載貨汽車(chē)貨箱型式變化對(duì)空氣阻力的影響分析

張國(guó)棟 張春英 韓永成 宋春麗 劉興源

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心）

汽車(chē)在行駛中受到的阻力有滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw、坡道阻力Fi和加速阻力Fj等4種阻力[1]。載貨汽車(chē)貨箱型式變化后，受影響最大的是空氣阻力Fw。本文以裝配典型的3種貨箱型式的載貨汽車(chē)為對(duì)象，通過(guò)CFD模擬分析對(duì)其進(jìn)行空氣阻力分析，以研究貨箱型式變化對(duì)整車(chē)空氣阻力的影響。

2 空氣阻力CFD分析

空氣阻力是指車(chē)輛在空氣介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)空氣對(duì)車(chē)輛在前進(jìn)方向上所產(chǎn)生的阻力?？諝庾枇χ饕绍?chē)身外形構(gòu)成的形狀阻力、車(chē)體突出物構(gòu)成的干擾阻力、車(chē)內(nèi)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成的內(nèi)循環(huán)阻力、車(chē)體與空氣之間的摩擦阻力等組成。除內(nèi)循環(huán)阻力外，其他阻力都與車(chē)身外形有關(guān)。在汽車(chē)動(dòng)力學(xué)中，空氣阻力[1]為:

式中，A為迎風(fēng)面積，即汽車(chē)行駛方向的投影面積；ua為汽車(chē)行駛速度。

公式（1）中CD為空氣阻力系數(shù)，又稱為流線型系數(shù)，它是表明汽車(chē)外部形狀、車(chē)體突出物、空氣摩擦、車(chē)內(nèi)通風(fēng)等各種因素對(duì)空氣阻力的綜合影響程度，CD值小，空氣阻力就小。因此，測(cè)定汽車(chē)的CD值對(duì)開(kāi)發(fā)汽車(chē)產(chǎn)品具有重要意義。精確測(cè)定汽車(chē)的CD值，通常要在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)?？紤]到建造風(fēng)洞費(fèi)用及試驗(yàn)?zāi)芎妮^高而不易普遍應(yīng)用，因此本文通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)模擬分析獲得CD的數(shù)值。

公式（1）主要考慮整車(chē)的迎風(fēng)面積和外部流線型程度，對(duì)整車(chē)所受的空氣紊流考慮不多，而載貨汽車(chē)貨箱引起的空氣紊流對(duì)空氣阻力的影響不容忽視。因此，本文主要從空氣紊流的角度研究載貨汽車(chē)貨箱型式變化對(duì)空氣阻力的影響。

2.1 分析模型

分析模型是以某4×2載貨汽車(chē)底盤(pán)為基礎(chǔ)，匹配普通欄板式貨箱、封閉式貨廂和倉(cāng)柵箱3種不同型式的貨箱，如圖1所示。3種模型的貨箱長(zhǎng)度、寬度及水平安裝位置均相同，其中普通欄板式貨箱內(nèi)高400 mm，封閉式貨廂及倉(cāng)柵箱內(nèi)高均為2200 mm。

計(jì)算采用1:1的三維數(shù)據(jù)模型（3種模型底盤(pán)數(shù)據(jù)相同，僅貨箱部分不同），為真實(shí)模擬空氣阻力情況，模型的后視鏡、油箱、蓄電池、儲(chǔ)氣筒、輪胎等車(chē)外主要附件均未做簡(jiǎn)化。計(jì)算過(guò)程以常用車(chē)速 80 km/h（即風(fēng)速 22.2 m/s）、溫度 20℃的工況進(jìn)行。

按照CFD流體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法建立計(jì)算模型，用數(shù)值方法求解，從而得出空氣阻力計(jì)算結(jié)果。圖2為模型縱向中心對(duì)稱面外廓測(cè)量點(diǎn)微孔布置圖。因各模型底盤(pán)數(shù)據(jù)相同，即模型下表面阻力分布規(guī)律相似，所以著重分析模型上表面即車(chē)箱周?chē)淖枇η闆r。

2.2 空氣壓力分布比較

3種整車(chē)表面空氣壓力分布云圖如圖3所示。

a.由圖3a可知，普通欄板式貨箱整車(chē)壓力分布比較集中，其主要分布在駕駛室前部、貨箱內(nèi)部及尾部。貨箱內(nèi)部空氣速度變化相對(duì)較大；貨箱尾部空氣速度較低，形成局部負(fù)壓區(qū)。

b.由圖3b可知，封閉式貨廂整車(chē)的駕駛室前部和貨廂前部露出部分存在壓力較大的區(qū)域。由于駕駛室和車(chē)廂存在高度差，一部分繞過(guò)駕駛室頂部渦流區(qū)的氣流直接沖擊廂體的迎風(fēng)面，形成正壓區(qū)。流過(guò)該區(qū)域后，氣流附著在廂體表面向后流動(dòng)，最后匯入車(chē)廂尾部氣流中，在壓強(qiáng)差的作用下形成下卷渦流。由于渦流消耗大量的能量，因此尾部渦流區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為較強(qiáng)的負(fù)壓。

c.由圖3c可知，倉(cāng)柵箱整車(chē)的駕駛室前部、貨箱前板的前后表面露出部分及后板前后表面均存在壓力較大區(qū)域。與封閉式貨廂整車(chē)相同，倉(cāng)柵箱整車(chē)的駕駛室和車(chē)箱之間同樣存在高度差，因此繞過(guò)駕駛室頂部渦流區(qū)的氣流沖擊箱體的迎風(fēng)面，從而生成正壓區(qū)。流過(guò)該區(qū)域后，氣流附著在箱體前板內(nèi)表面，與車(chē)箱內(nèi)壓強(qiáng)較小的氣流形成渦流，從而生成負(fù)壓區(qū)。向后流動(dòng)的氣流在車(chē)箱后板內(nèi)表面形成較大渦流區(qū)，然后匯入車(chē)箱尾部氣流中形成下卷渦流。由于其相對(duì)封閉式貨廂增加了2個(gè)較大的渦流區(qū)，因此倉(cāng)柵箱整車(chē)受到更大的空氣阻力。

3種模型中心對(duì)稱面上的壓強(qiáng)分布如圖4所示。由圖4可知，3種整車(chē)駕駛室部分的空氣阻力相近，車(chē)箱部分的空氣阻力差別較大。普通欄板式貨箱所受阻力相對(duì)較??；封閉式貨廂由于受力面積大，阻力增大較多；倉(cāng)柵箱受力面積也大，且因車(chē)箱前、后內(nèi)板受到阻力作用，所以阻力最大。

2.3 空氣矢量分布比較

不同空氣流動(dòng)方向?qū)е滤茏枇σ膊煌?種整車(chē)周?chē)諝馐噶考八俣确植既鐖D5所示。

a. 由圖5a可知，普通欄板式貨箱整車(chē)的貨箱內(nèi)部及尾部氣流方向變化較大，流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣流在貨箱前部存在方向突變。由于貨箱后板較低，流入貨箱內(nèi)部的氣流大部分可平穩(wěn)流出。

b.由圖5b可知，封閉式貨廂整車(chē)的貨箱上部及尾部空氣方向變化較大，局部存在渦流區(qū)。

c.由圖5c可知，倉(cāng)柵箱整車(chē)的貨箱上部、內(nèi)部及尾部氣流方向變化頻繁，存在較大渦流區(qū)。

3種模型輸入的空氣速度相同，模型中心對(duì)稱面周?chē)目諝馑俣确植既鐖D6所示。由圖6可知，3種整車(chē)駕駛室前部空氣速度相近，駕駛室上部及車(chē)箱周?chē)諝馑俣容^高。相對(duì)于普通欄板式貨箱，封閉式貨廂和倉(cāng)柵箱前部暴露部分阻礙了氣流流動(dòng)，在車(chē)頂后緣形成速度較高的回流區(qū)，同時(shí)車(chē)箱周?chē)目諝馑俣纫泊嬖诿黠@變化，尤其是進(jìn)入倉(cāng)柵箱內(nèi)部的氣流方向和速度均變化較大。

2.4 空氣流線分布比較

空氣流動(dòng)路線的不同導(dǎo)致車(chē)箱前、后阻力有所差異，3種整車(chē)周?chē)諝饬骶€分布如圖7所示。

a.由圖7a可知，普通欄板式貨箱整車(chē)周?chē)諝饬骶€平直穩(wěn)定，無(wú)較大紊流區(qū)。受貨箱前保險(xiǎn)杠影響而形成局部渦流區(qū)，但影響較小。

b.由圖7b可知，封閉式貨廂整車(chē)周?chē)諝饬飨蜃兓^大。駕駛室頂部氣流由于貨廂的阻擋，形成規(guī)則的渦流；貨廂尾部存在渦流區(qū)，但形狀不規(guī)則，該渦流區(qū)主要由流過(guò)整車(chē)底部的空氣引起。

c.由圖7c可知，倉(cāng)柵箱整車(chē)周?chē)諝饬飨蚧靵y。駕駛室頂部存在渦流區(qū)；貨箱頂部及側(cè)面進(jìn)入較多流動(dòng)空氣，貨箱內(nèi)部空氣流線雜亂無(wú)章。

3種模型輸入的風(fēng)量相同，模型中心對(duì)稱面上直接作用于車(chē)箱的風(fēng)量見(jiàn)表1（按起作用的風(fēng)量占輸入風(fēng)量的百分比表示）。由表1可知，普通欄板式貨箱周?chē)L(fēng)量相對(duì)較小，雖然有少量進(jìn)入車(chē)箱，但平穩(wěn)流出后影響不大；封閉式貨廂所受風(fēng)量主要集中在貨箱前端高出駕駛室位置處，其風(fēng)量較大；倉(cāng)柵箱在前端高出駕駛室位置處所受風(fēng)量幾乎與封閉式貨廂相同，然而氣流繞過(guò)車(chē)箱前板后又進(jìn)入車(chē)箱內(nèi)部進(jìn)行作用，因此其影響整個(gè)車(chē)箱的風(fēng)量相當(dāng)于封閉式貨廂所受風(fēng)量的2倍。

表1 縱向中心對(duì)稱面風(fēng)量數(shù)據(jù)

2.5 空氣阻力值比較

CFD模擬計(jì)算得，3種整車(chē)空氣阻力相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 空氣阻力相關(guān)參數(shù)

由公式（1）計(jì)算出3種整車(chē)所受空氣阻力如圖8所示。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，普通欄板式貨箱整車(chē)的迎風(fēng)面積和空氣阻力系數(shù)都較小，因而空氣阻力最低，尤其是將貨箱封閉后，減少了空氣紊流的影響，空氣阻力系數(shù)進(jìn)一步減小，經(jīng)計(jì)算當(dāng)車(chē)速為80 km/h時(shí)，空氣阻力可降低約7%，可見(jiàn)用普通欄板式貨箱運(yùn)送體積較小的貨物時(shí)（未填滿貨箱），有必要在貨箱上方覆蓋苫布，形成封閉廂；對(duì)于封閉式貨廂整車(chē)，貨廂高度增加導(dǎo)致其迎風(fēng)面積較大，盡管空氣阻力系數(shù)相對(duì)普通欄板式貨箱整車(chē)有所降低，但整體空氣阻力增加較大，當(dāng)車(chē)速為80 km/h時(shí)，空氣阻力增加約30%，需采取增加車(chē)頂導(dǎo)流罩、貨廂尾部增加導(dǎo)流裝置、采用流線型貨廂等措施減小阻力；倉(cāng)柵箱整車(chē)的迎風(fēng)面積和空氣阻力系數(shù)都較大，因而空氣阻力最大，當(dāng)車(chē)速為80 km/h時(shí)，空氣阻力相對(duì)普通欄板式貨箱整車(chē)增加約90%，其空氣阻力系數(shù)遠(yuǎn)大于所對(duì)應(yīng)的封閉式貨廂整車(chē)，可見(jiàn)其空氣紊流影響明顯。所以倉(cāng)柵箱整車(chē)無(wú)論空載和滿載均需使用苫布覆蓋貨箱以形成封閉貨廂，同時(shí)增加車(chē)頂導(dǎo)流罩，降低車(chē)箱前部阻力，或貨箱兩側(cè)護(hù)欄用苫布封閉以減少?gòu)膫?cè)向進(jìn)入貨箱的空氣量。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

以某4×2載貨汽車(chē)底盤(pán)（與計(jì)算模型相同）為基礎(chǔ)，分別匹配普通欄板式貨箱、封閉式貨廂和倉(cāng)柵箱3種不同型式的貨箱，通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)比較整車(chē)阻力情況。3種整車(chē)試驗(yàn)總質(zhì)量一致，試驗(yàn)環(huán)境相同。

3.1 滑行試驗(yàn)比較

整車(chē)滑行試驗(yàn)驗(yàn)證的是整車(chē)的總體阻力情況。在試驗(yàn)場(chǎng)水平路面上，將汽車(chē)加速到一定速度，然后脫擋讓汽車(chē)直線滑行，此過(guò)程中忽略軸承處的摩擦?；性囼?yàn)結(jié)果曲線如圖9所示。由滑行試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其他已知條件可以求出整車(chē)行駛阻力，比較圖如圖10所示。有內(nèi)胎輪胎的滾動(dòng)阻力為:

式中，W=12000 kg；fk=0.005575；va為常用車(chē)速。

整車(chē)滾動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3；整車(chē)行駛阻力減滾動(dòng)阻力即為空氣阻力，因此得整車(chē)空氣阻力如圖11所示；車(chē)速為80 km/h時(shí)的空氣阻力見(jiàn)表4。

表3 滾動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果

表4 車(chē)速80 km/h時(shí)整車(chē)空氣阻力

由于試驗(yàn)采用的是同一載貨汽車(chē)底盤(pán)換裝不同的貨箱，即滾動(dòng)阻力不變，所以整車(chē)滑行試驗(yàn)結(jié)果直接體現(xiàn)的是空氣阻力的差異。由圖9可知，普通欄板式貨箱整車(chē)空氣阻力最低；封閉式貨廂整車(chē)空氣阻力有所增大，當(dāng)車(chē)速為80 km/h時(shí)，空氣阻力增大24%；倉(cāng)柵箱整車(chē)空氣阻力遠(yuǎn)高于其他兩種整車(chē)，空氣阻力比普通欄板式貨箱整車(chē)增大87%。

3.2 動(dòng)力性試驗(yàn)比較

動(dòng)力性試驗(yàn)驗(yàn)證的是整車(chē)的動(dòng)力性能水平。由于進(jìn)行試驗(yàn)的3種整車(chē)所用底盤(pán)沒(méi)變，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)所提供的驅(qū)動(dòng)力不變，滾動(dòng)阻力不變，因此動(dòng)力性好反映出其空氣阻力小、動(dòng)力性差反映出其空氣阻力大。由最高擋加速試驗(yàn)結(jié)果（圖12）可見(jiàn)，車(chē)速由50 km/h加速至80 km/h過(guò)程中，普通欄板式貨箱整車(chē)加速時(shí)間最短，動(dòng)力性最好；封閉式貨廂整車(chē)動(dòng)力性有所降低，加速時(shí)間增加約5%；倉(cāng)柵箱整車(chē)動(dòng)力性最差，加速時(shí)間相對(duì)普通欄板式貨箱整車(chē)增加約35%，且其最高車(chē)速明顯降低，因而像高速公路等對(duì)車(chē)速有較高要求的工況，需要增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率，以提高其動(dòng)力性水平。

3.3 經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)比較

經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)分析的是整車(chē)的能量消耗情況。由于底盤(pán)沒(méi)變，整車(chē)以同一擋位、同一車(chē)速行駛時(shí)，燃料消耗量越高說(shuō)明消耗的能量越多，即抵消的阻力越大，燃料消耗量越低說(shuō)明消耗的能量越少，即抵消的阻力越小。經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖13所示，以最高擋80 km/h等速行駛時(shí)，普通欄板式貨箱整車(chē)油耗最低；封閉式貨廂整車(chē)燃料消耗量變大，增加6%；倉(cāng)柵箱整車(chē)燃料消耗量最大，相對(duì)普通欄板式貨箱整車(chē)增加39%。另外，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得其空載且車(chē)速為80 km/h時(shí)，不帶后門(mén)可降低油耗10%以上，可見(jiàn)其貨箱后部空氣紊流較多，導(dǎo)致局部空氣阻力較大，因此有必要安裝空氣阻力較小的護(hù)欄型的貨箱后門(mén)。

4 結(jié)束語(yǔ)

a.通過(guò)同一載貨汽車(chē)底盤(pán)匹配常用的普通欄板式貨箱、封閉式貨廂及倉(cāng)柵箱，分別建立整車(chē)空氣阻力CFD計(jì)算模型，用CFD計(jì)算整車(chē)空氣阻力的方法比風(fēng)洞試驗(yàn)的方法簡(jiǎn)單易行，成本低。

b.采用與計(jì)算模型相同的同一載貨汽車(chē)底盤(pán)換裝3款貨箱，分別經(jīng)過(guò)整車(chē)滑行試驗(yàn)、加速性能試驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)驗(yàn)證。CFD模擬計(jì)算結(jié)果與整車(chē)試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，證明該方法實(shí)用有效。

1 余志生，等.汽車(chē)?yán)碚?北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

2 孔瓏.工程流體力學(xué).北京:中國(guó)電力出版社，2007.

3 章本照，等.流體力學(xué)數(shù)值方法.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

4 劉儒勛，舒其望.計(jì)算流體力學(xué)的若干新方法.北京:科學(xué)出版社，2003.

5 王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

6 何耀華.汽車(chē)試驗(yàn)學(xué).北京:人民交通出版社，2005.