載貨汽車貨箱型式變化對空氣阻力的影響分析

張國棟 張春英 韓永成 宋春麗 劉興源

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

汽車在行駛中受到的阻力有滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、坡道阻力Fi和加速阻力Fj等4種阻力[1]。載貨汽車貨箱型式變化后，受影響最大的是空氣阻力Fw。本文以裝配典型的3種貨箱型式的載貨汽車為對象，通過CFD模擬分析對其進行空氣阻力分析，以研究貨箱型式變化對整車空氣阻力的影響。

2 空氣阻力CFD分析

空氣阻力是指車輛在空氣介質中運動時空氣對車輛在前進方向上所產生的阻力。空氣阻力主要由車身外形構成的形狀阻力、車體突出物構成的干擾阻力、車內冷卻通風系統構成的內循環阻力、車體與空氣之間的摩擦阻力等組成。除內循環阻力外，其他阻力都與車身外形有關。在汽車動力學中，空氣阻力[1]為:

式中，A為迎風面積，即汽車行駛方向的投影面積；ua為汽車行駛速度。

公式（1）中CD為空氣阻力系數，又稱為流線型系數，它是表明汽車外部形狀、車體突出物、空氣摩擦、車內通風等各種因素對空氣阻力的綜合影響程度，CD值小，空氣阻力就小。因此，測定汽車的CD值對開發汽車產品具有重要意義。精確測定汽車的CD值，通常要在風洞中進行試驗。考慮到建造風洞費用及試驗能耗較高而不易普遍應用，因此本文通過空氣動力學模擬分析獲得CD的數值。

公式（1）主要考慮整車的迎風面積和外部流線型程度，對整車所受的空氣紊流考慮不多，而載貨汽車貨箱引起的空氣紊流對空氣阻力的影響不容忽視。因此，本文主要從空氣紊流的角度研究載貨汽車貨箱型式變化對空氣阻力的影響。

2.1 分析模型

分析模型是以某4×2載貨汽車底盤為基礎，匹配普通欄板式貨箱、封閉式貨廂和倉柵箱3種不同型式的貨箱，如圖1所示。3種模型的貨箱長度、寬度及水平安裝位置均相同，其中普通欄板式貨箱內高400 mm，封閉式貨廂及倉柵箱內高均為2200 mm。

計算采用1:1的三維數據模型（3種模型底盤數據相同，僅貨箱部分不同），為真實模擬空氣阻力情況，模型的后視鏡、油箱、蓄電池、儲氣筒、輪胎等車外主要附件均未做簡化。計算過程以常用車速 80 km/h（即風速 22.2 m/s）、溫度 20℃的工況進行。

按照CFD流體動力學的計算方法建立計算模型，用數值方法求解，從而得出空氣阻力計算結果。圖2為模型縱向中心對稱面外廓測量點微孔布置圖。因各模型底盤數據相同，即模型下表面阻力分布規律相似，所以著重分析模型上表面即車箱周圍的阻力情況。

2.2 空氣壓力分布比較

3種整車表面空氣壓力分布云圖如圖3所示。

a.由圖3a可知，普通欄板式貨箱整車壓力分布比較集中，其主要分布在駕駛室前部、貨箱內部及尾部。貨箱內部空氣速度變化相對較大；貨箱尾部空氣速度較低，形成局部負壓區。

b.由圖3b可知，封閉式貨廂整車的駕駛室前部和貨廂前部露出部分存在壓力較大的區域。由于駕駛室和車廂存在高度差，一部分繞過駕駛室頂部渦流區的氣流直接沖擊廂體的迎風面，形成正壓區。流過該區域后，氣流附著在廂體表面向后流動，最后匯入車廂尾部氣流中，在壓強差的作用下形成下卷渦流。由于渦流消耗大量的能量，因此尾部渦流區內表現為較強的負壓。

c.由圖3c可知，倉柵箱整車的駕駛室前部、貨箱前板的前后表面露出部分及后板前后表面均存在壓力較大區域。與封閉式貨廂整車相同，倉柵箱整車的駕駛室和車箱之間同樣存在高度差，因此繞過駕駛室頂部渦流區的氣流沖擊箱體的迎風面，從而生成正壓區。流過該區域后，氣流附著在箱體前板內表面，與車箱內壓強較小的氣流形成渦流，從而生成負壓區。向后流動的氣流在車箱后板內表面形成較大渦流區，然后匯入車箱尾部氣流中形成下卷渦流。由于其相對封閉式貨廂增加了2個較大的渦流區，因此倉柵箱整車受到更大的空氣阻力。

3種模型中心對稱面上的壓強分布如圖4所示。由圖4可知，3種整車駕駛室部分的空氣阻力相近，車箱部分的空氣阻力差別較大。普通欄板式貨箱所受阻力相對較小；封閉式貨廂由于受力面積大，阻力增大較多；倉柵箱受力面積也大，且因車箱前、后內板受到阻力作用，所以阻力最大。

2.3 空氣矢量分布比較

不同空氣流動方向導致所受阻力也不同，3種整車周圍空氣矢量及速度分布如圖5所示。

a. 由圖5a可知，普通欄板式貨箱整車的貨箱內部及尾部氣流方向變化較大，流過發動機艙的氣流在貨箱前部存在方向突變。由于貨箱后板較低，流入貨箱內部的氣流大部分可平穩流出。

b.由圖5b可知，封閉式貨廂整車的貨箱上部及尾部空氣方向變化較大，局部存在渦流區。

c.由圖5c可知，倉柵箱整車的貨箱上部、內部及尾部氣流方向變化頻繁，存在較大渦流區。

3種模型輸入的空氣速度相同，模型中心對稱面周圍的空氣速度分布如圖6所示。由圖6可知，3種整車駕駛室前部空氣速度相近，駕駛室上部及車箱周圍空氣速度較高。相對于普通欄板式貨箱，封閉式貨廂和倉柵箱前部暴露部分阻礙了氣流流動，在車頂后緣形成速度較高的回流區，同時車箱周圍的空氣速度也存在明顯變化，尤其是進入倉柵箱內部的氣流方向和速度均變化較大。

2.4 空氣流線分布比較

空氣流動路線的不同導致車箱前、后阻力有所差異，3種整車周圍空氣流線分布如圖7所示。

a.由圖7a可知，普通欄板式貨箱整車周圍空氣流線平直穩定，無較大紊流區。受貨箱前保險杠影響而形成局部渦流區，但影響較小。

b.由圖7b可知，封閉式貨廂整車周圍空氣流向變化較大。駕駛室頂部氣流由于貨廂的阻擋，形成規則的渦流；貨廂尾部存在渦流區，但形狀不規則，該渦流區主要由流過整車底部的空氣引起。

c.由圖7c可知，倉柵箱整車周圍空氣流向混亂。駕駛室頂部存在渦流區；貨箱頂部及側面進入較多流動空氣，貨箱內部空氣流線雜亂無章。

3種模型輸入的風量相同，模型中心對稱面上直接作用于車箱的風量見表1（按起作用的風量占輸入風量的百分比表示）。由表1可知，普通欄板式貨箱周圍風量相對較小，雖然有少量進入車箱，但平穩流出后影響不大；封閉式貨廂所受風量主要集中在貨箱前端高出駕駛室位置處，其風量較大；倉柵箱在前端高出駕駛室位置處所受風量幾乎與封閉式貨廂相同，然而氣流繞過車箱前板后又進入車箱內部進行作用，因此其影響整個車箱的風量相當于封閉式貨廂所受風量的2倍。

表1 縱向中心對稱面風量數據

2.5 空氣阻力值比較

CFD模擬計算得，3種整車空氣阻力相關參數見表2。

表2 空氣阻力相關參數

由公式（1）計算出3種整車所受空氣阻力如圖8所示。

由計算結果可以看出，普通欄板式貨箱整車的迎風面積和空氣阻力系數都較小，因而空氣阻力最低，尤其是將貨箱封閉后，減少了空氣紊流的影響，空氣阻力系數進一步減小，經計算當車速為80 km/h時，空氣阻力可降低約7%，可見用普通欄板式貨箱運送體積較小的貨物時（未填滿貨箱），有必要在貨箱上方覆蓋苫布，形成封閉廂；對于封閉式貨廂整車，貨廂高度增加導致其迎風面積較大，盡管空氣阻力系數相對普通欄板式貨箱整車有所降低，但整體空氣阻力增加較大，當車速為80 km/h時，空氣阻力增加約30%，需采取增加車頂導流罩、貨廂尾部增加導流裝置、采用流線型貨廂等措施減小阻力；倉柵箱整車的迎風面積和空氣阻力系數都較大，因而空氣阻力最大，當車速為80 km/h時，空氣阻力相對普通欄板式貨箱整車增加約90%，其空氣阻力系數遠大于所對應的封閉式貨廂整車，可見其空氣紊流影響明顯。所以倉柵箱整車無論空載和滿載均需使用苫布覆蓋貨箱以形成封閉貨廂，同時增加車頂導流罩，降低車箱前部阻力，或貨箱兩側護欄用苫布封閉以減少從側向進入貨箱的空氣量。

3 試驗驗證

以某4×2載貨汽車底盤（與計算模型相同）為基礎，分別匹配普通欄板式貨箱、封閉式貨廂和倉柵箱3種不同型式的貨箱，通過實車試驗比較整車阻力情況。3種整車試驗總質量一致，試驗環境相同。

3.1 滑行試驗比較

整車滑行試驗驗證的是整車的總體阻力情況。在試驗場水平路面上，將汽車加速到一定速度，然后脫擋讓汽車直線滑行，此過程中忽略軸承處的摩擦。滑行試驗結果曲線如圖9所示。由滑行試驗數據及其他已知條件可以求出整車行駛阻力，比較圖如圖10所示。有內胎輪胎的滾動阻力為:

式中，W=12000 kg；fk=0.005575；va為常用車速。

整車滾動阻力計算結果見表3；整車行駛阻力減滾動阻力即為空氣阻力，因此得整車空氣阻力如圖11所示；車速為80 km/h時的空氣阻力見表4。

表3 滾動阻力計算結果

表4 車速80 km/h時整車空氣阻力

由于試驗采用的是同一載貨汽車底盤換裝不同的貨箱，即滾動阻力不變，所以整車滑行試驗結果直接體現的是空氣阻力的差異。由圖9可知，普通欄板式貨箱整車空氣阻力最低；封閉式貨廂整車空氣阻力有所增大，當車速為80 km/h時，空氣阻力增大24%；倉柵箱整車空氣阻力遠高于其他兩種整車，空氣阻力比普通欄板式貨箱整車增大87%。

3.2 動力性試驗比較

動力性試驗驗證的是整車的動力性能水平。由于進行試驗的3種整車所用底盤沒變，也就是發動機所提供的驅動力不變，滾動阻力不變，因此動力性好反映出其空氣阻力小、動力性差反映出其空氣阻力大。由最高擋加速試驗結果（圖12）可見，車速由50 km/h加速至80 km/h過程中，普通欄板式貨箱整車加速時間最短，動力性最好；封閉式貨廂整車動力性有所降低，加速時間增加約5%；倉柵箱整車動力性最差，加速時間相對普通欄板式貨箱整車增加約35%，且其最高車速明顯降低，因而像高速公路等對車速有較高要求的工況，需要增加發動機功率，以提高其動力性水平。

3.3 經濟性試驗比較

經濟性試驗分析的是整車的能量消耗情況。由于底盤沒變，整車以同一擋位、同一車速行駛時，燃料消耗量越高說明消耗的能量越多，即抵消的阻力越大，燃料消耗量越低說明消耗的能量越少，即抵消的阻力越小。經濟性試驗結果曲線如圖13所示，以最高擋80 km/h等速行駛時，普通欄板式貨箱整車油耗最低；封閉式貨廂整車燃料消耗量變大，增加6%；倉柵箱整車燃料消耗量最大，相對普通欄板式貨箱整車增加39%。另外，通過試驗測得其空載且車速為80 km/h時，不帶后門可降低油耗10%以上，可見其貨箱后部空氣紊流較多，導致局部空氣阻力較大，因此有必要安裝空氣阻力較小的護欄型的貨箱后門。

4 結束語

a.通過同一載貨汽車底盤匹配常用的普通欄板式貨箱、封閉式貨廂及倉柵箱，分別建立整車空氣阻力CFD計算模型，用CFD計算整車空氣阻力的方法比風洞試驗的方法簡單易行，成本低。

b.采用與計算模型相同的同一載貨汽車底盤換裝3款貨箱，分別經過整車滑行試驗、加速性能試驗和經濟性試驗驗證。CFD模擬計算結果與整車試驗結果有較好的一致性，證明該方法實用有效。

1 余志生，等.汽車理論.北京:機械工業出版社，2006.

2 孔瓏.工程流體力學.北京:中國電力出版社，2007.

3 章本照，等.流體力學數值方法.北京:機械工業出版社，2003.

4 劉儒勛，舒其望.計算流體力學的若干新方法.北京:科學出版社，2003.

5 王望予.汽車設計.北京:機械工業出版社，2000.

6 何耀華.汽車試驗學.北京:人民交通出版社，2005.