《重庆理工大学学报（自然科学）》2017年第31卷第二期

基于数据挖掘的皮卡货车导流板减阻研究

赖晨光，陆茂桂，张海林

(重庆理工大学 车辆工程学院，重庆 400054)

摘 要：为了减小皮卡货车行驶中的气动阻力，利用计算流体力学(CFD)、DOE试验设计、优化算法及自组织神经网络(SOM)相结合的方法，分析了导流板安装角度、导流板长度、货箱长度和货箱高度对气动阻力系数 Cd的影响。研究结果表明：导流板安装角度对 Cd的影响最大，且具有较好减阻效果的导流板的安装角度并不是一定值，而是随着货箱结构尺寸的改变而变化。

关 键 词：皮卡货车；导流板；减阻；数据挖掘

随着车速的提高，由空气阻力引起的汽车动能消耗成为一个不可忽视的问题。前人利用风洞试验与计算流体力学(CFD)的方法在汽车减阻方面做了许多工作，但国内外学者的研究对象大多是轿车或卡车，对皮卡货车的减阻研究还不是很多。Al-Garni等[1]通过风洞试验，利用PIV技术得到了某皮卡货车详细的外流场结构、货箱上方及货车尾部的涡流分布特点。Chen等[2]研究了在全尺寸皮卡货车货箱尾部添加艇尾型扰流装置、在货箱后部增加部分盖板对减小皮卡气动阻力的影响，并通过将两种方法结合使阻力系数减少了0.021。HA等[3]将导流板安装在驾驶室顶棚后部，以导流板长度与安装角度为变化参数，通过实验与CFD相结合的方法研究了导流板不同的安装角度与长度对气动阻力的影响，研究结果表明：阻力系数Cd随着导流板的长度增加而减小；随着导流板的安装角度Cd值呈现先减小后增大的趋势。

前人的研究结果表明：在驾驶室尾部安装导流板可以有效减小皮卡货车行驶中受到的气动阻力，但不同的皮卡货车其货箱尺寸结构是不一样的，而导流板的减阻效果与货箱及尾部的流场结构密切相关。因此，本文通过计算流体力学与数据挖掘相结合的方法，综合探讨了导流板的长度、安装角度及货箱部分结构尺寸对皮卡货车气动阻力的影响。

1 参数模型

本次数值模拟所用皮卡货车CAD模型为文献[4]中使用的模型，其各参数为文献[4]中模型的10倍，模型的长宽高分别为5 406，1 835，1 670 mm，见图1。

图1 皮卡货车CAD模型 

Fig.1 The CAD model of pickup

本研究分别以货箱长度bedlength、货箱高度bedheight、导流板安装角度angle和导流板长度length为设计变量参数，如图2所示。各参数的变化范围如表1所示。

图2 变化的参数 

Fig.2 Variable parameters

表1 参数变化范围

Table 1 Variation range of parameters

变量名称取值范围angle/(°)0～30length/mm50～300bedheight/mm262～650bedlength/mm1752～2334

2 网格生成与数值计算

2.1 计算域

皮卡货车几何模型左右对称，为了减少计算量，本研究取模型的一半进行数值模拟。本次模拟的计算域如图3所示。计算域入口距车前为3倍车长，计算域出口距车尾为7倍车长，计算域总高为5倍车高，计算域总宽度为3.5倍车宽。计算域的阻塞比为2.85%。

图3 计算域

Fig.3 Computational domain

2.2 网格划分

为了减少计算的网格数量，采用混合网格策略，即：将整个计算域划分为两个区域，在内部小域中采用贴体性较好的四面体网格；为了更好地捕捉车身周围的流场信息，在靠近车身的区域采用了密度盒进行加密，如图4中最深色区域所示，在外部大域中采用六面体网格，如图4中的浅色区域所示。

图4 计算域网格划分

Fig.4 The grid plot of computational domain

2.3 模拟计算

根据相关文献，Realizable k-ε湍流模型在计算汽车外流场时具有较好的适应性，故本次模拟采用Realizable k-ε湍流模型。计算域的入口为速度入口，速度为20 m/s；计算域的出口为压力出口，压力大小为0Pa，即1个大气压；计算域的底面设为移动壁面边界条件，以消除壁面边界层对皮卡货车周围流场的影响。由式(1)、(2)计算得到湍流强度I为2.24%，水力直径 D为 6.54 m。

  I= 0.16/ Re 0.125    (1)

              D= 4 S/ C     (2)

其中：I为湍流强度；Re为雷诺数；D为水力直径；S为计算域入口面积；C为计算域入口周长。

最优拉丁超立方试验设计(Opt LHD)相比其他试验设计具有较好的空间填充性与均衡性，可以使所选取的样本点尽可能均匀地分布在整个取样空间中[5]。因此，本文采用最优拉丁超立方试验设计选取了50组初始样本点，按照上述的设置进行Fluent迭代计算。

3 数据处理与结果分析

3.1 敏感度分析

根据Fluent计算得到的50组数据建立敏感度分析图，分析各变量对 Cd值的影响。

图5为4个自变量对阻力系数Cd影响的敏感度分析图。由图5可知：4个变量中导流板安装角度对Cd的贡献最大，达到了44.7%；而货箱结构尺寸对气动阻力的影响仅占27.1%，且货箱结构尺寸与其功能要求有着密切的关系，故以下着重讨论导流板的安装角度对具有某一货箱结构尺寸的皮卡货车气动阻力的影响。

图5 敏感度分析图

Fig.5 Sensitivity analysis

3.2 Kriging代理模型

为了进一步分析导流板安装角度对Cd的影响作用，利用本研究计算的50组样本点建立了Kriging近似模型。表2为根据Kriging模型预测的Cd和用Fluent软件计算所得的Cd，可以看出Kriging预测的结果与数值计算结果的最大误差为3.9%，小于5%，故所建立的Kriging模型满足所需精度要求。

表2 Kriging模型验证

Table 2 Model validation of Kriging

方案KrigingFluentError/%10.390.4063.9020.4140.4221.9030.4770.4711.304

0.3920.3910.30

3.3 组织神经网络分析

自组织神经网络(SOM)是一种多维数据降维技术。SOM可以将多维数据转化为二维拓扑映射图，从而直观地观察到多维数据的特征及其之间的关系[6]。

利用遗传算法对建立的Kriging模型进行寻优，寻优的目标为Cd最小。将遗传算法求得的解集进行SOM处理得到angle、bedlength、bedheight与Cd的自组织神经网络图，如图6所示。图中颜色越蓝表示数值越小，颜色越红表示数值越大，各图中的每一小单元一一对应。由 Cd的自组织神经网络拓扑图可以看出气动阻力系数较小的区域集中在右半侧，相应地，当angle、bedlength、bedheight在各自的右半侧区域范围内取值时可以使皮卡货车具有较小的气动阻力系数。当bedlength较小时，如图中的A区域，相应的angle取较大的值。bedheight取较小值时可以满足Cd较小的要求；当bedlength较大时，如图中的B区域，相应的angle取较小的值，bedheight取较大值时可以使Cd较小。

图6 自组织神经网络

Fig.6 The self-organizing neural network

为了近一步分析导流板安装角度对皮卡货车气动阻力的影响，在上述的B区域中取一点进行Fluent数值计算，并将其与未安装导流板时的皮卡货车的流场进行对比分析。

3.4 流场分析

图7为未安装导流板皮卡货车模型中截面上速度矢量图。前方来流在遇到皮卡车头时分成了两部分。一部分气流沿着发动机罩、前挡风玻璃、车顶往后流去，另一部分气流则沿着车底向车尾流去。沿皮卡车身上方流动的气流在发动机罩前缘、车顶前缘和车顶后缘由于几何形状的突变而发生了气流分离现象，前两处与车身分离的气流经过一小段距离后又附着在车身表面之上。而车顶后缘分离的气流径直往后流去，在车尾与车身底部的气流相互作用在尾挡板后方形成漩涡。货箱内的气流由于受到车顶后缘分离流的剪切作用而形成了较大的漩涡。

图7 未安装导流板皮卡货车速度矢量图

Fig.7 The velocity vector of pickup without deflector

图8为未安装导流板皮卡货车模型中截面上的压力云图。前方气流的流动由于受到皮卡货车前脸及前挡风玻璃的阻碍，流体的动能转化为静压势能，所以在图中的A、B两个区域出现了两个较大的静压区域。从车顶向后区域基本被负压所覆盖，尤其是货箱内与尾挡板后方，前后压力的差异形成了气动阻力的主要组成部分，即压差阻力。由于货箱内涡流的存在消耗了大量的能量，使得皮卡货车较一般轿车的Cd值要大，本次模拟皮卡货车的Cd值为0.413。

图8 未安装导流板皮卡货车压力云图

Fig.8 The pressure contour of pickup without deflector

图9为安装导流板后皮卡货车中截面的速度矢量图与压力云图。在车身的前部流场结构与未安装导流板的时候一样。但在货箱的上方以及尾挡板的后方，流场的结构发生了明显的变化。

在导流板的引导下，气流向斜下方流动，抑制了货箱内涡流往右上方的发展，同时进入货箱内的气流也增加了原负压区的压力势能，使得货箱内负压区域的大小、负压值大小都要比未安装导流板的时候要小。在尾挡板后部上方气流对尾流区域的影响区域相比未安装导流板的时候也有所减小。这两部分的流场变化降低了皮卡货车前后的压差阻力，从而减小了皮卡货车所受到的气动阻力。本次数值模拟的结果为Cd=0.398，相比未安装导流板的时候降低了3.63%。

图9 安装导流板皮卡货车速度矢量图与压力云图 

Fig.9 The velocity vector and pressure contour of pickup with deflector

图10为皮卡货车驾驶室背面压力云图及压力分布曲线图。安装了导流板之后的皮卡货车背部的压力相比未安装导流板的时候压力有了较大的提升，这是由于导流板所引导的下洗气流进入到货箱中，传递给原速度较低的气流更多的能量，使得气流作用在驾驶室背部的力要比未安装导流板的时候要大，从而使得前后的压差阻力有所下降。

图11为尾挡板压力云图。从图中可以看出：安装导流板后，围挡板上的压力要比未安装导流板的时候要大，这是由于导流板所引导的气流直接冲击到尾挡板上所引起的。这在一定程度上会增加皮卡货车的阻力，当由于导流板所减小的气动阻力大于其所增加的局部气动阻力时，导流板具有改善皮卡货车气动性能的作用。

图10 皮卡货车驾驶室背部压力云图与压力分布曲线 

( Lo未加导流板 Lc加导流板)

Fig.10 The pressure contour and distribution curves on the back of the cab( Lowithout deflector, Lcwith deflector)

图11 尾挡板压力云图

Fig.11 The pressure contour of tail baffle

由此可见，在某一具体的货箱结构下，当导流板安装角度过大时，将会有更多的气流冲击到尾挡板上，从而减小了导流板的减阻效果；当导流板的安装角度过小时，虽然减少了直接流向尾挡板的气流，但同时也减弱了导流板所引导的下洗气流对货箱上方涡流的抑制作用，从而减弱了导流板的减阻效果。

4 结束语

通过以上分析可知：4个参数(导流板安装角度、导流板长度、货箱长度及货箱高度)对皮卡货车气动阻力的影响是不一样的。其中导流板的安装角度对 Cd值的影响最大，占44.7%。当货箱的结构参数不一样时，具有较好减阻效果的导流板安装角度也是不一样的：当货箱较长时取较小安装角度；当货箱较短时，选用较大安装角度可以获得比较好的减阻效果。

参考文献：

[1] AL-GARNI A M，BERNAL L P.Experimental study of a pickup truck near wake[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2009,98(2):100-112.

[2] CHEN K，KHALIGHI B.A CFD Study of Drag Reduction Devices for a Full Size Production Pickup Truck[C]//Sae World Congress.USA:SAE Paper,2015.

[3] HA J,JEONG S,OBAYASHI S.Drag reduction of a pickup truck by a rear downward flap[J].International Journal of Automotive Technology,2011,12(3):369-374.

[4] HAJ,JEONG S,OBAYASHI S.Investigation of the Bed and Rear Flap Variation for a Low-Drag Pickup Truck using Design of Experiments[C]//Sae World Congress.USA:SAE Paper,2010.

[5] 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.

[6] 朱家元,张恒喜,虞健飞.在数据挖掘中基于SOM网络的数据分析可视化设计[J].计算机应用与软件,2003,20(2):15-16.

ZHU Jiayuan,ZHANG Hengxi,YU Jianfei.An Approach to Design of Visualized Data Analysis Based on SOM in Data Mining[J].Computer Applications and Software,2003,20(2):15-16.