一種大型貨車(chē)車(chē)尾改裝節(jié)能方案的探究

摘要：大型貨車(chē)是形狀不規(guī)則的非流線型結(jié)構(gòu)，其尾部為突然截尾式，氣動(dòng)阻力較大，通過(guò)改善客車(chē)尾部的鈍頭結(jié)構(gòu)，不但可以降低油耗，還可以提高貨車(chē)高速行駛的穩(wěn)定性。文章利用有限元分析軟件Ansys對(duì)改裝前后的貨車(chē)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化貨車(chē)尾部的結(jié)構(gòu)形狀，可以有效地提高貨車(chē)的氣動(dòng)特性，從而更加節(jié)能。

關(guān)鍵詞：非流線型；降低油耗；有限元分析；優(yōu)化氣動(dòng)特性

中圖分類(lèi)號(hào)：U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）20-0095-02

空氣動(dòng)力學(xué)指標(biāo)是貨車(chē)最重要的參數(shù)之一，它對(duì)貨車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性等有著極其重要的影響。隨著燃油價(jià)格的上漲和節(jié)能減排的要求，現(xiàn)今車(chē)身的設(shè)計(jì)將氣動(dòng)性能指標(biāo)作為出發(fā)點(diǎn)，可見(jiàn)，提高氣動(dòng)特性對(duì)降低貨車(chē)的燃油率和提高節(jié)能指標(biāo)有著非常重大的作用。貨車(chē)正常行駛時(shí)，尾部會(huì)形成漩渦，消耗大量的能量，可以通過(guò)改變貨車(chē)尾部形狀，阻礙漩渦的形成，從而降低油耗。

1 氣動(dòng)阻力及其對(duì)貨車(chē)性能的影響

1.1 氣動(dòng)阻力

氣動(dòng)阻力是貨車(chē)在行駛的過(guò)程中，由于車(chē)身上部和下部結(jié)構(gòu)差異所導(dǎo)致的上下氣流的不同而形成的直接阻礙了汽車(chē)運(yùn)行的壓強(qiáng)差。氣動(dòng)阻力由三部分組成，它們分別是摩擦阻力、形狀阻力和誘導(dǎo)阻力。形狀阻力主要與邊界層流態(tài)和脫體尾渦的出現(xiàn)等因素有關(guān)，是既不由粘性力，也不由升力直接引起的那部分阻力。壓差阻力主要取決于車(chē)身前方阻止氣流前進(jìn)的壓力與車(chē)身尾部的壓力差。氣動(dòng)阻力構(gòu)成中，85%為壓差阻力，其余15%為摩擦阻力。壓差阻力的91%來(lái)自車(chē)身后部，9%來(lái)自車(chē)身前端。

1.2 氣動(dòng)阻力對(duì)貨車(chē)性能的影響

貨車(chē)在行駛過(guò)程中和周?chē)諝獍l(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，空氣就會(huì)對(duì)貨車(chē)產(chǎn)生一個(gè)力，將這個(gè)力進(jìn)行分解，可以得到升力、側(cè)向力和阻力。當(dāng)車(chē)速在100km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)80%的動(dòng)力用來(lái)克服氣動(dòng)阻力，此時(shí)，若將空氣動(dòng)力學(xué)性能提高10%，油耗就會(huì)降低4%～5%。重量輕的汽車(chē)，特別是重心靠后的貨車(chē)，對(duì)前輪的升力特別敏感，為避免重心偏移產(chǎn)生翻車(chē)現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮升力的影響。氣動(dòng)阻力的主要影響因素為迎風(fēng)投影面積和氣動(dòng)阻力系數(shù)，研究表明，減小氣動(dòng)阻力系數(shù)，能有效減小氣動(dòng)阻力，從而明顯降低油耗。

2 貨車(chē)流場(chǎng)有限元分析

2.1 條件設(shè)定

由流體力學(xué)可知，當(dāng)馬赫數(shù)Ma<0.3時(shí)，流體所受的壓力不足以壓縮流體，僅會(huì)造成流體的流動(dòng)，在此狀況下，流體密度不會(huì)隨壓力而改變，此種流場(chǎng)稱(chēng)為亞音速流（Subsonic flow），流場(chǎng)可視為不可壓縮流場(chǎng)。因車(chē)速與音速相比相對(duì)較小，即馬赫數(shù)較小，因此模型可以簡(jiǎn)化為不可壓縮流體處理。貨車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的流動(dòng)雷諾數(shù)為106量級(jí)或更大，所以貨車(chē)?yán)@流模型可以當(dāng)作湍流來(lái)處理。

2.2 網(wǎng)格劃分

利用Ansys中的flotran模塊將模型劃分為fluid 141單元，由于網(wǎng)格在很大程度上決定著模擬結(jié)果的精度，建模過(guò)程中，在敏感區(qū)域網(wǎng)格劃分較密，遠(yuǎn)離車(chē)身的其他部位網(wǎng)格劃分較疏，采用自動(dòng)劃分的方法。

2.3 現(xiàn)象觀察

圖1

從圖1中可觀察到，尾部氣流比較紊亂，有兩個(gè)逆向的漩渦，在離尾部一段距離后，漩渦逐漸消失。

3 漩渦現(xiàn)象解釋

由伯努利方程可知，流速大的地方壓強(qiáng)較小，流速小的地方，壓強(qiáng)較大。貨車(chē)底部壓強(qiáng)較大，流速較小，由于貨車(chē)的側(cè)面比較光滑，流速較高，壓強(qiáng)低。這樣，底部的氣流向上運(yùn)動(dòng)，與側(cè)面的氣流相疊加，就會(huì)形成一對(duì)旋向相反的螺旋流。貨車(chē)在高速行駛時(shí)，前圍直接沖擊前方氣流，使得貨車(chē)的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，形成正壓區(qū)，尾部渦系的存在，使其成為負(fù)壓區(qū)。

4 漩渦對(duì)貨車(chē)運(yùn)行性能的影響

貨車(chē)前后兩部分壓強(qiáng)分布不對(duì)稱(chēng)就會(huì)形成壓差阻力，壓差阻力很大程度上取決于尾部漩渦區(qū)域大小及其內(nèi)部的壓強(qiáng)大小，尾渦區(qū)域越大，壓差阻力就越大，反之就越小。而尾渦區(qū)的大小又取決于分離點(diǎn)的位置，流線體的分離點(diǎn)接近物體尾部，從而有較小的尾渦區(qū)，但廂式貨車(chē)的壓差阻力很大，一般占總的氣動(dòng)阻力的80%以上。壓差阻力越大，貨車(chē)的氣動(dòng)系數(shù)也越大，貨車(chē)的能耗增加。貨車(chē)尾部由于氣體的粘性消耗，漩渦逐漸消失，大尺度漩渦的形成和消散使得氣流的能耗增加，也會(huì)增加氣動(dòng)阻力，從而增加貨車(chē)的能耗。同時(shí)，車(chē)尾后頂緣附近出現(xiàn)的由于氣流分離產(chǎn)生的負(fù)壓還會(huì)影響貨車(chē)的升力，從而影響貨車(chē)行駛的穩(wěn)定性。

5 車(chē)尾改裝優(yōu)化

將貨車(chē)截尾式尾部改裝成光滑的流線走勢(shì)，能有效減小渦流。

圖2

要改善貨車(chē)的氣動(dòng)性能，就必須控制尾部漩渦的強(qiáng)度，減弱它的湍流程度，降低氣流的湍流能量消耗，可以減小氣動(dòng)阻力，降低油耗。通過(guò)多次試驗(yàn)可知，三角形、雙弧形等結(jié)構(gòu)都可以有效減少漩渦的產(chǎn)生。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)貨車(chē)鈍頭式尾部產(chǎn)生的漩渦進(jìn)行了詳細(xì)的分析和解釋?zhuān)ㄟ^(guò)對(duì)不同形狀的貨車(chē)尾部流場(chǎng)進(jìn)行有限元模擬分析，得出通過(guò)優(yōu)化貨車(chē)尾部的結(jié)構(gòu)及形狀，不僅能改善汽車(chē)的動(dòng)力性、提高汽車(chē)的燃料經(jīng)濟(jì)性，而且也能提高汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，保證行車(chē)安全。

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作者簡(jiǎn)介：李景（1992—），男，浙江臺(tái)州人，武漢大學(xué)本科在讀學(xué)生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自

動(dòng)化。