基于氣動減阻裝置的廂式貨車氣動特性研究

許建民

（1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024；2.虛擬制造技術福建省高校重點實驗室，福建 泉州 362000）

1 引言

汽車的氣動減阻與燃料消耗以及二氧化碳排放直接相關，因此是重型廂式貨車的重要研究方向。廂式載貨汽車由于經常處于高速行駛狀態(tài)（一般會超過80km/h），而且?guī)截涇囌队懊娣e比較大，從而比轎車和客車產生了更大的空氣阻力。美國能源部（DOE）研究[1-2]表明，一輛標準的滿載重型貨車以100km/h 的時速行駛時，發(fā)動機燃料的65%是用來克服氣動阻力的。因此降低重型廂式貨車的空氣阻力可以大幅度提高貨車的燃油經濟性。國內外學者就廂式貨車的氣動減阻機理等進行了深入的研究。文獻[3-4]采用數(shù)值模擬和試驗方法研究了導流罩對廂式貨車氣動特性的影響。文獻[5]研究了尾部減阻結構對廂式貨車氣動特性的影響。文獻[6]就廂式貨車的貨廂頂部減阻結構的減阻效果進行了研究。文獻[7]分析了輪胎擋泥板對廂式貨車氣動特性的影響。文獻[8]仿真分析了尾部減阻結構對重型載貨汽車尾部流場的影響。文獻[9-11]就車身非光滑表面對汽車氣動特性的影響進行了深入研究。文獻[12]對某SUV車型進行了氣動力性能優(yōu)化分析。由以上分析可知，目前國內外學者對廂式貨車外流場的研究主要集中在導流罩的優(yōu)化、貨車尾部減阻結構的設計及流場分析以及非光滑表面結構對貨車氣動特性的影響等方面，而關于底部和側部減阻結構對廂式貨車氣動特性影響的研究報導不多見。因此基于計算流體動力學分析方法研究底部和側部減阻裝置對廂式貨車氣動特性的影響，為廂式貨車氣動減阻裝置的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)，從而提高廂式貨車的燃油經濟性。

2 廂式貨車原始模型的建立及邊界條件

2.1 廂式貨車原始模型的建立及網(wǎng)格劃分

利用Pro/E 軟件建立廂式貨車的三維模型并簡化其輪胎、后視鏡等細節(jié)部位。所建立的廂式貨車模型外部尺寸為：L=12m；W=2.5m；H=3m。廂式貨車的三維模型，如圖1 所示。由于廂式貨車周圍氣流對空氣動力學性能有較大影響，為了更好地模擬廂式貨車外部空氣動力學性能，要求在廂式貨車模型周圍保留較長計算區(qū)域，根據(jù)經驗計算域分別為5 倍車長，4 倍車寬，3 倍車高。廂式貨車外部計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分，如圖2 所示。

圖1 廂式貨車的三維模型Fig.1 Three-Dimensional Model of the Van Truck

圖2 計算域的網(wǎng)格劃分結果圖Fig.2 Meshing Result of Calculation Domain

2.2 邊界條件

（1）入口條件：取遠端來流方向的端面為入口邊界，坐標系建立在貨車車身上，空氣與貨車行駛的方向相反。速度大小為22m/s，方向沿x 軸，另外兩個垂直于氣流運動方向的矢量分別為0m/s。湍流強度設為0.5%。

（2）出口邊界：車身后遠端端面設置為壓力出口邊界，相對壓強為0。

（3）壁面邊界條件：計算域上下左右表面以及模型外表面均為固定壁面邊界條件。

3 底部減阻裝置的設計及流場分析

3.1 底部減阻裝置的設計

載貨汽車由于其前輪與后輪之間具有較長的距離，因此在其高速行駛時，其前輪與后輪之間的區(qū)域將形成很復雜的紊流現(xiàn)象，這種復雜的紊流大大地增加了空氣的阻力，不但影響車速，耗油量也大大增加?？梢酝ㄟ^對貨車底部加裝導流裝置來改善底部氣流的平順性，讓貨車在行駛過程中所受到的阻力減少。為此提出3 種貨車底部減阻結構，分別為長側裙實心導流罩，長側裙空心導流罩和V 形導流罩。3 種貨車底部減阻裝置，如圖3 所示。長側裙導流罩結構位于前輪與后輪之間。該結構是將前后輪之間側面空隙封住的導流罩，該導流罩為實心體（見圖3（a）長側裙實心導流罩）或者為空心體（見圖3（b）長側裙空心導流罩）且周邊封閉的結構。而且該長側裙導流罩結構可以有效地阻止側風引起的氣流橫穿汽車底部，因此可以在一定程度上消除汽車底部的渦流，同時汽車側面的渦流也得到了減弱。V 形導流罩的頂端朝向車頭方向，V 形導流罩包括形成一定角度的夾角。該結構能夠改善貨車底部的空氣阻力，提高貨車在高速行駛下的穩(wěn)定性和安全性。

圖3 3 種貨車底部減阻裝置Fig.3 Three Kinds of Truck Bottom Drag Reducing Devices

3.2 底部減阻裝置的流場分析

貨車底部速度云圖對比，如圖4 所示。由圖可知，長側裙實心導流罩貨車底部氣流速度最低，長側空心導流罩貨車底部流速最快，V 形導流罩貨車底部流速相對于原始貨車模型底部也比較大，說明長側裙實心導流罩對貨車底部的氣流有一定的阻礙作用，而長側裙空心導流罩以及V 形導流罩均改善了貨車底部氣流流動狀態(tài)。相對于貨車原始模型底部減阻裝置可以改善貨車底部氣流狀態(tài)。加裝底部減阻裝置的貨車前部4 個車輪前端較大的正壓力區(qū)減少了，從而減少了貨車前后方的壓力差，對貨車氣動阻力的改善起到了較大的作用，如圖5 所示。

圖4 貨車底部速度云圖對比Fig.4 Comparison of the Speed Map of the Bottom of the Truck

圖5 貨車底部壓力分布云圖Fig.5 The Pressure Distribution at the Bottom of the Truck

貨車底部湍動能云圖，如圖6 所示。湍動能表示流場中的脈動所包含的動能，它表征了湍流的能量損失和劇烈程度。湍動能值越大，則表示能量損失越大。如果作用在貨車前部的正壓力不變，湍動能值越大，貨車尾部的能量損失越大，這樣貨車尾部氣流作用在貨車尾部的壓力越小，最終會導致貨車前后部的壓差阻力增大，氣動阻力增加。對比貨車原始模型和加裝3 種不同底部減阻裝置的貨車模型底部的湍動能云圖，可以看出4 種模型的湍動能云圖差異比較大，湍動能值比較大的區(qū)域主要集中在貨車前部以及前部4 個車輪周圍，這說明前部4 個車輪對氣流有較大的阻礙，使氣流在此處產生了氣流分離。貨車原始模型的湍動能最為強烈，并且高湍動能區(qū)域在整個云圖中所占的面積比例也最大，這表示氣流在貨車底部消耗了大量的能量，而底部減阻裝置的加裝，改善了貨車模型底部的氣流狀態(tài)，從而使得氣流流過貨車模型底部時的能量耗散得到降低。貨車原始模型與加裝3 種不同底部減阻裝置貨車模型的空氣阻力系數(shù)，如表1 所示。可以看出，底部減阻裝的減效果明顯，其中長側空心導流罩的減阻效果最好，而V 形導流罩的減阻效果最差，這是因為V 形導流罩在減少壓差阻力的同時也增加了整個貨車的迎風面積，所有整體減阻效果一般。

圖6 貨車底部湍動能云圖對比Fig.6 Comparison of Kinetic Energy Clouds at the Bottom of the Truck

表1 不同模型的空氣阻力系數(shù)Tab.1 Air Resistance Coefficient for Different Models

4 側部減阻裝置的設計及流場分析

4.1 側部減阻裝置的設計

設計了3 種側部減阻裝置，如圖7 所示。側部普通導流條包括5 條導流條，導流條均勻間隔開地布置在靠近廂式貨車尾部的兩個廂體側面上，從貨車尾部傾斜30°向上延伸一預定長度，導流條的上外部和前部分別是半徑為2cm 和5cm 的倒圓角。側部復合導流條與側部普通導流條在結構上類似，相比于普通導流條，側部復合導流條包含一段80cm 長的引導條，后半部分是與水平呈30°的向下普通導流條，這樣可以將周圍的氣流有順序的引導到裝置內，讓氣流的流動更平滑。在貨車行駛過程中，由于車輛底部的流速比較慢，導致車輛兩側的氣流流入車底部，導致側部的氣流紊亂。為了解決這個問題設計了側裙式導流條，這樣就可以使氣流流速更加均勻，提高氣流流動的平順性，避免氣流渦流的產生。側裙式導流條是以厚度為2cm，高為30cm 的兩塊加裝在車輛側裙的裝置，邊緣均是半徑1cm 的倒圓角，以提高流體的通過性。

圖7 貨車側部減阻裝置Fig.7 Drag Reducing Device on Truck Side

4.2 側部減阻裝置的流場分析

貨車尾部速度矢量圖，如圖8 所示。從貨車上、下表面和左右側面流過的氣流在貨廂后緣進入尾部自由區(qū)域，出現(xiàn)了漩渦和倒流現(xiàn)象。由于貨車尾部氣流分離作用，流過貨車上部的氣流在貨車尾部形成兩個回流漩渦。由速度矢量圖相比較可知，加裝側部普通導流條后的尾部渦流區(qū)域比原模型的小，說明渦流損失比較小，壓差阻力小。貨車側部速度分布云圖，如圖9 所示。由圖分析可知，加裝側部導流條后的貨車后部的低速區(qū)域更小，將后部的低速區(qū)域轉移到了側部，側部低速區(qū)域增加。

圖8 貨車尾部速度矢量圖Fig.8 Speed Vector of Truck Tail

圖9 貨車側部速度分布云圖Fig.9 Speed Distribution of The Truck Side

圖10 貨車尾部速度分布云圖Fig.10 Speed Distribution of the Truck Tail

貨車尾部速度分布云圖，如圖10 所示。貨車尾部出現(xiàn)大面積的低速區(qū)，貨車尾部的低速區(qū)域是貨車壓差阻力產生的主要原因之一。加裝側部復合導流條后的貨車尾部相比貨車原始模型的速度云圖的低速部分區(qū)域更小，車身后部的空氣流動更加順暢，渦流減少，進而負壓減小，從而減小了空氣阻力的形成。貨車底部速度矢量圖，如圖11 所示。由速度矢量圖可知，貨車底部氣流矢量比較復雜，渦流主要出現(xiàn)在車輪周圍。對比分析后發(fā)現(xiàn)加裝側裙式導流條的貨車底部氣流速度有所增加，氣流更加順暢和均勻，渦流減弱。這是因為，加裝了側裙式導流條后，貨車側部的空氣就不易進入車輛底部，貨車尾部的渦流范圍也變得較小，從而起到減阻的作用。貨車原始模型與加裝3 種不同側部減阻裝置貨車模型的空氣阻力系數(shù)，如表2 所示。可以看出，側部減阻裝的減效果相對于底部減阻裝置來說不是十分明顯，其中側裙式導流條的減阻效果最好。

圖11 貨車底部速度矢量圖Fig.11 Speed Vector of the Bottom of the Truck

表2 不同模型的空氣阻力系數(shù)Tab.2 Air Resistance Coefficient for Different Models

5 結論

（1） 基于貨車氣動減阻機理設計了廂式貨車底部減阻裝置和側部減阻裝置。在廂式貨車原始模型基礎上分別在貨車底部和側部加裝了減阻結構。分別從壓力分布、速度分布和湍流動能分布等方面分析了6 種減阻裝置對廂式貨車的氣動特性的影響。

（2）廂式貨車原始模型的氣動阻力系數(shù)較大。底部和側部減阻裝置對廂式貨車有較好的減阻效果。底部和側部減阻裝置可以在一定程度上減少貨車尾部流場湍動渦流的產生，從而減少氣動阻力。底部減阻裝的減效果明顯，其中長側空心導流罩的減阻效果最好，而V 形導流罩的減阻效果一般。側部減阻裝的減效果相對于底部減阻裝置來說不是十分明顯，其中側裙式導流條的減阻效果最好。