基于聯(lián)接式通道的廂式貨車減阻性能仿真研究

許建民，龔曉巖，鄭慶杰，宋 雷

（廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廈門 361024，中國）

近年來全球能源緊缺，節(jié)約能源與我們的日常生活息息相關(guān)。在生產(chǎn)和生活都離不開的運(yùn)輸業(yè)中，重型廂式貨車的能源消耗一直占據(jù)較高比例。減小重型廂式貨車的能量消耗即降低行駛時(shí)的空氣阻力一直以來是本行業(yè)的研究熱點(diǎn)。在相關(guān)法律法規(guī)要求下，尋找既能不大幅度改變廂式貨車形狀和載貨量又能減小廂式貨車阻力的方法是本行業(yè)的研究目標(biāo)之一。

為減小廂式貨車行駛時(shí)的空氣阻力，以往學(xué)者在廂式貨車上添加氣動(dòng)減阻附件，比如駕駛室導(dǎo)流罩[1-4]、側(cè)裙板以及尾部導(dǎo)流板等[5-8]，來減少車輛行駛時(shí)受到的空氣阻力，雖然達(dá)到了減少廂式貨車空氣阻力的效果，但是添加部分減阻附件的同時(shí)很大程度改變了車輛原有的形狀和尺寸，因此相關(guān)氣動(dòng)減阻裝置目前仍不能較好的應(yīng)用于車輛。另外有學(xué)者[9-11]對現(xiàn)有車輛部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化從而達(dá)到減小車輛阻力的效果，但這些減阻方法的可優(yōu)化之處越來越少，相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)入了發(fā)展瓶頸期。還有學(xué)者[12-14]仿生自然界生物對車輛進(jìn)行氣動(dòng)減阻設(shè)計(jì)，將車輛外表進(jìn)行非光滑處理達(dá)到減阻的效果，但此方法會(huì)使車輛的制造成本大量增加。此外有學(xué)者[15-19]將飛機(jī)上的渦流發(fā)生器運(yùn)用到車輛上進(jìn)行減阻設(shè)計(jì)，取得減小阻力的效果，但低速行駛時(shí)渦流發(fā)生器的存在會(huì)使車輛的行駛阻力增加。另外還有學(xué)者[20]將車輛的尾氣和減阻結(jié)合起來，達(dá)到了較好的減阻效果，但此方法距離生產(chǎn)應(yīng)用仍需要一定的時(shí)間。因此目前迫切需要能夠減小車輛行駛時(shí)的氣動(dòng)阻力，同時(shí)不會(huì)大幅度改變車輛本身形狀和尺寸的減阻方式。

為了不大幅度改變車身形狀和尺寸并且能夠減小廂式貨車空氣阻力，本文參考國外相關(guān)研究[21]，提出將車輛側(cè)面的高壓區(qū)和尾部的低壓區(qū)相聯(lián)接，即在廂式貨車側(cè)面和尾部進(jìn)行打孔建立側(cè)面和尾部的聯(lián)接式通道，從而達(dá)到減小阻力的效果。并以重型廂式貨車為研究對象，在廂式貨車的尾部建立聯(lián)接式通道，通過對聯(lián)接式通道的進(jìn)出口形狀、尺寸大小、位置和內(nèi)部形狀進(jìn)行仿真分析，探究得到一種新型的廂式貨車減阻模型，同時(shí)探究這種聯(lián)接式通道模型在側(cè)風(fēng)環(huán)境下的氣動(dòng)特性。

1 仿真模型的建立以及仿真方法確定

1.1 模型建立

圖1 GTS 模型尺寸及模型示意圖

1.2 流體動(dòng)力學(xué)基本理論

流體的流動(dòng)，需要遵循3 大守恒定律。車輛周圍流體的流動(dòng)需要滿足質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程[23]。

質(zhì)量守恒方程為

其中：ρ是密度，不可壓縮流體中它為定值；t是時(shí)間；u、v、w是速度在x、y、z方向的分量。因在數(shù)值模擬中，常將流體假設(shè)為不可壓縮流體，則ρ為常數(shù)，式(1)可寫為

動(dòng)量守恒方程，實(shí)際上就是牛頓第二定律。方程為：

其中：μ為動(dòng)力粘度，Su、Sv、Sw為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

能量守恒方程為

其中：Cp是比熱容，T是溫度；k是流體的傳熱系數(shù)；ST是流體的粘性耗散項(xiàng)。

2015－2016 年我院兒科門診治療呼吸系統(tǒng)疾病的口服用藥使用分析 ……………………………………… 李 晶等（2）：191

1.3 邊界條件設(shè)置

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行仿真分析?？紤]到側(cè)風(fēng)，因此設(shè)置計(jì)算域入口距離車頭3 倍車長，計(jì)算域出口距離車尾7 倍車長；側(cè)面入風(fēng)口距離車側(cè)面5 倍車寬，側(cè)面出口距離車身側(cè)面10 倍車寬；計(jì)算域高度為5 倍車高[24]。阻塞比為車輛的正投影面積/計(jì)算域的入口面積，為1.25%：滿足阻塞比要求。計(jì)算域如圖2 所示。為達(dá)到較好的仿真效果，對車身表面設(shè)置棱柱層，無量綱數(shù)壁面距離Y+值設(shè)置為30，第1層網(wǎng)格高度計(jì)算得1 mm，棱柱層設(shè)置為3 層，增長率為1.2。車輪與地面接觸地方進(jìn)行拉伸處理，車輪接地處以及流體域的網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖2 外流場計(jì)算域

圖3 車輪接地處以及流體域網(wǎng)格圖

1.4 仿真方法設(shè)置

采用FLUENT 軟件，選取穩(wěn)態(tài)定常條件，選用Realizable k-ε 湍流模型。計(jì)算域的入口選擇速度為25 m/s，無側(cè)風(fēng)環(huán)境時(shí)速度方向垂直于來流入口壁面；計(jì)算域的出口壓力選擇相對大氣壓0 表壓；計(jì)算域的側(cè)壁面和頂部壁面采用無滑移壁面，底部采用滑移地面，速度與入口邊界速度相同。數(shù)值求解采用二階迎風(fēng)格式和基于壓力耦合方程組的半隱式(semi-implicitmethod for pressure linked equations, SIMPLE)算法。

2 尾部通道式減阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

2.1 通道進(jìn)出口形狀設(shè)計(jì)及分析

為了提高廂式貨車尾部的壓力，一般采用被動(dòng)減阻或者主動(dòng)減阻方式，但是被動(dòng)減阻方式改變了車輛的尺寸和形狀，主動(dòng)減阻需要額外的能量源。為了避免大幅度改變廂式貨車的形狀和尺寸以及不再引入額外的能量源，綜合考慮主被動(dòng)減阻方式，選取被動(dòng)減阻的方式同時(shí)結(jié)合主動(dòng)減阻的原理，即在廂式貨車的尾部通過打孔將車輛側(cè)面的氣流引入到車輛尾部，將側(cè)面的高壓區(qū)與尾部的低壓區(qū)聯(lián)接起來，能夠提高尾部低壓區(qū)的壓力[21]。為進(jìn)一步探究不同形狀聯(lián)接式通道產(chǎn)生的減阻效果，分別設(shè)計(jì)了四邊形、六邊形、橢圓和圓形4 種通道進(jìn)出口形狀，圖4 是四邊形通道效果圖和氣流流經(jīng)通道的示意圖，圖5 是聯(lián)接通道內(nèi)部的網(wǎng)格示意圖。為使所設(shè)計(jì)的各種進(jìn)出口形狀大小盡量一致，四邊形和六邊形的外接圓半徑、橢圓的1/2 長軸和圓形的半徑取值相同。在形狀設(shè)計(jì)中，側(cè)面進(jìn)風(fēng)口和尾部的出風(fēng)口形狀和大小相一致，廂式貨車左右兩邊設(shè)計(jì)一致。

圖4 四邊形通道模型圖及氣流流經(jīng)通道示意圖

圖5 聯(lián)接式通道網(wǎng)格示意圖

將原始模型劃分3 種不同數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，對粗網(wǎng)格、中網(wǎng)格、細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行相同環(huán)境下的仿真計(jì)算，得到的氣動(dòng)阻力因數(shù)(Cd)分別為0.518 8、0.507 5、0.507 0?？梢姡鄬τ谥芯W(wǎng)格來說，細(xì)網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)量增加但Cd降低程度小，還會(huì)增加計(jì)算資源；中網(wǎng)格的Cd為0.507 5，與GTS 模型的試驗(yàn)結(jié)果0.508誤差為0.1%，在允許范圍內(nèi)；因此選擇中網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)研究。表1 是原始模型和各種減阻模型的Cd，由表可知在所設(shè)計(jì)的幾種形狀通道中四邊形通道的減阻效果最好。

表1 各模型的氣動(dòng)阻力因數(shù)(Cd)

圖6 是原始模型和各種通道模型的壓力云圖對比。廂式貨車氣動(dòng)阻力主要由前面正壓區(qū)和尾部的負(fù)壓區(qū)構(gòu)成，由圖可知聯(lián)接式通道模型對廂式貨車前面的正壓區(qū)幾乎無影響，而廂式貨車的尾部負(fù)壓區(qū)都有所增大。聯(lián)接式通道模型尾部區(qū)域中，負(fù)壓為-154.545 ～ -90.909 Pa 的低壓區(qū)全部消失，負(fù)壓為-90.909 ～ -82.051 Pa 的低壓區(qū)面積減小，其中四邊形通道模型的淺綠色低壓區(qū)面積縮小最多，印證了四邊形聯(lián)接式通道模型的減阻效果最好。

圖6 廂式貨車壓力云圖

2.2 通道進(jìn)出口尺寸設(shè)計(jì)及分析

進(jìn)口和出口的尺寸大小決定了側(cè)面氣流到達(dá)尾部的流通量，不同的氣流流通量對車輛尾渦產(chǎn)生不同的影響?；跍p阻效果最好的四邊形聯(lián)接式通道模型設(shè)計(jì)進(jìn)口、出口尺寸不同共5 種連接式通道模型。圖7 是設(shè)計(jì)的四邊形通道結(jié)構(gòu)尺寸示意圖，車身側(cè)面進(jìn)風(fēng)口外接圓半徑設(shè)置為R1，車身尾部出風(fēng)口外接圓半徑設(shè)置為R2，車輛左右兩側(cè)的通道參數(shù)設(shè)置相同。

圖7 四邊形通道尺寸示意圖

表2 是四邊形通道進(jìn)、出口尺寸設(shè)置及其對應(yīng)模型的氣動(dòng)阻力系數(shù)。由表可知當(dāng)尾部出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口尺寸相同時(shí)，氣動(dòng)減阻效果最好。當(dāng)進(jìn)出風(fēng)口尺寸不同時(shí)，氣動(dòng)減阻效果一般。圖8 是廂式貨車的湍動(dòng)能(Et)云圖，Et的大小表示能量耗散的多少，圖中顏色越靠近色標(biāo)的右側(cè)表明能量耗散越多，即產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力越大。模型2 中湍動(dòng)能29～34 m2/s2的區(qū)域顯著減小，湍動(dòng)能23～29 m2/s2的區(qū)域面積也有所縮小，并且明亮區(qū)域的中心位置距離廂式貨車尾部更遠(yuǎn)，說明在廂式貨車尾部發(fā)生的能量耗散減弱，廂式貨車受到的氣動(dòng)阻力變小。

表2 各模型的參數(shù)設(shè)置和其氣動(dòng)阻力因數(shù)

圖8 廂式貨車湍動(dòng)能云圖

2.3 通道進(jìn)出口位置設(shè)計(jì)及分析

氣流從不同位置的通道通過會(huì)對尾渦產(chǎn)生不同的影響，為探究最佳的進(jìn)出口位置，通過改變進(jìn)出風(fēng)口的位置設(shè)計(jì)了5 種不同的聯(lián)接式通道模型。圖9 是進(jìn)出口位置尺寸示意圖。其中D1是側(cè)面進(jìn)風(fēng)口到車輛尾部的距離，D2是尾部出風(fēng)口到車輛側(cè)面的距離，車輛左右兩邊的通道參數(shù)設(shè)置一致。

圖9 進(jìn)出口位置尺寸示意圖

表3 是進(jìn)出口不同位置的參數(shù)設(shè)置及其對應(yīng)模型的氣動(dòng)阻力系數(shù)，從表中可以看出當(dāng)側(cè)面進(jìn)風(fēng)口位置固定時(shí)，隨著出風(fēng)口位置遠(yuǎn)離側(cè)面時(shí)，Cd先變小后變大；而當(dāng)出風(fēng)口位置固定時(shí)，側(cè)面進(jìn)風(fēng)口的位置距離尾部越近Cd越小。

表3 進(jìn)出口不同位置設(shè)計(jì)及對應(yīng)模型的氣動(dòng)阻力因數(shù)

圖10 是流經(jīng)廂式貨車表面的氣流在尾部的速度流線圖。從圖中可以看出模型1 中有側(cè)面氣流經(jīng)過聯(lián)接式通道到達(dá)尾部區(qū)域。與原始車輛相比模型1 的尾部上半?yún)^(qū)域的渦流消失，下部區(qū)域的尾渦遠(yuǎn)離車輛尾部，尾渦四周氣流的旋轉(zhuǎn)程度有所減弱，即形成的渦核減弱。同時(shí)下部區(qū)域的氣流流動(dòng)更加平緩，上部氣流和下部氣流的混合點(diǎn)遠(yuǎn)離車輛尾部，改善了氣流流動(dòng)。

圖10 廂式貨車尾部速度流線圖

圖11 是廂式貨車尾部壓力云圖，可以看出打孔模型1 尾部的壓力云圖低壓區(qū)-90 ～ -100 Pa 消失，說明此處壓力升高，一定程度上提高了尾部的壓力，從而降低了車輛前后的壓差阻力。

圖11 廂式貨車尾部壓力云圖

2.4 通道內(nèi)部形狀設(shè)計(jì)及分析

氣流在通道內(nèi)通過不同的流動(dòng)路徑會(huì)在出風(fēng)口處以不同的形態(tài)進(jìn)入車輛尾渦，為探究最佳的通道形式設(shè)計(jì)了4 種通道。分別是以進(jìn)出口中心連線的直線型通道，以進(jìn)出口中心為橢圓的長短軸端點(diǎn)的1/4 橢圓通道，以及基于橢圓通道建立的強(qiáng)彎曲通道和弱彎曲通道。圖12 是通道模型的透視圖，車輛左右兩側(cè)設(shè)置相同的通道。

圖12 直線型和1/4 橢圓型通道透視圖

表4 是各種通道的Cd，可以看出直線型通道的Cd最小，減阻效果最好。

表4 各模型的氣動(dòng)阻力因數(shù)

Q準(zhǔn)則能夠更準(zhǔn)確地識別渦結(jié)構(gòu)，Q準(zhǔn)則定義為[25]

其中：Ω是旋轉(zhuǎn)張量；S是應(yīng)變張量。Q＞0，即說明此處存在漩渦。圖13 是以Q準(zhǔn)則提取的車輛尾渦等值面圖，可以看出直線模型的尾部大渦遠(yuǎn)離車輛并且形狀變小，靠近車輛尾部區(qū)域破碎形成較小的尾渦，減小了車輛大尾渦的強(qiáng)度，從而改善了尾部的氣流流動(dòng)狀態(tài)，降低了車輛行駛時(shí)的氣動(dòng)阻力。

圖13 Q 準(zhǔn)則提取的原始車輛與直線型通道模型渦量等值面圖比較

3 側(cè)風(fēng)環(huán)境下聯(lián)接式通道模型的氣動(dòng)特性分析

3.1 側(cè)風(fēng)工況設(shè)置

當(dāng)廂式貨車行駛在側(cè)向風(fēng)環(huán)境時(shí)，由于貨廂側(cè)面面積比較大會(huì)使廂式貨車的受力情況和在無側(cè)風(fēng)環(huán)境行駛時(shí)存在較大差異。為探究新型聯(lián)接式通道減阻模型在側(cè)風(fēng)環(huán)境的氣動(dòng)特性，選取合成側(cè)風(fēng)法對廂式貨車進(jìn)行仿真探究。假設(shè)側(cè)風(fēng)時(shí)廂式貨車的前面和左側(cè)面為迎風(fēng)面，廂式貨車的后面和右側(cè)面是背風(fēng)口。車速(v)保持25 m/s 不變，通過改變合成速度（vsyn）的大小來改變側(cè)風(fēng)風(fēng)速(vcross)大小，具體設(shè)置如表5 所示，其中α為偏角。

3.2 側(cè)風(fēng)環(huán)境下聯(lián)接式通道模型仿真分析

圖14 是側(cè)風(fēng)環(huán)境下廂式貨車的Cd以及車輛原始模型的側(cè)向力因數(shù)與聯(lián)接式通道模型的側(cè)向力因數(shù)的差值(ΔCs)。由圖14a 可知隨著側(cè)向風(fēng)風(fēng)速(vcross)的增加，原始車輛模型和聯(lián)接式通道模型Cd都是呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，這與文獻(xiàn)[24]結(jié)論相一致。同時(shí)可以看出在有側(cè)向風(fēng)和無側(cè)向風(fēng)環(huán)境下，通道模型的減阻效果都比原始模型的減阻效果好，其中在無側(cè)向風(fēng)環(huán)境下通道模型的Cd減小率為2.62%，在側(cè)向風(fēng)環(huán)境下通道模型的平均氣動(dòng)阻力因數(shù)減小率為3.47%。從14b 可以看出在大部分側(cè)向風(fēng)風(fēng)速下聯(lián)接式通道模型的側(cè)向力系數(shù)要小于原始模型，說明廂式貨車的聯(lián)接式通道大部分情況能夠改善車輛的側(cè)向穩(wěn)定性。

圖14 側(cè)風(fēng)環(huán)境下廂式貨車模型氣動(dòng)阻力因數(shù)以及與原始模型與通道模型側(cè)向力因數(shù)的差值

選取廂式貨車尾部距離車身尾部12 mm 和距離車底25 mm 處的一條直線進(jìn)行壓力分析，該直線在圖15a 中用紅色直線顯示。為更好說明聯(lián)接式通道模型的減阻效果，選取一種較低的vcross和3 種較高的vcross進(jìn)行詳細(xì)對比分析，圖15b—圖15e 是該直線受到的壓力(ptail)曲線圖,其中wcar為車輛寬度?？梢钥闯鲭S著vcross的增加，原始模型和聯(lián)接式通道模型車身尾部ptail都越來越低，并且在每種側(cè)風(fēng)風(fēng)速下聯(lián)接式通道模型的尾部ptail都要高于原始模型，說明打孔模型通過尾部的聯(lián)接式通道提高了廂式貨車尾部區(qū)域的壓力，從而減小了廂式貨車的氣動(dòng)阻力。

圖15 距車尾12 mm 和車底25mm 處的壓力曲線

圖16 是距離廂式貨車底部25 mm 平面處的速度流線圖，其中圖16a 為原始模型無側(cè)風(fēng)速度流線圖，其余為通道模型有側(cè)風(fēng)速度流線圖。從中可以看出，在不同側(cè)向風(fēng)風(fēng)速下聯(lián)接式通道模型的尾部都存在2 個(gè)大尾渦A 和B。氣流流經(jīng)聯(lián)接式通道后和側(cè)面氣流混合形成了小尾渦C 和D，并且旋轉(zhuǎn)方向與大尾渦A 和B的方向相反，一定程度上削弱了大尾渦A 和B。同時(shí)原始車輛兩側(cè)的渦A 和渦B 對稱分布，當(dāng)存在側(cè)向風(fēng)時(shí)，小尾渦C 和D 的存在使得大尾渦A 和B 遠(yuǎn)離車輛尾部。隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加，流經(jīng)聯(lián)接式通道的氣流和大尾渦A 和B 的回流氣流混合在車輛背風(fēng)側(cè)形成了小于尾渦C 的小尾渦E，小尾渦E 一定程度削弱了小尾渦C 的作用。隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加，尾渦A 和B 都靠近車輛尾部，同時(shí)背風(fēng)側(cè)尾渦A 不斷變?nèi)?，迎風(fēng)側(cè)尾渦B 不斷增強(qiáng)，同時(shí)流經(jīng)聯(lián)接式通道的氣流增多，誘發(fā)的小尾渦C 和D 相應(yīng)變大，對尾渦A 和B 的削弱作用增強(qiáng)。

圖16 距車底面25 mm 平面處的速度流線圖

進(jìn)一步，對原始模型以及上述幾種側(cè)風(fēng)環(huán)境下聯(lián)接式通道模型在距車底面25 mm 處水平截面的壓力做了計(jì)算分析，如圖17 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：原始模型無側(cè)向風(fēng)時(shí)(見圖17a)壓力對稱分布；隨著側(cè)向風(fēng)風(fēng)速的增大，通道模型車輛上表面、車輛尾部以及車輛背風(fēng)側(cè)的低壓區(qū)逐漸變大，車輛的側(cè)向壓差阻力變大，車輛的側(cè)向力變大，穩(wěn)定性降低(見圖17b—17d)。

圖17 距車底面25 mm 平面處的壓力云圖

4 結(jié) 論

為降低廂式貨車在行駛時(shí)的氣動(dòng)阻力，減小廂式貨車的能源消耗,基于GTS 車輛模型探究了聯(lián)接式通道基本參數(shù)如進(jìn)出口形狀、進(jìn)出口的尺寸大小、進(jìn)出口的位置,以及通道內(nèi)部的形狀對廂式貨車減阻效果的影響。

1) 建立的聯(lián)接式通道模型，能夠使廂式貨車側(cè)面的氣流通過聯(lián)接式通道進(jìn)入車輛尾渦區(qū)，將廂式貨車側(cè)面的高壓區(qū)和尾部的低壓區(qū)連接起來，從而提高了尾部低壓區(qū)的壓力。

2) 通過對不同模型進(jìn)行仿真，最終得到減阻效果最好的模型，即四邊形形狀、進(jìn)出口尺寸一致、位置在進(jìn)風(fēng)口距離尾部36 mm 和出風(fēng)口距離側(cè)面39 mm 處、直線型內(nèi)部通道，氣動(dòng)阻力因數(shù)(Cd)為0.494 2，側(cè)面氣流能夠較好地通過此減阻模型到達(dá)廂式貨車尾部，改善尾部的氣流流動(dòng)。

3) 隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加，原始模型和聯(lián)接式通道減阻模型的Cd都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。但用聯(lián)接式通道模型所有側(cè)風(fēng)環(huán)境下都具有較好的減阻效果，側(cè)風(fēng)環(huán)境下聯(lián)接式通道模型Cd減小3.47%，既使無側(cè)風(fēng)環(huán)境下也減小了2.62%。聯(lián)接式通道減阻方式可以提高車輛尾部低壓區(qū)的壓力，改善尾部的尾渦狀態(tài)，從而減小車輛的氣動(dòng)阻力，減少廂式貨車行駛時(shí)的能量消耗。