高偉，余偉，吳永興，羅金濤，郝金龍

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車動力傳動與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 十堰442002）

隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，汽車隊列行駛成為未來智能交通系統(tǒng)中主要的行駛模式，研究隊列行駛車輛的氣動特性，對自動駕駛系統(tǒng)最優(yōu)減阻設(shè)計以及制定行車安全距離規(guī)范等具有重要的意義［1］。高速行駛時，汽車的氣動特性不僅關(guān)乎動力性，還關(guān)系到燃油經(jīng)濟(jì)性。相關(guān)研究表明，車輛隊列行駛不僅可以提升道路的運(yùn)輸效率，還可以改善汽車的氣動特性，從而降低空氣阻力提高其燃油經(jīng)濟(jì)性［2］。2004 年Fred Browand 等人進(jìn)行了2 輛貨車隊列行駛的道路試驗(yàn)，當(dāng)間距為3 m和4 m 時，前車油耗減少了9%，后車油耗減少了11%，隊列行駛的平均油耗減少了10%；當(dāng)間距為8 m和10 m時，隊列行駛的平均油耗減少了8%［3］。2009 年Richard Ramakers 等人在沒有增加高速公路輔助設(shè)施的情況下，在德國高速公路上進(jìn)行了4輛間距為10 m的貨車隊列行駛數(shù)千公里的道路試驗(yàn)，隊列行駛車輛的燃油消耗降低了約10%［4］。2013 年日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）公開展示了4輛貨車以車速80 km·h?1、車距為4 m的列隊行駛技術(shù)成果，表明縮短車距可以減少中間車輛受到的空氣阻力，使隊列行駛的4輛卡車的平均燃效提高15%以上［5］。2013年Arturo Davila等人通過計算流體動力學(xué)仿真研究了由2 輛貨車（Volvo FH2）、3 輛轎車（Volvo S60、Volvo V60、Volvo XC60）組成的隊列行駛車輛在間距分別為3 m、6 m、15 m 時的氣動特性，結(jié)果表明每輛車的空氣阻力系數(shù)均隨著間距的減小而降低，最大可降低20%；道路試驗(yàn)的結(jié)果表明最前面的車輛節(jié)省8%的燃油，后面的車輛節(jié)省約16%的燃油［6］。我國在隊列行駛車輛氣動特性方面的研究起步較晚，2006年傅立敏等采用數(shù)值模擬方法對隊列行駛車輛的氣動特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隊列行駛車輛的氣動阻力系數(shù)隨車間距離的減小而降低；當(dāng)車間距不變時，隨著隊列中車輛數(shù)目的增加，每輛車的氣動阻力系數(shù)均降低，隊列行駛車輛的平均阻力系數(shù)可降低20%～30%，阻力最小的車處于車隊的中心位置［7］。王靖宇等對隊列行駛的3 輛汽車的外流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，當(dāng)3 輛汽車行駛間距相同時，平均氣動阻力低于單車行駛時的阻力，且中間車輛的阻力最低，最前面車輛的阻力最大，中間車輛的阻力隨著間距的減小而降低；當(dāng)隊列行駛車輛的間距不等時，平均氣動阻力低于單車行駛阻力，最后面車的位置變化對中間車輛氣動阻力影響較大，對最前面的車的氣動阻力影響較小［8］。許香港對側(cè)風(fēng)及車輛間距對隊列行駛貨車的影響進(jìn)行了CFD分析，結(jié)果表明，兩車和三車隊列行駛的平均油耗分別降低了8.93%和15.01%［9］。李姝紅對兩車、三車隊列行駛空氣動力學(xué)特性進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，兩車隊列行駛的平均節(jié)油率為2%～6%，且節(jié)油率隨著間距的減小而增大；三車隊列行駛的平均節(jié)油率為2.5%～8%，效果優(yōu)于兩車。通過研究車速對隊列行駛車輛節(jié)油效果的影響表明，當(dāng)車速在16～34 m·s?1時，前后車的節(jié)油率分別為0.7%～1.8%和2.6～5.8%［10］。文中旨在研究車輛數(shù)目、車輛縱向間距對隊列行駛貨車氣動特性的影響。

1 單車外流場的數(shù)值模擬

1.1 幾何模型的建立

研究對象為某箱式貨車，長L為5.5 m，寬W為1.6 m，高H為2 m。由于計算機(jī)硬件資源的限制，對貨車車身進(jìn)行了簡化處理，省略了前后橋、排氣系統(tǒng)、后視鏡、門把手、懸架系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等對貨車空氣動力學(xué)特性影響不大的部分裝置。此外，在不考慮側(cè)風(fēng)的情況下，貨車外流場左右對稱，為了節(jié)省計算資源，文中利用Catia 軟件建立了1：10的貨車半模模型，如圖1所示。

圖1 貨車三維模型

1.2 計算域的建立及網(wǎng)格劃分

在對車身的外流場進(jìn)行數(shù)值模擬時，合適的流體區(qū)域?qū)τ谟嬎憔戎陵P(guān)重要，為使來流均勻穩(wěn)定、尾流充分發(fā)展以及避免計算域過小產(chǎn)生回流，設(shè)置入口距離車頭的尺寸為3L，出口距離汽車車身尾部為7L，頂面距離車身上部為4H，側(cè)面距離車身側(cè)面為5W，長方體的計算域如圖2a所示。

圖2 單車外流場計算域及其網(wǎng)格

應(yīng)用Ansys Meshing 對單車外流場計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2b所示，網(wǎng)格類型為“四面體+三棱柱”非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格，車身表面的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.01 m，在貨車車身表面添加了三棱柱網(wǎng)格以模擬車身表面的邊界層，設(shè)置第1層厚度為0.001 m，增長率為1.2，層數(shù)為5，利用設(shè)置密度盒對車身周圍的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密以提高計算精度，密度盒內(nèi)網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.08 m。

1.3 邊界條件及求解器的設(shè)置

邊界條件的設(shè)置在數(shù)值模擬計算中尤為重要，關(guān)系到整個數(shù)值計算結(jié)果是否收斂、仿真與試驗(yàn)的差異，邊界條件的具體設(shè)置見表1。湍流模型選用Realizable k-ε 模型，空間離散格式采用二階迎風(fēng)格式，采用Simple 算法進(jìn)行迭代，計算殘差值設(shè)為1×10-6，迭代步數(shù)為2000步。

表1 邊界條件的設(shè)置

1.4 仿真結(jié)果分析

圖3 縱向?qū)ΨQ面壓力系數(shù)和速度矢量分布圖

通過仿真計算求得單車的氣動阻力系數(shù)為0.79，單車縱向?qū)ΨQ面壓力系數(shù)分布和速度矢量分布如圖3所示。從圖3a可以看出，氣流流經(jīng)貨車車頭和車廂前上部時受到阻礙，發(fā)生了阻滯現(xiàn)象，形成了正壓區(qū)，在車廂尾部發(fā)生了氣流分離而形成了負(fù)壓區(qū)，貨車前部的壓力大于后部的壓力，從而產(chǎn)生了壓差阻力。由圖3b 可知，氣流由于受到車頭的阻擋，速度迅速降低并接近于0 m·s-1，形成阻滯區(qū)域；受阻的氣流分成2 個部分，一部分氣流向上沿著駕駛室爬升，另一部分氣流進(jìn)入車底。由于車廂比駕駛室高，車廂前部突出部分阻擋了氣流流動，氣流在駕駛室頂部發(fā)生了分離，氣流的速度快速升高導(dǎo)致壓力下降，形成了較大的渦流。氣流沿著駕駛室頂部向后流動時，由于受到車廂的阻擋，在車廂的前上部形成阻滯區(qū)域，使壓力增加；當(dāng)氣流沿著車廂頂部向后流動時，在車廂的前頂部發(fā)生了分離后再次附著，導(dǎo)致該處壓力下降。車廂頂部的氣流一直流到貨車尾部并與來自車底、車身兩側(cè)的氣流匯合形成上下2個旋渦，旋渦消耗了大量的能量，使貨車的氣動阻力較大。

2 車間距對貨車氣動特性的影響

2.1 研究方案的確定

為了研究車間距對隊列行駛汽車氣動特性的影響，確定了如表2 所示的計算方案。利用Catia軟件建立了不同間距下兩車隊列行駛貨車的幾何模型，長方體計算域的尺寸設(shè)置為：入口距離第1輛車前部為3L，出口距離第2 輛車尾部為7L，頂面距離車身上部為4H，側(cè)面距離車身側(cè)面為5W，兩車在0.5L間距下隊列行駛的計算域如圖4 所示。不同間距下兩車隊列行駛時網(wǎng)格劃分參數(shù)的設(shè)置、邊界條件及求解參數(shù)的設(shè)置均與單車外流場數(shù)值模擬保持一致。

表2 計算方案

圖4 車間距為0.5L時兩車隊列行駛的計算域

2.2 車間距對氣動阻力系數(shù)的影響分析

圖5 兩車隊列行駛氣動阻力系數(shù)比與車間距的關(guān)系

14種不同車間距下兩車隊列行駛時各車的氣動阻力系數(shù)比與車間距的關(guān)系見圖5a。由圖5a可知：當(dāng)車間距與車身長比值為0.25～5時，兩車氣動阻力系數(shù)均小于單車氣動阻力系數(shù)；當(dāng)車間距與車身長比值為0.25～0.75 時，后車氣動阻力系數(shù)始終大于前車氣動阻力系數(shù)，且前車氣動阻力系數(shù)隨著間距的減小而減小，后車氣動阻力系數(shù)隨著間距的減小而增大；當(dāng)車間距與車身長比值大于0.75 時，后車氣動阻力系數(shù)始終小于前車氣動阻力系數(shù)。兩車隊列行駛的平均氣動阻力系數(shù)比與車間距的關(guān)系如圖5b 所示。由圖5b可以看出，當(dāng)車間距與車身長比值為0.25～5 時，兩車隊列行駛的平均阻力系數(shù)均小于單車氣動阻力系數(shù)，且當(dāng)車間距與車身長比值為0.5時，平均阻力系數(shù)最小。由此可見隊列行駛車輛設(shè)置合理的間距，有利于減小氣動阻力，提高其燃油經(jīng)濟(jì)性。

3 車輛數(shù)目對貨車氣動特性的影響

研究車輛數(shù)目對隊列行駛車輛氣動特性的影響可以預(yù)測不同方案高速公路吞吐量的變化情況，為汽車控制系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的數(shù)據(jù)參考。

3.1 仿真方案的確定

為了研究車輛數(shù)目對于隊列行駛貨車氣動特性的影響規(guī)律，將車輛數(shù)目作為研究變量。智能交通系統(tǒng)中自動駕駛的隊列行駛車輛可以利用車載控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)近距離行駛，故仿真中隊列行駛貨車間距為1L，車輛數(shù)目分別為2～5。在Catia 軟件中建立了不同車輛數(shù)目的隊列行駛貨車的幾何模型，計算域均為長方體，入口距離第1 輛車的前部為3L，出口距離最后一輛車的尾部為7L，頂面距離車身上部為4H，側(cè)面距離車身側(cè)面為5W，三車隊列行駛的計算域如圖6所示。網(wǎng)格劃分參數(shù)的設(shè)置、邊界條件及求解參數(shù)的設(shè)置均與單車外流場數(shù)值模擬保持一致。

圖6 三車隊列行駛的計算域

3.2 車輛數(shù)目對氣動阻力系數(shù)的影響分析

2～5 輛貨車隊列行駛時隊列中各車的阻力系數(shù)比如圖7a 所示。由圖7a 可知，各隊列中第1 輛車的阻力系數(shù)受車輛數(shù)目的影響不大，并與單車氣動阻力系數(shù)較接近，隨著車輛數(shù)目的增加，隊列中其他車輛的阻力系數(shù)均小于單車阻力系數(shù)。2～5輛貨車隊列行駛的平均阻力系數(shù)比如圖7b 所示。由圖7b可以看出，隨著車輛數(shù)目的增加，隊列的平均阻力系數(shù)下降，但隨著隊列中車輛數(shù)目的增加，平均阻力系數(shù)下降的幅度減小。

圖7 不同數(shù)目車輛隊列行駛的平均氣動阻力系數(shù)比

圖8 隊列行駛車身表面及地面壓力系數(shù)分布圖

圖8 為單車及多車隊列行駛車身表面及地面壓力系數(shù)分布云圖，由圖8a可以看出，兩車隊列行駛時，由于兩車流場之間的相互作用使前車尾部的壓力升高，后車頭部的壓力下降，從而降低了前車及后車的壓差阻力，使其氣動阻力系數(shù)下降。三車、四車、五車隊列行駛時，中間車輛的氣動阻力系數(shù)基本上都低于隊列中頭車和尾車的氣動阻力系數(shù)，主要是由于前車的存在使中間車輛的頭部壓力降低，后車的存在使中間車輛尾部的壓力升高。

4 結(jié)論

1）當(dāng)車間距與車身長的比值為0.25～5 時，行駛隊列中兩車的氣動阻力系數(shù)均小于單車的氣動阻力系數(shù)；當(dāng)車間距與車身長的比值為0.5時，隊列行駛車輛平均氣動阻力系數(shù)最小。

2）隊列中第1 輛車的阻力系數(shù)受車輛數(shù)目的影響不大，隨著車輛數(shù)目的增加，隊列中其他車輛的阻力系數(shù)均小于單車阻力系數(shù)，隨著車輛數(shù)目的增加，隊列的平均阻力系數(shù)最多可降低10.38%。