近些年来，日益严苛的排放法规和消费者对产品多元化多样化的需求，使得汽车制造商间的市场竞争愈发激烈。更多元化的产品部署，更快的新车上市速度，更好的产品品质都将对汽车制造商当下及未来的走势产生重大影响。为了满足汽车制造商在当前大环境下的可持续发展，气动部门持续寻求可以缩短仿真周期，并能够高效的实现设计寻优的方法，以便在更短的开发周期内评估更多的设计构想，并获得更优秀的产品性能指标。

 

PowerFLOW 是一款先进的商用 CFD 数值仿真软件，具有天然瞬态，超高精度，稳定性好以及全细节几何建模等诸多优点。2008 年进入中国市场后，PowerFLOW 便深耕于空气动力学，气动声学，传热学及人体舒适性等领域。国内外多家知名厂商，均有通过PowerFLOW 进行新车空气动力学开发的成功案例[1-5]。捷豹 XE 更是完全采用了仿真的手段进行新车空气动力学开发，并在最终的风洞测试时获得了 0.26 的极佳的风阻系数。PowerFLOW 取得的优异成绩，使其成为进行汽车空气动力学性能开发工作的有力工具。

 

一汽-大众一直采用 PowerFLOW 进行整车空气动力学的性能开发工作。随着产品线的丰富，仿真需求也在不断增加。减小仿真耗时且不牺牲仿真精度就成为非常值得研究的课题。2021年，一汽-大众对 TBS这种方法便做了细致研究，仿真结果与试验结果具有很好的一致性，并发表了SAE 论文[6]。本文将以 TBS 为基础，选取整车后半部分后风窗角度及后盖尾翼造型高度为研究对象，通过对设计空间的探索优化, 进一步发掘整车气动性能的开放潜力。

 

技术路线

本文使用 PowerFLOW 软件 6-2021-r4 版本来进行整车空气动力学瞬态流场仿真。软件采用LBM 方法，可使用不同的格子分辨率进行体网格自动离散。以下文献可查看更为详细的 LBM方法介绍[7-9]。软件对各向异性的涡进行直接求解，对耗散尺度和惯性尺度的涡采用扩展的RNG k-e 湍流模型进行求解。这种方法也被称为非常大涡模拟(VLES)。

 

首先，本文选取一汽-大众 BORA 车作为研究对象，几何模型如图 1 所示。使用一汽-大众专有定制的 PowerFLOW 气动风洞开发模板进行气动仿真设置。仿真中地面使用与代表开放路面驾驶情况相同的环境风速，并施加滑移壁面的边界条件。车辆前的边界层厚度为 0。使用旋转沟槽胎加表面粗糙度的方法来模拟胎纹胎的真实转动。轮辋使用更为准确的滑移网格技术，以实现真实的旋转。这种轮胎轮辋模拟方法的准确性在以下文献中有所验证[10]。使用等比例全细节几何模型。使用 FAW-VW 专有的最佳气动实践进行仿真设置及体网格加密。使用 Run Monitor 技术来确保瞬态计算的收敛性，收敛判据为风阻系数偏差控制在 1count 内。

 

 

图 1. 一汽-大众全新 BORA

 

其次，本文使用了一种可以减小气动仿真耗时且不以牺牲计算精度为代价的方法，Transient Boundary Seeding, 简称 TBS。 使用 TBS 方法，在进行完整计算域仿真的时候，在流场中插入采样平面记录瞬态信息。图 2 显示了该论文研究中瞬态监测面的位置，布置在全局坐标系下，X=1.5m 的位置，约在 B柱处。其宽度和高度扩展至整个计算域。然后以这个平面作为新的入口位置，记录的信息作为入口的边界条件。这种方法可大幅减小仿真域，只有平面下游的部分进行仿真计算，所以可以大幅减小仿真耗时。由于 TBS 入口使用的瞬态流场来自完整的瞬态仿真，下游气流的发展可以得到保证，且整个车身后部的流场得以保证。

 

再次，在此基础上，采用 PowerFLOW 独有的 Design Guide 技术，对车后部风窗角度及后盖尾翼造型高度在设计空间内的整车气动性能进行探索及寻优。Design Guide 采用拉丁超立方的方法进行初始布点，采用独有的 ExAdapt 响应面方法进行设计空间的特征化研究及寻优。通过 2 轮分析，得出设计变量与风阻系数及升力系数的变化关系，以及在设计空间内的优化潜力。

 

 

图 2. 计算域及监测面位置 X=1.5m.

 

仿真结果

3.1 TBS 方法计算精度校核

TBS 方法得到的为监测面至整车后半部分的仿真结果。通过对原始整车计算沿车长方向进行离散，记录监测面前累积的风阻系数和升力系数，最后与 TBS 计算的结果进行累加。经过处理后，可得到这两种计算方法的整车风阻系数发展曲线及整车升力系数发展曲线对比。TBS 计算的整车风阻系数与原始整车计算得到的结果相同。TBS 计算得到的整车升力系数与原始整车计算得到的结果仅相差 3counts。此外，这两种计算方法消耗的 CPU 小时数如柱状图 3 所示。如采用 TBS 方法计算效率提升约 86%。

 

 

图 3. 两种方法计算耗时对比.

 

这种方法的准确性在已发表 SAE 论文 2021-01-0944《Vehicle Aerodynamic Development Using a Novel Reduced Turn-Around Time Approach》中得到了验证。仿真结果与试验结果具有很好的一致性，这里不再赘述。此外，TBS 计算得到的整车尾流及车身表面压力也与原始整车计算的结果具有高度一致性。

 

3.2 Design Guide 设计空间探索

将后风窗角度和后盖尾翼造型高度作为研究对象，定义为双设计变量。采用 PowerFLOW前处理工具 PowerDELTA 进行网格 morph 变形。经与造型及设计部门确认后，定义后盖尾翼造型高度的工程可变化范围为-6mm 至 30mm，后风窗角度的工程可变化范围为-5°至 5°，后风窗角度和后盖高度变化范围的轮廓线对比如图 4 和图 5 所示。

 

 

图 4. 后盖尾翼造型高度变化范围.

 

 

图 5. 后风窗角度变化范围

 

为了便于仿真操作，将变量的变化范围无量纲化，如表 1 所示。此外结合工程实际，即实际加工及制造时可实现的尺寸及角度控制精度，将变量变化的步长设置为 0.1。此时，后盖尾翼造型高度构成 13 个设计点，后风窗角度构成 18 个设计点。两个设计变量全集组合共构成 13 乘18，即 234 个设计点的设计空间探索范围。

 

利用 Design Guide 的初始布点功能，设置 12 个初始计算，并提交计算。统计计算结果如表1 所示。其中 Run7, Run12, Run5, Run8, Run6 设计点的风阻系数最小，较原始状态，即两个设计变量的变化值均为 0 的情况相比降低了 2counts。此外，在风阻系数最小的设计点中，Run5 的升力系数最小，为 0.097。

 

表 1. 第一轮计算结果

 

 

3.3 第一轮计算结果分析

根据第一轮 12 个计算结果，生成初始响应面。响应面的误差约为 9.1%，如图 6 所示。根据初始响应面，生成 10000 个虚拟计算。通过降序排列，得到基于初始响应面的最低风阻系数，为 0.137。

 

 

图 6. 初始响应面误差

 

根据第一轮的计算结果及初始响应面预测，Design Guide 拟合生成风阻系数 Cd 与升力系数Cl 的帕累托前线，如图 6 所示。在帕累托前线上，风阻系数与升力系数几乎成反比的关系，即风阻系数越大，升力系数越小，升力系数越大，风阻系数越小。另根据帕累托前线的预测，风阻系数 Cd 最小约为 0.137，此设计点下对应的升力系数约为 0.125。

 

 

图 7. 初始响应面 Cd 与 Cl 帕累托前线.

 

3.4 Design Guide设计空间寻优

在第一轮计算的基础上，采用 Design Guide 的自适应布点方式，基于响应面特征化的方法，生成8个计算。另外，根据第一轮虚拟计算下最优风阻系数对应的设计变量值，生成4个计算。最终第二轮计算共计生成 12 个设计点。经过计算后，结果如表 2 所示。

 

表 2. 第二轮计算结果.

 

 

与原始状态，即两个设计变量的变化值均为 0 的情况相比，第二轮计算中，从第一轮虚拟计算下最优风阻系数对应的设计变量生成的计算 Run22 和 Run24 的风阻系数最低，均为 0.139。此外，Run24 的升力系数为 0.122，优于 Run22 的 0.127。

 

3.5 第二轮计算结果分析

以第一轮 12 个计算结果为基础，叠加第二轮 12 个计算结果，初始响应面的误差降至 6.6%，如图 15 所示。根据第二轮响应面，生成 10000 个虚拟计算。通过降序排列，得到基于第二轮响应面的最低风阻系数为 0.138，如图 8 所示。此时，预测的最小风阻系数与当前计算得到的最小风阻系数 0.139 已相差不大。

 

 

图 8. 第二轮响应面误差.

 

根据前两轮的计算结果及第二轮响应面预测，Design Guide 可以自动生成风阻系数 Cd 与升力系数 Cl 的帕累托前线，如图 9 所示。在帕累托前线上，风阻系数与升力系数仍旧成反比的关系，即风阻系数越大，升力系数越小；升力系数越大，风阻系数越小。另根据帕累托前线的预测，风阻系数 Cd 最小约为 0.138，此设计点下对应的升力系数 Cl 约为 0.125。

 

 

图 9. 第二轮响应面 Cd 与 Cl 帕累托前线.

 

利用一维关系图来分析当前计算结果的优化潜力。Run24 的一维关系如图 10 所示。Run24当前设计点的后风窗角度-0.6 已处于局部最优状态，后盖尾翼造型高度 0.5 可略微下调至无量纲值 0.3 左右，以进一步降低风阻。其局部最优设计潜力约为 0.1384，优化潜力已不大。

 

 

图 10. 第二轮响应面 Cd 与 Cl 帕累托前线

 

利用二维关系图来分析较优的低风阻设计变量组合及升力与两设计变量间的相互关系。如图 11 所示，低风阻设计主要出现在象限的左下角，即两个变量不同时取较大变化值的情况。此外，可供选择的低风阻设计空间相对较宽。低风阻设计状态下的风阻敏感性相对较弱，有利于对风阻系数的把控。

 

 

图 11. 风阻系数二维关系图

 

升力系数与两设计变量的二维关系如图 12 所示，低升力设计主要出现在象限的右上侧，即后盖尾翼造型高度变化较大，后风窗角度在原始状态下增加的情况。根据当前的响应面精度，可判断升力系数对后盖尾翼造型高度非常敏感，呈负相关，即在设计空间范围内，后盖尾翼造型高度越高，升力系数越小。升力系数对后风窗角度的变化并不敏感。

 

 

图 12. 升力系数二维关系图.

 

结论

本文采用了一种新颖的可以缩短仿真周期，并能高效进行设计空间探索寻优的方法。以BORA 车型为研究对象，研究结果如下：

（1）使用 TBS 技术，在不牺牲仿真精度的同时，单个仿真耗时减少约 86%。

（2）通过在有效设计空间内的探索及优化，采用后盖尾翼造型高度上抬 15mm，同时后风窗角度增加 3.9°的方案，风阻系数可再降低 3counts，升力系数可降低 15counts。

（3）通过 24 个计算，完成对 234 个设计点构成的设计空间探索?；袢∩杓票淞坑胂煊Ρ淞考涞南嗷プ饔霉叵?，以及给定设计空间内风阻系数的优化潜力。同时对未来升力性能的持续改善提供了技术方案储备。

 

使用该方法可以更充分利用计算资源，在有限时间内探索更多的设计构想，并获取合理的优化方案，从而有效缩短仿真周期，降低仿真成本，提升产品力和竞争力，未来应用场景广泛。

 

资料来源：达索官方