iconCFD最新案例 | GTU——福特汽车推出新型皮卡及SUV外气动研究理想车型
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引言
在车辆外气动研究领域各种理想车辆模型的存在，无疑为气动性能工程师及研究者提供了相当的便利。早期的简洁造型如Ahmed外形、SAE模型等对应的测试结果揭示了钝体造型（车身）气动特性的基础特征，大量的相关文章也见诸文献，但对于量产车的外气动性能的研究成果介绍却并不丰富，考虑到各主机厂对造型的重点保护这点不难理解；2012年由TUM大学Heft等提出的“DrivAer”理想车型成功的结合了量产车的造型特征，随之产生的大量测试及仿真数据，对于风洞标定、CFD代码验证以及对乘用车气动特征的理解带来了更多根本性的共识。皮卡市场是福特汽车的一个重要领域，据调查结果显示，北美市场上皮卡和SUV的销量在过去10年内一直保持了增长，针对皮卡的气动研究一直没有针对性的理想车型，为此福特汽车公司提出GTU（Generic Truck Utility）模型，该模型是的一种可表征实际皮卡车型并可切换为SUV车型的通用模型。包含影响皮卡风阻的诸多部件细节，如车轮、轮胎、轮罩、后视镜以及后端附件，如顶部扰流板、D柱边条（strakes），同时还具有冷却进风口、发动机舱部件、详细的车身下底面、乘员舱等。对于该模型的气动特性仿真，福特汽车使用了iconCFD®，基于开源求解器的CFD软件，仿真结果同测试取得了良好一致性。
GTU模型可以作为一种校核/标定（correlation/calibration）模型，定位于满足多种需求，包括：
●用于提升对于皮卡、SUV这类具有高阻塞比模型并具有复杂尾流状态车型的测试及仿真过程控制；
●可对皮卡、SUV车体造型的复杂空气动力学进行研究和特性表征；
●对格栅开口冷却空气流动行探究；
●对工业及科研用户开放下载，可供合作研究相关车型的空气动力学特性。
GTU Pickup Model 左前视图
同DrivAer车型相比，GTU模型是面向皮卡及大型SUV的比例参数模型，特别是乘员舱及尾部车厢的比例，离地间隙更大，参考更多的路况场景，而且采用了车架式设计(body-on-frame)满足皮卡以及某些SUV的底盘结构。
相对于DrivAer车型对比
GTU 底盘视图
GTU模型的外观尺寸如下图所示，在外形方面GTU模型提供足够的灵活度，整体参数能够满足在风洞中的测试要求，前后轮的离地高度也可以调整。
为了满足车身比例测试要求，提供了九组不同驾驶舱和货箱的搭配，如下表所示，其中驾驶舱提供短/中/长三种长度，货箱也提供了短/中/长三种长度。
GTU SUV 的不同造型（短/长）
GTU模型还可以变更为SUV比例模型，如下图所示，SUV的A面沿用了皮卡的A面，同时在短款货箱增加了车厢。后车厢车顶保持一定的坡度角，后缘在坡度基础上做了三组延申设计，用于分析后窗玻璃角度对气动特性的影响。
GTU SUV造型汇总
GTU模型的全尺寸试验测试在FKFS的气动噪声风洞中完成，包括部件气动偏差（component deltas）、车身离地高度敏感度以及侧风敏感度，初步测试结果展示出同量产车一致的特征，证明了GTU模型的价值，更多来自FKFS的测试结果及在其他风洞中的测试结果也会陆续发表。
FKFS气动噪声风洞中的GTU皮卡模型
下表中列举了单独各因素对阻力偏差的影响，气坝对气动阻力的影响为28个点，机舱的冷却阻力带来12个点。
造型7的测试部件气动性能偏差
下图曲线展示了偏航角与阻力的关系，曲线近似呈现对称状态，说明虽然底盘布置上存在不对称性，但不会对整体趋势产生显著影响。
偏航角与阻力的关系
对GTU模型的气动性能CFD仿真采用了iconCFD®的非稳态可压求解器，计算最佳实践参见论文SAE2017-01-1524。主要的设定见下表：
模型设定 | |
湍流模型 | SA-DDES |
网格 | 非结构化, 约一亿网格 |
计算物理过程时间 | 6秒 |
时间步长 | 2e-4秒 |
边界条件 | 入口: Velocity Inlet |
计算域 | 长：60米 |
仿真使用的开放空间路况，并未直接采用风洞的几何，因此在同测试结果进行直接对比中会存在一定的差异，但仿真结果与测试结果偏差比对显示，二者具有很好的一致性（95%的偏差小于0.002）。下表是一些对比结果，仿真的偏差同测试的偏差方向保持一致。
CFD结果同测试结果的对比
（所有ΔCD值基于4×2基础模型）
仿真结果的后处理展示出了皮卡及SUV车型的若干常见流动特征，如货箱内的回流及尾门后方的尾流；总压等值面图也揭示出车顶和车尾出现的大块旋涡。
正交化速度(y-0切面)，速度方向由LIC图显示
等值面图（Cp,total = 0）
结束语
GTU模型是一种成功表征皮卡和SUV车型的理想通用车型，对该模型的风阻特性测试及CFD仿真已获得了良好的一致性，该模型所提供的灵活比例将在未来提供更广阔的测试及仿真领域。同DrivAer、AeroSUV、OCDA模型类似，GTU模型也将提供开发下载，无疑将更加丰富车辆外气动领域的研究和开发。
