一種大型貨車車尾改裝節能方案的探究

摘要：大型貨車是形狀不規則的非流線型結構，其尾部為突然截尾式，氣動阻力較大，通過改善客車尾部的鈍頭結構，不但可以降低油耗，還可以提高貨車高速行駛的穩定性。文章利用有限元分析軟件Ansys對改裝前后的貨車進行模擬分析，結果表明，通過優化貨車尾部的結構形狀，可以有效地提高貨車的氣動特性，從而更加節能。

關鍵詞：非流線型；降低油耗；有限元分析；優化氣動特性

中圖分類號：U416 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）20-0095-02

空氣動力學指標是貨車最重要的參數之一，它對貨車的動力性、經濟性、操縱穩定性等有著極其重要的影響。隨著燃油價格的上漲和節能減排的要求，現今車身的設計將氣動性能指標作為出發點，可見，提高氣動特性對降低貨車的燃油率和提高節能指標有著非常重大的作用。貨車正常行駛時，尾部會形成漩渦，消耗大量的能量，可以通過改變貨車尾部形狀，阻礙漩渦的形成，從而降低油耗。

1 氣動阻力及其對貨車性能的影響

1.1 氣動阻力

氣動阻力是貨車在行駛的過程中，由于車身上部和下部結構差異所導致的上下氣流的不同而形成的直接阻礙了汽車運行的壓強差。氣動阻力由三部分組成，它們分別是摩擦阻力、形狀阻力和誘導阻力。形狀阻力主要與邊界層流態和脫體尾渦的出現等因素有關，是既不由粘性力，也不由升力直接引起的那部分阻力。壓差阻力主要取決于車身前方阻止氣流前進的壓力與車身尾部的壓力差。氣動阻力構成中，85%為壓差阻力，其余15%為摩擦阻力。壓差阻力的91%來自車身后部，9%來自車身前端。

1.2 氣動阻力對貨車性能的影響

貨車在行駛過程中和周圍空氣發生相對運動，空氣就會對貨車產生一個力，將這個力進行分解，可以得到升力、側向力和阻力。當車速在100km/h時，發動機80%的動力用來克服氣動阻力，此時，若將空氣動力學性能提高10%，油耗就會降低4%～5%。重量輕的汽車，特別是重心靠后的貨車，對前輪的升力特別敏感，為避免重心偏移產生翻車現象，在設計階段應充分考慮升力的影響。氣動阻力的主要影響因素為迎風投影面積和氣動阻力系數，研究表明，減小氣動阻力系數，能有效減小氣動阻力，從而明顯降低油耗。

2 貨車流場有限元分析

2.1 條件設定

由流體力學可知，當馬赫數Ma<0.3時，流體所受的壓力不足以壓縮流體，僅會造成流體的流動，在此狀況下，流體密度不會隨壓力而改變，此種流場稱為亞音速流（Subsonic flow），流場可視為不可壓縮流場。因車速與音速相比相對較小，即馬赫數較小，因此模型可以簡化為不可壓縮流體處理。貨車運行過程中的流動雷諾數為106量級或更大，所以貨車繞流模型可以當作湍流來處理。

2.2 網格劃分

利用Ansys中的flotran模塊將模型劃分為fluid 141單元，由于網格在很大程度上決定著模擬結果的精度，建模過程中，在敏感區域網格劃分較密，遠離車身的其他部位網格劃分較疏，采用自動劃分的方法。

2.3 現象觀察

圖1

從圖1中可觀察到，尾部氣流比較紊亂，有兩個逆向的漩渦，在離尾部一段距離后，漩渦逐漸消失。

3 漩渦現象解釋

由伯努利方程可知，流速大的地方壓強較小，流速小的地方，壓強較大。貨車底部壓強較大，流速較小，由于貨車的側面比較光滑，流速較高，壓強低。這樣，底部的氣流向上運動，與側面的氣流相疊加，就會形成一對旋向相反的螺旋流。貨車在高速行駛時，前圍直接沖擊前方氣流，使得貨車的一部分動能轉化為壓力能，形成正壓區，尾部渦系的存在，使其成為負壓區。

4 漩渦對貨車運行性能的影響

貨車前后兩部分壓強分布不對稱就會形成壓差阻力，壓差阻力很大程度上取決于尾部漩渦區域大小及其內部的壓強大小，尾渦區域越大，壓差阻力就越大，反之就越小。而尾渦區的大小又取決于分離點的位置，流線體的分離點接近物體尾部，從而有較小的尾渦區，但廂式貨車的壓差阻力很大，一般占總的氣動阻力的80%以上。壓差阻力越大，貨車的氣動系數也越大，貨車的能耗增加。貨車尾部由于氣體的粘性消耗，漩渦逐漸消失，大尺度漩渦的形成和消散使得氣流的能耗增加，也會增加氣動阻力，從而增加貨車的能耗。同時，車尾后頂緣附近出現的由于氣流分離產生的負壓還會影響貨車的升力，從而影響貨車行駛的穩定性。

5 車尾改裝優化

將貨車截尾式尾部改裝成光滑的流線走勢，能有效減小渦流。

圖2

要改善貨車的氣動性能，就必須控制尾部漩渦的強度，減弱它的湍流程度，降低氣流的湍流能量消耗，可以減小氣動阻力，降低油耗。通過多次試驗可知，三角形、雙弧形等結構都可以有效減少漩渦的產生。

6 結語

本文通過對貨車鈍頭式尾部產生的漩渦進行了詳細的分析和解釋，通過對不同形狀的貨車尾部流場進行有限元模擬分析，得出通過優化貨車尾部的結構及形狀，不僅能改善汽車的動力性、提高汽車的燃料經濟性，而且也能提高汽車的操縱穩定性，保證行車安全。

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作者簡介：李景（1992—），男，浙江臺州人，武漢大學本科在讀學生，研究方向：機械設計制造及其自

動化。