某中型載貨車風(fēng)阻優(yōu)化的節(jié)油技術(shù)研究與驗證★

李 程， 栗廣生， 徐 承， 韋尚軍

（東風(fēng)柳州汽車有限公司 商用車技術(shù)中心， 廣西 柳州 545005）

引言

隨著物流行業(yè)運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)變，業(yè)務(wù)競爭日趨激烈，物流運(yùn)輸車輛的運(yùn)價逐年持續(xù)下降，燃油費(fèi)占比最高，達(dá)到35%[1]；當(dāng)車速達(dá)到80 km/h，空氣阻力占整車阻力的50%[2]，氣動阻力的微小降低也會獲得相當(dāng)可觀的節(jié)能收益。因此，降低卡車的空氣阻力對整車油耗的降低有重要的意義。

對于廂式貨車，文獻(xiàn)［3-7］指出，絕大部分卡車氣動阻力產(chǎn)生于駕駛室前端、貨箱與駕駛室間隙、貨箱側(cè)面和貨箱后部四個區(qū)域，通過增加附件的方法實(shí)現(xiàn)局部氣流改善，達(dá)到降低整車阻力的目的。

本文主要針對國內(nèi)某廂式載貨車進(jìn)行空氣動力學(xué)優(yōu)化，基于CFD 數(shù)值模擬和試驗驗證的方法并制定相關(guān)風(fēng)阻優(yōu)化方案和進(jìn)行分析驗證，最后針對驗證結(jié)果提出相關(guān)結(jié)論。應(yīng)用降風(fēng)阻套件進(jìn)行整車降風(fēng)阻節(jié)油研究，為快遞公司的拖車、掛車匹配設(shè)計優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 計算模型及邊界條件

1.1 幾何模型

本文以國內(nèi)某重型載貨車為基礎(chǔ)模型，如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格模型

由于整車外廓尺寸較大，長×寬×高為12 m×2.55 m×4 m，為了盡量減小風(fēng)洞阻塞比對計算精度的影響，建立虛擬風(fēng)洞的尺寸（長×寬×高）為120 m×15 m×16 m，外流場入口距整車前端距離為2 倍車長，出口距車尾為5 倍車長，高度為5 倍車高，左右各為2.5 倍車寬，網(wǎng)格設(shè)置及總量見表1。

表1 網(wǎng)格設(shè)置及總量

1.3 物性參數(shù)及邊界條件設(shè)置

湍流模型及邊界設(shè)置見表2。

表2 物性參數(shù)及邊界條件

2 計算結(jié)果及分析

2.1 基礎(chǔ)模型分析

下頁圖3 為整車壓力分布圖，氣流直接沖擊車廂前端面，在車廂前端面存在較為明顯的高壓區(qū)。此外，因該車離地高度較大，在前橋工字梁、前輪處正壓區(qū)均較為明顯，是整車風(fēng)阻優(yōu)化的重點(diǎn)區(qū)域。

下頁圖4 為中間截面壓力圖，車廂前端上端面形成較大區(qū)域的“流動死區(qū)”，主要原因為流過頂導(dǎo)流罩的氣流產(chǎn)生較大的流動分離，未能實(shí)現(xiàn)較好的貼體流動造成；車廂的尾部氣流的分離造成了較大的負(fù)壓區(qū)，這些區(qū)域是造成前后壓差阻力的關(guān)鍵位置，減少流動分離，減少前后壓力是該車型風(fēng)阻優(yōu)化的重點(diǎn)方向。

2.2 優(yōu)化方案確定

根據(jù)原車的流場信息，主要從降低前后壓差阻力的方向開展優(yōu)化方案設(shè)計，由于車型已定型，從成本及可實(shí)施的角度考慮，主要考慮通過優(yōu)化及增加導(dǎo)流組件方向開展整車風(fēng)阻優(yōu)化，確定了如圖5、圖6 所示的優(yōu)化方案。為了兼顧優(yōu)化效果及輕量化的目標(biāo)，對每個從降阻效果、成本、輕量化進(jìn)行綜合考慮。

2.3 優(yōu)化方案降阻效果匯總

圖7 為各方案整車風(fēng)阻優(yōu)化效果，優(yōu)化組合方案風(fēng)阻改善15.1%，其中，單方案為尾翼降阻效果最優(yōu)，頂導(dǎo)流罩優(yōu)化次之。

圖8 為優(yōu)化前后整車壓力云圖對比，通過加寬頂導(dǎo)流罩寬度及優(yōu)化頂導(dǎo)流罩尾部造型，有效的前面來流導(dǎo)向兩側(cè)，避免了前方來流對車廂前端面的沖擊，改善了車廂前端面的正壓區(qū)；增加前保下擾流板有效地改善了流過前保下邊緣的氣流導(dǎo)向，把氣流斜向?qū)虻孛?，避免了氣流沖擊工字梁、前輪等底盤件，改善了底盤正壓區(qū)，有利于降低氣動阻力。

圖9 為底盤的流動矢量對比圖，增加主、掛車側(cè)裙后，可以避免由車輪旋轉(zhuǎn)引起的紊亂氣流沖擊主車和掛車底部及掛車后輪、后軸，對氣流起到導(dǎo)流的作用，有效地引導(dǎo)氣流加速通過底盤，降低了表面阻力。

車廂尾部渦流消耗的氣動阻力約占整車氣動阻力的25%，下頁圖10、圖11 為（TP=0）等值面壓力云圖，增加車廂尾翼后，在尾翼的作用下，氣流沿著翼板表面下壓、內(nèi)收，尾渦收縮明顯，車廂尾部下側(cè)大尺度的渦流已消失，車廂尾部的負(fù)壓區(qū)明顯減小，降低了整車前后的壓差阻力，有利于降低整車風(fēng)阻。

3 節(jié)油效果驗證

3.1 樣件試裝

頂導(dǎo)流罩及前保下導(dǎo)流板采用玻璃鋼結(jié)構(gòu)，側(cè)裙及尾翼則采用3 mm 厚鋁板。樣件試裝效果如圖12所示。

3.2 滑行試驗及等速油耗試驗驗證

在江蘇鹽城中汽研試驗場開展了滑行及等速油耗試驗，為了節(jié)省實(shí)驗費(fèi)用，僅對單個風(fēng)阻組件開展了等速油耗試驗及組合狀態(tài)滑行試驗，車輛狀態(tài)如下表：

滑行實(shí)驗參照GB/T—12536—90 汽車滑行試驗方法，為了減少環(huán)境風(fēng)速對實(shí)驗誤差的影響，實(shí)驗在夜間開展，環(huán)境瞬時風(fēng)速均在0.8 m/s 以下，等速油耗實(shí)驗依據(jù)GB/T 27840《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》。

表3 試驗車輛參數(shù)表

通過對比氣動阻力項系數(shù)，增加氣動降風(fēng)阻附件能有效的降低整車風(fēng)阻。降阻效果為13.8%，與仿真結(jié)論15.1%，誤差為1.3%。

圖14 為等速油耗試驗對比，相對于Base 方案，優(yōu)化方案節(jié)油1.38 L。其中，優(yōu)化頂導(dǎo)流罩方案節(jié)油0.43 L，節(jié)油效果最佳，尾翼此之；而側(cè)裙在正風(fēng)工況下，節(jié)油0.21 L，節(jié)油效果略差。

3.3 滑行試驗及等速油耗試驗驗證

在環(huán)境溫度25～32°C，大氣壓力99.51～99.71 kPa，風(fēng)速小于1 m/s 條件下，依據(jù)GB/T 27840《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》開展?jié)M載工況80 km/h 道路模擬油耗試驗，以柳州—貴港—柳州高速180 km/h為測試驗證道路，為避免因司機(jī)操作習(xí)慣不同而引起的誤差，以相同司機(jī)開展Base 車型及優(yōu)化方案車型進(jìn)行測試。

下頁圖15 為道路油耗模擬實(shí)驗結(jié)果，優(yōu)化方案比Base 方案百公里節(jié)油1.21 L，節(jié)油效果明顯。

4 結(jié)論

通過對該中型廂式載貨車氣動附件開展方案設(shè)計、仿真分析、樣件試裝試裝及實(shí)車驗證，多角度地驗證氣動附件降風(fēng)阻及節(jié)油效果，結(jié)論如下：

1）增加氣動減阻附件能有效的降低整車風(fēng)阻系數(shù)，經(jīng)滑行實(shí)驗驗證，仿真與試驗誤差為1.3%；

2）80 km/h 等速油耗試驗，氣動附件優(yōu)化后頂導(dǎo)流罩、尾翼及前保下導(dǎo)流板節(jié)油效果較好；其中，優(yōu)化后頂導(dǎo)流罩百公里節(jié)油0.43 L，效果最優(yōu)，尾翼此之，側(cè)裙效果略差，主要原因為等速油耗試驗無法開展側(cè)風(fēng)工況測試；

3）道路模擬油耗試驗，百公里實(shí)現(xiàn)節(jié)油1.21 L。