林長(zhǎng)波，許恩永，馮高山，展 新

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西柳州545005）

近年來(lái)，隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)快遞的轉(zhuǎn)運(yùn)效率要求越來(lái)越高，很多卡車生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)發(fā)了一系列的重型快速物流車，該系列快速物流車的特點(diǎn)是車廂容積大（迎風(fēng)面積達(dá)到8～12 m2），平均車速達(dá)到了80～100 km/h.當(dāng)車速達(dá)到90 km/h時(shí)，空氣阻力占車輛總行駛阻力比重的1/3，這就意味著車輛在行車過(guò)程中消耗1/3的燃油用于克服空氣阻力[1]。而物流行業(yè)因其行業(yè)特點(diǎn)對(duì)卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性要求頗高。國(guó)內(nèi)的一些卡車生產(chǎn)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)展如何降低重型載貨車的整車空氣阻力研究，如盛輝物流公司研究開(kāi)發(fā)的掛車側(cè)護(hù)裙已成功申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。

本文主要運(yùn)用仿真分析的方法，對(duì)某重型快速物流車的車掛匹配進(jìn)行數(shù)值模擬，得到整車風(fēng)阻系數(shù)及詳細(xì)的流場(chǎng)信息，并對(duì)該車的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化分析，較大幅度的降低了整車的風(fēng)阻系數(shù)，為該款車型的拖車、掛匹配設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1　計(jì)算模型及邊界條件

1.1　理論基礎(chǔ)

空氣動(dòng)力學(xué)遵循流體力學(xué)的三個(gè)基本方程，各基本方程如下：

（1）連續(xù)方程

（2）動(dòng)量方程

（3）能量方程

（4）湍流動(dòng)能k方程

式中：v為平均速度，vi為平均速度分量，xi為坐標(biāo)分量，T為溫度，K為流體傳熱系數(shù)，CP為比熱容，ST為流體內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分，k為湍流動(dòng)能，ε為湍流動(dòng)能耗散率，μkeff為湍流有效黏性系數(shù)，ρ為空氣密度，Γkeff表示湍流動(dòng)能有效擴(kuò)散系數(shù)，Γεeff表示湍動(dòng)能黏性耗散有效擴(kuò)散系數(shù)[2]。

對(duì)于空氣而言，馬赫數(shù)小于0.3的，均可認(rèn)為不可壓縮流動(dòng)[3]。該車的車速僅為90 km/h（25 m/s），馬赫數(shù)小于0.1，故可認(rèn)為汽車外流場(chǎng)屬于不可壓縮空氣的鈍體繞流，通常不考慮能量方程求解。

1.2　3D幾何模型

本文以國(guó)內(nèi)某款重卡為計(jì)算模型，并確定了以下幾個(gè)優(yōu)化措施，如圖1～圖5所示。為了減小計(jì)算量，采取機(jī)艙封閉的方法（不考慮該車的內(nèi)循環(huán)阻力），同時(shí)為了提高模型的網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)一些對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量影響較大且對(duì)流場(chǎng)影響較小的細(xì)節(jié)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，如車架和車輪等。

圖1　原車

圖2　車廂前端圓角化

圖3　可調(diào)高度導(dǎo)流罩

圖4　尾部擾流板

圖5　側(cè)護(hù)裙

1.3　網(wǎng)格模型

外流場(chǎng)，入口距整車前端距離為2.5倍車長(zhǎng)，出口距車尾為6倍車長(zhǎng)，高度為5倍車高，左右各為2.5倍車寬，體網(wǎng)格采用Trimmer網(wǎng)格，邊界層為4層，近壁層厚度為1 mm，并在車尾、后視鏡等區(qū)域進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格總數(shù)為3 538萬(wàn)。

圖6　網(wǎng)格模型

1.4　湍流模型及邊界條件

湍流模型選擇Reliable k-e模型，該湍流模型能較好的模擬了邊界層的流動(dòng)情況，在外流場(chǎng)的模擬計(jì)算中應(yīng)用較為廣泛[4]。

根據(jù)該車規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)車速為85～95 km/h，設(shè)置外流場(chǎng)入口邊界為速度入口邊界，出口邊界為壓力出口邊界，其中，入口速度V=90 km/h，出口相對(duì)壓力Pref=1 013 mbar；整車表面采用非滑移壁面，地面采用移動(dòng)邊界，速度與車速一致，即V1=90 km/h，外流場(chǎng)其余邊界均設(shè)置為滑移邊界。

2　計(jì)算結(jié)果及分析

2.1　阻力系數(shù)

圖7為氣動(dòng)阻力系數(shù)的變化趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，方案一車廂前端面圓角化對(duì)降低風(fēng)阻系數(shù)作用尤為明顯，增加掛車尾部擾流板次之，而更換可調(diào)高導(dǎo)流罩及增加掛車側(cè)護(hù)裙降阻作用并不十分明顯；空氣阻力與Cd×A成正比，在整車正投影面積A不變的情況下，故Cd越大，空氣阻力越大，能耗越高。

圖7 氣動(dòng)阻力系數(shù)減小的效果

2.2　流場(chǎng)分析

圖8～圖9為原車及車廂前端圓角化方案壓力云圖對(duì)比。原車狀態(tài)車廂前端面形成的正高壓區(qū)面積明顯要比車廂前端圓角化方案大，是導(dǎo)致其風(fēng)阻系數(shù)較大的主要原因；車廂圓角化后，流過(guò)駕駛室側(cè)面的大部分氣流能平滑過(guò)渡到車廂側(cè)壁，達(dá)到沿車廂表面貼體流動(dòng)的最優(yōu)流動(dòng)狀態(tài)，如圖11～圖12所示，也是其風(fēng)阻系數(shù)降低較為明顯的主要原因之一。

圖10為優(yōu)化導(dǎo)流罩后的整車壓力云圖。由于該掛車車廂較高，原車設(shè)計(jì)的頂導(dǎo)流罩并未對(duì)車廂前端形成良好的保護(hù)。與圖9相比，導(dǎo)流罩調(diào)高后，避免了來(lái)流對(duì)車廂正表面沖擊，車廂前端面的正壓區(qū)已明顯減小，降低了風(fēng)阻。可見(jiàn)，可調(diào)高度頂導(dǎo)流罩的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)對(duì)于不同高度車廂的適應(yīng)性較好。

圖8　原車壓力云圖

圖9　車廂前端圓角化方案壓力云圖

圖10　可調(diào)高度導(dǎo)流罩方案壓力云圖

圖11　原車流線圖

圖12　車廂前端圓角化方案流線圖

駕駛室與車廂之間的距離及車廂尾部渦流對(duì)卡車風(fēng)阻的影響很大，減小車廂尾部的低壓區(qū)對(duì)降低阻力作用尤為明顯。如圖13～圖14，增加車廂尾部擾流板并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)減小車廂尾部的低壓區(qū)效果較為明顯；經(jīng)驗(yàn)證，尾部擾流板的角度和寬度對(duì)整車風(fēng)阻較為敏感，對(duì)尾部擾流板進(jìn)行降阻敏感度計(jì)算驗(yàn)證：車廂后擾流板的的最佳角度應(yīng)控制在10～15°，擾流板的寬度在0.3～0.5 m之間，通過(guò)增加掛車尾部擾流板可實(shí)現(xiàn)整車風(fēng)阻降低6%～8.5%.新的GB1589法規(guī)已明確掛車尾部擾流板的長(zhǎng)度不計(jì)入整車長(zhǎng)度，相信不久的將來(lái)，能實(shí)現(xiàn)良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能的車廂尾部擾流板將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

圖13　等值面壓力云圖

圖14 增加掛車尾部擾流板等值面壓力云圖

圖15～圖16為有無(wú)掛車側(cè)護(hù)裙?fàn)顟B(tài)車底盤的流動(dòng)矢量對(duì)比，增加掛車側(cè)護(hù)裙后，可以避免部分側(cè)面的氣流沖擊掛車底部和掛車后輪、后軸。理論上，掛車側(cè)護(hù)裙對(duì)側(cè)風(fēng)工況降阻效果更為明顯，掛車側(cè)護(hù)裙在國(guó)外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

圖15　無(wú)掛車側(cè)裙?fàn)顟B(tài)

圖16　增加掛車側(cè)裙?fàn)顟B(tài)

3　結(jié)束語(yǔ)

節(jié)能與環(huán)保是當(dāng)今汽車工業(yè)的一個(gè)重大課題，而采用CFD仿真分析進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)性能研究的方法已經(jīng)成為整車前期開(kāi)發(fā)、優(yōu)化匹配其氣動(dòng)性能的有效手段之一，分析結(jié)果表明：

（1）車廂前端圓角化對(duì)重型載貨廂式車降阻作用較為明顯，可實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)阻15.6%；

（2）以仿真指導(dǎo)可調(diào)高導(dǎo)流罩的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)降阻約3%，大大地縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期；

（3）以仿真指導(dǎo)車廂后擾流板的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，并進(jìn)行風(fēng)阻敏感度優(yōu)化分析，找出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案并最終實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)阻8.13%；

（4）增加掛車側(cè)護(hù)裙可實(shí)現(xiàn)降低整車風(fēng)阻4.2%，但掛車側(cè)護(hù)裙仍存在一定的優(yōu)化空間，需在成本與降阻效果上做一個(gè)權(quán)衡。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐佳奕.某載貨汽車空氣動(dòng)力學(xué)減阻研究[D]長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

[2]董立偉，趙玉軍，劉 肖，等.基于STAR-CCM+的重型牽引車外流場(chǎng)分析及優(yōu)化[C]//Star CCM+中國(guó)用戶大會(huì)論文，2015.

[3]陳存福，李 勝，胡金蕊.導(dǎo)流罩對(duì)不同貨箱形式重型汽車空氣阻力的影響[C]//Star CCM+中國(guó)用戶大會(huì)論文，2015.

[4]劉 暢，劉 方，安忠柱.空氣動(dòng)力學(xué)在重型載貨汽車上的新進(jìn)展[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2007，34（5）：2-3.