重型商用車空氣動力學(xué)性能分析與優(yōu)化

展新 陸增俊 賴凡 劉永宏 許恩永

摘 要：為降低某貨車的氣動阻力，本文對導(dǎo)流罩形式、遮陽板角度以及掛車高度進(jìn)行了空氣動力特性的數(shù)值模擬，得到了貨車模型外流場的壓力云圖和速度云圖，分析了各種方案的減阻機理。通過分析比較，改變導(dǎo)流罩的形式和遮陽板角度可以有效的減少阻力效果，掛車高度對阻力影響不大。分析結(jié)果可以對后續(xù)的匹配設(shè)計提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：貨車;氣動阻力;匹配優(yōu)化;數(shù)值仿真分析

中圖分類號：U464.238 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-157-04

Analysis and optimization of aerodynamic characteristics ofheavy commercial vehicles^*

Zhan Xin， Lu Zengjun， Lai Fan， Liu Yonghong， Xu Enyong

（ Commercial Vehicle Tech Center， Dong Feng Liuzhou Motor Co.， Ltd.， Guangxi Liuzhou 545005?）

Abstract：?In order to reduce the aerodynamic drag of a truck， the numerical simulation has been done regarding the aerodynamic characteristics of the shroud form， the sun visor angle and the trailer height. The pressure cloud map and velocity cloud map of the external flow field of the truck model are obtained. The drag reduction mechanism of the variety schemes has been analyzed. Through analysis and comparison， changing the form of the shroud and the angle of the sun visor can effectively reduce the drag effect， and the height of the trailer has little effect on the resistance. The analysis results can provide a reference for subsequent matching design.

Keywords： Truck; Aerodynamic drag; Matching optimization; Numerical simulation analysis

CLC NO.：?U464.238??Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-157-04

1 前言

隨著全社會對汽車燃油節(jié)能和廢氣排放控制的重視，節(jié)能減排已成為目前汽車行業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。?由于空氣阻力是汽車行駛阻力的重要組成部分，特別當(dāng)汽車在高速行駛狀態(tài)，空氣阻力會隨著汽車行駛速度的平方成正比而急劇增大。由于廂式貨車經(jīng)常處于高速行駛狀態(tài)，如果其空氣阻力系數(shù)降低30%，則燃油消耗可降低10%左右^[1]。?因此降低廂式貨車的空氣阻力對于貨車的節(jié)能減排具有重要意義，在貨車駕駛室頂部、貨車尾部和底部分別安裝各種氣動減阻裝置可減少空氣阻力^[2-4]。由于駕駛室導(dǎo)流罩可將氣流從駕駛室前部平順地引導(dǎo)至貨廂頂部和側(cè)面，從而具有較好的減阻效果^[5]，目前，駕駛室導(dǎo)流罩已經(jīng)成為廂式貨車的主要減阻裝置之一。?近年來，不少學(xué)者對各種導(dǎo)流罩的減阻機理進(jìn)行了深入的研究。Hyams和Cho^i[6-7]等人分別就貨車前部擾流板對貨車氣動特性的影響進(jìn)行了研究。Martini等人研究了駕駛室側(cè)部導(dǎo)流板對貨車氣動特性的影響。文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[9]中對廂式貨車導(dǎo)流罩的造型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并研究了導(dǎo)流罩對貨車氣動特性的影響。?Kim^[11-12]等人研究了駕駛室頂部導(dǎo)流罩和側(cè)部導(dǎo)流罩的減阻效果。Mosad-deghi等人提出了多種貨車減阻裝置，并分析了其減阻效果。

以上研究重點關(guān)注的是各種導(dǎo)流罩對貨車氣動阻力系數(shù)的影響，而對其他的附加裝置沒有進(jìn)行考慮。本文以某掛車為研究對象，首先基于計算流體動力學(xué)理論和氣動減阻技術(shù)，不僅對導(dǎo)流罩的形狀進(jìn)行了分析，還對遮陽板的角度以及掛車的高度進(jìn)行了氣動特性數(shù)值模擬，對他們的減阻效果進(jìn)行了分析和比較。

2 仿真模型及邊界條件

2.1?理論基礎(chǔ)

重型商用車的車速一般遠(yuǎn)低于聲速，其空氣動力學(xué)屬于低速空氣動力學(xué)，因而車輛周圍的流場可等效為三維不可壓縮性等溫流場。另一方面，由于重型商用車的外形相對復(fù)雜，運行時其周圍氣流容易引起分離，應(yīng)按湍流處理。流體計算的基本控制方程為：

質(zhì)量守恒方程^[1]：

其中u_i（i=1，2，3）分別為x₁，x₂?x₃三個方向的速度分量，t為時間，ρ為密度。

動量守恒方程：

式中：ρ-空氣密度;μ-流體動力粘度;u-速度矢量。式（1）與（2）中，未知量的數(shù)目過多，兩個方程無解，需要建立相應(yīng)的湍流模型方程進(jìn)行聯(lián)合求解計算。

為了兼顧精確性和計算效率，本文湍流模型采用k-ε模型，該模型引入了關(guān)于湍流動能k和湍流動能耗散率ε的方程。

湍流動能k方程^[6]：

湍流動能耗散率ε方程^[7]：

其中：

式中：P_ij為剪應(yīng)力項;μ_t為湍流粘度;C_μ=0.09，C_1ε=1.44，C_2ε=1.92;σ_k=0.82，σ_ε=1.0。

2.2 模型建立

2.2.1 幾何模型建立

基于某國產(chǎn)掛車模型，本文采用1：1尺寸的模型進(jìn)行數(shù)值計算，整體基本保持了外形狀與布置的完整性。在細(xì)節(jié)上，對車輪、車架和發(fā)動機艙進(jìn)行了適當(dāng)簡化處理，保留了后視鏡、格柵開孔等細(xì)節(jié)特征。貨車裝載高度按客戶較常用的2.2米及3.2米兩種進(jìn)行仿真分析，詳細(xì)如圖1所示：

2.2.2 計算域與邊界條件

設(shè)整車模型的長度、寬度、高度分別為L、W、H，在整車外建立計算流體域，為了滿足計算條件，規(guī)避諸如車前部壓力泡和車后尾流充分發(fā)展等的影響，計算域應(yīng)該足夠大。根據(jù)經(jīng)驗建立長方形計算域。長度為20L，寬度為 5W，高度為 6H，整體采用六面體網(wǎng)格劃分，邊界層3層，近壁層厚度1mm，并在車尾、后視鏡等區(qū)域進(jìn)行局部加密，計算域模型如圖 2所示。

模型的仿真輸入?yún)?shù)如表1所示：

2.3?結(jié)果分析

圖3為計算得到的不同掛車高度下的整車阻力發(fā)展曲線。由圖可知，掛車高度變高，掛車前端阻力下降但尾部阻力抬升重合，總體阻力基本一樣。

由圖4風(fēng)速云圖知，因掛車正投影寬度小于駕駛室，掛車高度的變化只是重新分配尾渦而已，局部阻力有變化，但總體阻力差異不大，為減小計算量后續(xù)仿真優(yōu)化方案均采納3.2米高掛車方案對比。

3?減阻部件優(yōu)化

為進(jìn)一步提升原車的整車空氣動力學(xué)特性，降低風(fēng)阻，減少整車油耗，本文對駕駛室上的導(dǎo)流罩與遮陽板兩個主要部件根據(jù)其減阻效果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 不同導(dǎo)流罩結(jié)果分析

針對原車駕駛室，設(shè)計了新導(dǎo)流罩和無導(dǎo)流罩兩種新方案，模型如圖5所示。不同導(dǎo)流罩的貨車模型車身表面壓力分布仿真結(jié)果如圖6所示。可以看出，不同導(dǎo)流罩的貨車模型車身表面壓力分布區(qū)別較大，且其正前部均出現(xiàn)了高壓區(qū)。

圖7為不同導(dǎo)流罩下的風(fēng)速仿真結(jié)果，從中也可發(fā)現(xiàn)：無導(dǎo)流罩模型和安裝導(dǎo)流罩的貨車模型的駕駛室頂部與前風(fēng)窗的拐角處均出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，且無導(dǎo)流罩模型的壓力分布較大，說明兩模型在該拐角處產(chǎn)生了風(fēng)流分離;無導(dǎo)流罩貨車模型前部壓力梯度變化大，安裝導(dǎo)流罩的貨車模型沿導(dǎo)流罩曲面表現(xiàn)出良好的壓力梯度，從而形成流線型流動，導(dǎo)流效果明顯。而新導(dǎo)流罩的壓力分布可以看出，導(dǎo)流罩上的正壓力弱化，說明正壓力變小;貨車廂前一部分負(fù)壓區(qū)有一定的弱化。

依據(jù)下式計算不同導(dǎo)流罩方案的氣動阻力系數(shù)C_D：

式中：F_D為空氣阻力;A為貨車正投影面積;v為貨車速度;ρ為空氣密度。計算結(jié)果如表2所示，可以看到，相比原車模型的風(fēng)阻系數(shù)，新導(dǎo)流罩方案降低5.4%，效果良好。

3.2 不同遮陽板結(jié)果分析

在新導(dǎo)流罩方案基礎(chǔ)上，對遮陽罩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在原遮陽罩的基礎(chǔ)上外翻12°，改變其角度，形成新的遮陽罩方案，圖8為兩種新遮陽罩。

圖9為不同遮陽罩方案的壓力仿真云圖，可以看出，改變遮陽罩的角度也就是改變空氣的切入角度可以改變遮陽罩上所受阻力的大小，新遮陽罩所受阻力的大小明顯小于原車遮陽罩。

圖10為不同遮陽罩方案的風(fēng)速結(jié)果，也可以看出，新方案中氣流壓下貼著車身頂部流動，頂部分離的氣流將被平穩(wěn)的過渡到貨箱上部，將遮陽罩附近的氣流平穩(wěn)的引導(dǎo)向駕駛室頂部，減少了負(fù)壓區(qū)域的出現(xiàn)，因而降低了氣動阻力。

不同遮陽罩方案的氣動阻力計算結(jié)果表3所示，可以看到，采用新遮陽罩方案后，整車阻力系數(shù)進(jìn)一步下降2.3%。

4 結(jié)束語

本文基于k-ε模型，采用數(shù)值方法對重型商用卡車的空氣動力學(xué)性能進(jìn)行了仿真分析。對掛車高度、導(dǎo)流罩與遮陽板三個主要影響因素進(jìn)行了分析，并提出了優(yōu)化改進(jìn)方案。研究表明，掛車正投影面積小于駕駛室，掛車高度變化對整車風(fēng)阻影響不大;頂導(dǎo)流罩對風(fēng)阻影響最大，優(yōu)化后整車風(fēng)阻降低5.4%;調(diào)整遮陽罩安裝位置以合適的角度切入空氣，可降低其本身所受氣流沖擊，優(yōu)化后風(fēng)阻進(jìn)一步降低2.3%。

參考文獻(xiàn)

[1] WOOD R M，BAUER SXS.?Simple and low-cost aerodynamic drag reduction devices for trator-trailer trucks[C].SAE Paper 2003-02-?3377.

[2] 汪孛，谷正氣，賈新建，姜樂華，彭亞美.集裝箱半掛運輸車氣動特性的數(shù)值仿真及改進(jìn)[J].汽車工程， 2010， 32（05）： 388-393.

[3] 宋小文，胡樹根，張偉.圓頂車廂載貨車外流場數(shù)值模擬及附加裝置優(yōu)化設(shè)計[J].汽車工程，2007（09）：796-799+811.

[4] 王德昌，杜廣生，吳靜怡.廂式貨車外部三維流場數(shù)值模擬的研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2004（03）：20-23.

[5] 王新宇，王登峰，范士杰，付強.商用車空氣動力學(xué)附加裝置減阻技術(shù)的研究及應(yīng)用[J].機械工程學(xué)報， 2011， 47（06）：107-112.

[6] HYAMS D G， SREENIVAS K， PANKAJAKSHAN R， et al. Computa?-tional simulation of model and full scale class 8 trucks with drag reduction devices[J]. Computers&Fluids， 2011，41（1）：27-40.

[7]?CHOI H，?LEE J， PARK H. Aerodynamics of heavy vehicles[J]. Ann?-ual Review of Fluid Mechanics，?2014，?46：?441-468.

[8] 龔旭，谷正氣，李振磊，賈新建.基于近似模型的集裝箱半掛車導(dǎo)流罩的形狀優(yōu)化[J].汽車工程，2011，33（01）： 38-42.

[9] 王靖宇，胡興軍，田華，張英朝，吳長鵬.導(dǎo)流罩對輕型廂式貨車氣動特性影響的數(shù)值模擬[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2008（01）：12-16.

[10] 李明達(dá)，隗海林，門玉琢，包翠竹.復(fù)雜底部結(jié)構(gòu)下的重型載貨汽車氣動阻力[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2017，47（03）：731-736.

[11]?KIM J J，KIM J， LEE S J. Substantial drag reduction of a tractor-?trailer vehicle dusing gap fairings[J]. Journal of Wind Engineering and Industrail Aerodynamics，?2017，?171：93-100.

[12] KIM JJ， LEE S， KIM M， et al. Salient drag reduction of a heavy vehicle using modified cab-roof fairing[J].Journal of Wind engine?-ering and Industaial Aerodynamics， 2017，164：138-151.