基于仿生導流罩的廂式貨車減阻研究?

許建民

(1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，廈門 361024； 2.福建省客車及特種車輛研發協同創新中心，廈門 361024)

前言

隨著全社會對汽車燃油節能和廢氣排放控制的重視，節能減排已成為目前汽車行業面臨的巨大挑戰。由于空氣阻力是汽車行駛阻力的重要組成部分，特別當汽車在高速行駛狀態，空氣阻力會隨著汽車行駛速度的平方成正比而急劇增大。由于廂式貨車經常處于高速行駛狀態，如果其空氣阻力系數降低30%，則燃油消耗可降低10%左右[1]。因此降低廂式貨車的空氣阻力對于貨車的節能減排具有重要的現實意義。在貨車駕駛室頂部、貨車尾部和底部分別安裝各種氣動減阻裝置可減少空氣阻力[2－4]。由于駕駛室導流罩可將氣流從駕駛室前部平順地引導至貨廂頂部和側面，從而具有較好的減阻效果[5]。目前，駕駛室導流罩已經成為廂式貨車的主要減阻裝置之一。近年來，不少學者對各種導流罩的減阻機理進行了深入的研究。Hyams和Choi[6－7]等人分別就貨車前部擾流板對貨車氣動特性的影響進行了研究。Martini[8]等人研究了駕駛室側部導流板對貨車氣動特性的影響。文獻[9]～文獻[11]中對廂式貨車導流罩的造型進行了優化設計，并研究了導流罩對貨車氣動特性的影響。Kim[12－13]等人研究了駕駛室頂部導流罩和側部導流罩的減阻效果。Mosaddeghi[14]等人提出了多種貨車減阻裝置，并分析了其減阻效果。文獻[15]和文獻[16]中研究了貨車底部導流減阻裝置對貨車氣動特性的影響。

以上研究重點關注的是各種導流罩對貨車氣動阻力系數的影響，而關于將仿生學技術運用到貨車導流罩的設計和優化的研究尚不多見。本文中以某廂式貨車為研究對象，首先基于計算流體動力學理論和氣動減阻技術，設計了與廂式貨車相匹配的6款駕駛室導流罩結構，對未加裝導流罩的廂式貨車原始模型和加裝6款導流罩的貨車模型分別進行氣動特性數值模擬，研究它們的減阻效果，找出具有最佳減阻效果的導流罩，分析導流罩的減阻機理和減阻策略。然后在其減阻規律的基礎上，依據仿生減阻理論，另外設計了一款模仿海豹頭部形狀的仿生導流罩，安裝在廂式貨車上進行空氣動力學分析，驗證其減阻效果。最終使貨車原始模型的氣動阻力系數有大幅度降低，具有明顯的減阻效果。

1 原始導流罩設計與流場分析

1.1 幾何清理

基于某國產廂式貨車模型，設計了6款駕駛室導流罩，旨在降低貨車氣動阻力。為節省計算資源，該貨車幾何模型簡化了對廂式貨車外流場影響不大的部分裝置，包括貨車底部排氣系統、前后橋、發動機、后視鏡和門把手等部件。由于CFD數值模擬對網格有特殊要求，為了后續網格的順利劃分，對原始貨車模型進行了適當的幾何清理(如封閉縫隙等)和棱邊倒圓。為便于對比減阻效果，6款導流罩雖結構參數不同，但安裝位置相同，圖1為廂式貨車原始模型和安裝6種導流罩的貨車模型。

1.2 計算域與邊界條件

圖1 貨車模型

根據經驗，取5倍車長、4倍車寬、3倍車高的長方體作為數值模擬的計算區域，如圖2所示。計算域采用六面體網格。圖3為計算域的網格劃分結果。假設空氣為不可壓縮流體，對廂式貨車原始模型和6種安裝導流罩模型的外流場進行穩態數值模擬，湍流模型選用標準k-ε模型，將計算域入口設置為速度入口，速度為50 m/s，方向沿x軸，另外兩個垂直于氣流運動方向的速度設為0；將出口邊界設置為壓力出口，且相對壓強設為0；計算域上下左右表面和模型外表面均設為固定壁面邊界條件。采用有限體積法對控制方程進行離散，使用SIMPLE算法進行數值模擬。

圖2 廂式貨車的原始模型

圖3 計算域的網格劃分結果

1.3 計算結果分析

1.3.1 氣動阻力系數分析

貨車氣動阻力系數CD為

式中：FD為空氣阻力；A為貨車正投影面積；v為貨車速度；ρ為空氣密度。

本文中分析了7種貨車模型的氣動阻力系數(1款未加導流罩的原始貨車模型和加裝6款導流罩后的貨車模型)。計算得到的各貨車模型的氣動阻力系數見表1。本次設計的6款導流罩對貨車的氣動減阻效果比較明顯，其中減阻效果最好的是導流罩4(阻力系數降低30.7%)，減阻效果比較差的是導流罩6(阻力系數降低15.1%)。

表1 不同貨車模型的氣動阻力系數

1.3.2 導流罩外流場特性分析

圖4 貨車前部中心對稱面的速度軌跡圖

圖4 為貨車前部中心對稱面的速度軌跡圖，圖5為貨車前部x-y平面速度分布軌跡圖。貨車行駛過程中，氣流首先與駕駛室正迎風面相沖擊，由于貨車前部的阻擋，一部分氣流向上流向駕駛室頂面進而到達貨廂頂面，一部分氣流向下流向貨車底部，還有另一部分氣流流向貨車側面。導流罩的作用是將向上氣流平順地引導至貨廂頂部和貨廂側面，從而減弱氣流對貨廂突出部分的沖擊，使氣流最大限度地在貨廂頂部和側面平穩流動。由圖4可知，未安裝導流罩的駕駛室頂部與貨廂前部之間形成了較大的氣流低速區域，并且在貨廂頂部和側面形成了明顯的氣流分離。駕駛室與貨廂之間的間隙部位的氣流速度較低，駕駛室后面產生了復雜的氣流漩渦，氣流在該部位的能量損失較大。安裝導流罩之后的駕駛室頂部氣流比較平順，導流罩的導流效果比較明顯。由于導流罩6是一種導流片結構，駕駛室頂部沒有封閉，該導流片過早使氣流產生了分離，使駕駛室頂部與側面氣流匯合，因而在駕駛室頂部出現了比較復雜的紊流。由圖5可知，未加裝導流罩的駕駛室頂部兩個側面均出現了比較明顯的漩渦，說明氣流在側面產生了嚴重的氣流分離。導流罩2和4的側面導流效果比較明顯，沒有出現氣流分離，兩個側面氣流比較平順。而導流罩1，3和5的側面導流效果一般，出現了明顯的氣流分離，側面氣流不平順，駕駛室頂部側面出現了大的氣流漩渦。

圖5 貨車前部x-y平面速度分布軌跡圖

圖6 為貨車前部壓力分布云圖。由圖可知：7種貨車模型車身表面壓力分布區別較大，且其正前部均出現了高壓區；無導流罩模型和安裝導流罩2的貨車模型的駕駛室頂部與前風窗的拐角處均出現了負壓區，且無導流罩模型的壓力分布變化較大，說明兩模型在該拐角處產生了氣流分離；對于無導流罩貨車模型，高于駕駛室的部分貨廂存在大面積的正壓區，說明氣流在這里受到貨廂突出部分的阻擋；而安裝了導流罩的其余貨車模型的駕駛室頂部均未出現大面積的正壓區。整體而言，無導流罩貨車模型前部壓力梯度變化大，安裝導流罩的貨車模型沿導流罩曲面表現出良好的壓力梯度，從而形成流線型流動，導流效果明顯。

圖6 貨車前部壓力分布云圖

湍流動能可以表征貨車外流場的不穩定流動特性，湍流動能大，意味著能量損耗大，導致貨車阻力增加，圖7為貨車前部湍動能分布云圖。由圖可知：未安裝導流罩的貨車模型在駕駛室正面和貨廂周邊近壁區域顯示出強烈的湍流動能(見圖7(a))，其高湍流動能是由貨車前部的流動分離引起的非常不穩定的流動產生的；而如圖7(b)和圖7(g)所示，安裝導流罩的貨車模型周圍的湍流動能顯著減小；導流罩可有效延遲或抑制貨車前面的流動分離，從而其湍流動能的強度顯著降低。圖8為貨車中心對稱面的湍動能分布云圖。由圖可知：未安裝導流罩的貨車模型和安裝導流罩6的貨車模型在貨廂頂部、駕駛室與貨廂之前的區域均出現了高湍流動能區域，說明該區域氣流狀態不穩定，存在壓力波動；而安裝導流罩1～5的貨車模型只有在駕駛室前下部出現高湍流動能區域，駕駛室頂部和駕駛室與貨廂之前的區域的湍動能大幅度減小。

圖7 貨車前部湍動能分布云圖

2 仿生導流罩結構的設計與分析

2.1 仿生導流罩設計

前面6款駕駛室頂部導流罩主要考慮了與后面貨廂高度的匹配?？偨Y前面6種駕駛室頂部流場特性得知，導流罩均能將氣流順暢地引導至貨廂頂部，但仍未能將氣流順利地引導至貨箱側面。為減弱氣流對駕駛室迎風面的沖擊，導流罩最好能同時將氣流平順地直接引導至貨廂的頂部和側面。該導流罩設計問題可從自然界的生物形態中得到答案，因為自然界的生物擁有了最佳形態結構以適應周圍環境。一些海洋動物如海豹，其游動速度可高達10 m/s，說明它們的體表形態可顯著減少流體阻力[17]。這是因為海豹具有三維流線形的體表形狀，在流動過程中延遲了流動分離，從而減小了流動阻力[18]。物體，包括動物，其在液體和氣體中的運動具有相似性。受到海豹頭部形狀的啟發[19]，本文中設計了一款更加符合流場特性的仿生導流罩以減少廂式貨車的氣動阻力。該仿生導流罩上表面的曲面能與貨廂頂部平面圓滑過渡，其側壁能與貨廂側壁圓滑過渡。圖9為新設計的仿生導流罩，圖10為仿生導流罩安裝在駕駛室頂部的效果圖。

圖8 貨車中心對稱面的湍動能分布云圖

圖9 仿生導流罩

圖10 仿生導流罩的整車效果圖

2.2 仿生導流罩CFD分析

圖11 為仿生導流罩模型與貨車原始模型中心對稱面速度矢量圖。圖12為仿生導流罩模型與貨車原始模型中心對稱面壓力分布圖。由圖可知：由于氣流分離，貨車原始模型的駕駛室頂部和貨廂頂部的拐角處均存在負壓區，并且在駕駛室與貨廂之間形成旋轉渦；而相對貨車原始模型，仿生導流罩將駕駛室頂部氣流平順地引導至貨廂頂部，未出現漩渦與氣流波動，從而有效地減少貨車的氣動阻力。

圖11 模型中心對稱面速度矢量對比

圖12 模型中心對稱面壓力分布對比

圖13 為仿生導流罩模型與貨車原始模型中心對稱面湍動能對比。未安裝導流罩的貨車原始模型的駕駛室前下部、駕駛室與貨廂之間的區域、貨廂頂部和貨車尾部均呈現出較大的湍動能。說明這3個位置均發生了氣流分離。仿生導流罩貨車模型的駕駛室頂部、駕駛室與貨廂之間的區域、貨廂頂部等區域的湍動能有顯著下降，這是因為仿生導流罩對正面來流進行了導流過渡，有效抑制了駕駛室頂部的氣流分離。因此，通過安裝仿生導流罩可減少紊流波動引起的空氣阻力。表2為安裝仿生導流罩貨車模型與貨車原始模型的氣動阻力系數對比?？梢钥闯?，仿生導流罩的氣動阻力系數比貨車原始模型減小31.1%，減阻效果顯著。

圖13 仿生導流罩模型與貨車原始模型中心對稱面湍動能對比

表2 安裝仿生導流罩貨車模型的氣動阻力系數

3 結論

(1)基于貨車氣動減阻機理設計了6款駕駛室導流罩結構。分別從壓力分布、速度分布和湍流動能分布等方面詳細分析了6款導流罩結構對廂式貨車氣動特性的影響，總結了導流罩的減阻機理，獲得具有最佳減阻效果的導流罩結構，其中最佳氣動阻力系數降低了30.7%。

(2)利用仿生學原理，通過模仿海豹的頭部形狀，設計了一款仿生導流罩，其上表面和側表面分別與貨廂頂部和側面平滑過渡。CFD分析結果表明，仿生導流罩模型的氣動阻力系數比原始貨車模型降低了31.1%，減阻效果非常明顯。