 44(9): 1456-1468.
[2]	郭应时,胡亚辉,付锐,王畅. 基于认知-控制框架的侧风工况下驾驶员横向控制模型研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(8): 1251-1261.
[3]	梁宝钰,汪怡平,刘珣,张倩文,熊建波,胡兴军,王靖宇. 基于滑模理论的高速车辆侧风稳定性控制研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(1): 123-130.
[4]	袁志群,吕恒庆,林立,林晓波,高秀晶. 跨海大桥上厢式货车侧风稳定性的研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(8): 1238-1247.
[5]	袁侠义, 陈林, 黎帅, 王文源. 汽车侧风稳定性的仿真与评价^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(11): 1286-1293.