重型商用車空氣動力學性能分析與優化

展新 陸增俊 賴凡 劉永宏 許恩永

摘 要：為降低某貨車的氣動阻力，本文對導流罩形式、遮陽板角度以及掛車高度進行了空氣動力特性的數值模擬，得到了貨車模型外流場的壓力云圖和速度云圖，分析了各種方案的減阻機理。通過分析比較，改變導流罩的形式和遮陽板角度可以有效的減少阻力效果，掛車高度對阻力影響不大。分析結果可以對后續的匹配設計提供參考依據。

關鍵詞：貨車;氣動阻力;匹配優化;數值仿真分析

中圖分類號：U464.238 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-157-04

Analysis and optimization of aerodynamic characteristics ofheavy commercial vehicles^*

Zhan Xin， Lu Zengjun， Lai Fan， Liu Yonghong， Xu Enyong

（ Commercial Vehicle Tech Center， Dong Feng Liuzhou Motor Co.， Ltd.， Guangxi Liuzhou 545005?）

Abstract：?In order to reduce the aerodynamic drag of a truck， the numerical simulation has been done regarding the aerodynamic characteristics of the shroud form， the sun visor angle and the trailer height. The pressure cloud map and velocity cloud map of the external flow field of the truck model are obtained. The drag reduction mechanism of the variety schemes has been analyzed. Through analysis and comparison， changing the form of the shroud and the angle of the sun visor can effectively reduce the drag effect， and the height of the trailer has little effect on the resistance. The analysis results can provide a reference for subsequent matching design.

Keywords： Truck; Aerodynamic drag; Matching optimization; Numerical simulation analysis

CLC NO.：?U464.238??Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-157-04

1 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Cho^i[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[8]～文獻[9]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^[11-12]等人研究了駕駛室頂部導流罩和側部導流罩的減阻效果。Mosad-deghi等人提出了多種貨車減阻裝置，并分析了其減阻效果。

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，而對其他的附加裝置沒有進行考慮。本文以某掛車為研究對象，首先基于計算流體動力學理論和氣動減阻技術，不僅對導流罩的形狀進行了分析，還對遮陽板的角度以及掛車的高度進行了氣動特性數值模擬，對他們的減阻效果進行了分析和比較。

2 仿真模型及邊界條件

2.1?理論基礎

重型商用車的車速一般遠低于聲速，其空氣動力學屬于低速空氣動力學，因而車輛周圍的流場可等效為三維不可壓縮性等溫流場。另一方面，由于重型商用車的外形相對復雜，運行時其周圍氣流容易引起分離，應按湍流處理。流體計算的基本控制方程為：

質量守恒方程^[1]：

其中u_i（i=1，2，3）分別為x₁，x₂?x₃三個方向的速度分量，t為時間，ρ為密度。

動量守恒方程：

式中：ρ-空氣密度;μ-流體動力粘度;u-速度矢量。式（1）與（2）中，未知量的數目過多，兩個方程無解，需要建立相應的湍流模型方程進行聯合求解計算。

為了兼顧精確性和計算效率，本文湍流模型采用k-ε模型，該模型引入了關于湍流動能k和湍流動能耗散率ε的方程。

湍流動能k方程^[6]：

湍流動能耗散率ε方程^[7]：

其中：

式中：P_ij為剪應力項;μ_t為湍流粘度;C_μ=0.09，C_1ε=1.44，C_2ε=1.92;σ_k=0.82，σ_ε=1.0。

2.2 模型建立

2.2.1 幾何模型建立

基于某國產掛車模型，本文采用1：1尺寸的模型進行數值計算，整體基本保持了外形狀與布置的完整性。在細節上，對車輪、車架和發動機艙進行了適當簡化處理，保留了后視鏡、格柵開孔等細節特征。貨車裝載高度按客戶較常用的2.2米及3.2米兩種進行仿真分析，詳細如圖1所示：

2.2.2 計算域與邊界條件

設整車模型的長度、寬度、高度分別為L、W、H，在整車外建立計算流體域，為了滿足計算條件，規避諸如車前部壓力泡和車后尾流充分發展等的影響，計算域應該足夠大。根據經驗建立長方形計算域。長度為20L，寬度為 5W，高度為 6H，整體采用六面體網格劃分，邊界層3層，近壁層厚度1mm，并在車尾、后視鏡等區域進行局部加密，計算域模型如圖 2所示。

模型的仿真輸入參數如表1所示：

2.3?結果分析

圖3為計算得到的不同掛車高度下的整車阻力發展曲線。由圖可知，掛車高度變高，掛車前端阻力下降但尾部阻力抬升重合，總體阻力基本一樣。

由圖4風速云圖知，因掛車正投影寬度小于駕駛室，掛車高度的變化只是重新分配尾渦而已，局部阻力有變化，但總體阻力差異不大，為減小計算量后續仿真優化方案均采納3.2米高掛車方案對比。

3?減阻部件優化

為進一步提升原車的整車空氣動力學特性，降低風阻，減少整車油耗，本文對駕駛室上的導流罩與遮陽板兩個主要部件根據其減阻效果進行優化設計。

3.1 不同導流罩結果分析

針對原車駕駛室，設計了新導流罩和無導流罩兩種新方案，模型如圖5所示。不同導流罩的貨車模型車身表面壓力分布仿真結果如圖6所示。可以看出，不同導流罩的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。

圖7為不同導流罩下的風速仿真結果，從中也可發現：無導流罩模型和安裝導流罩的貨車模型的駕駛室頂部與前風窗的拐角處均出現負壓區，且無導流罩模型的壓力分布較大，說明兩模型在該拐角處產生了風流分離;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。而新導流罩的壓力分布可以看出，導流罩上的正壓力弱化，說明正壓力變小;貨車廂前一部分負壓區有一定的弱化。

依據下式計算不同導流罩方案的氣動阻力系數C_D：

式中：F_D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。計算結果如表2所示，可以看到，相比原車模型的風阻系數，新導流罩方案降低5.4%，效果良好。

3.2 不同遮陽板結果分析

在新導流罩方案基礎上，對遮陽罩進行優化設計。在原遮陽罩的基礎上外翻12°，改變其角度，形成新的遮陽罩方案，圖8為兩種新遮陽罩。

圖9為不同遮陽罩方案的壓力仿真云圖，可以看出，改變遮陽罩的角度也就是改變空氣的切入角度可以改變遮陽罩上所受阻力的大小，新遮陽罩所受阻力的大小明顯小于原車遮陽罩。

圖10為不同遮陽罩方案的風速結果，也可以看出，新方案中氣流壓下貼著車身頂部流動，頂部分離的氣流將被平穩的過渡到貨箱上部，將遮陽罩附近的氣流平穩的引導向駕駛室頂部，減少了負壓區域的出現，因而降低了氣動阻力。

不同遮陽罩方案的氣動阻力計算結果表3所示，可以看到，采用新遮陽罩方案后，整車阻力系數進一步下降2.3%。

4 結束語

本文基于k-ε模型，采用數值方法對重型商用卡車的空氣動力學性能進行了仿真分析。對掛車高度、導流罩與遮陽板三個主要影響因素進行了分析，并提出了優化改進方案。研究表明，掛車正投影面積小于駕駛室，掛車高度變化對整車風阻影響不大;頂導流罩對風阻影響最大，優化后整車風阻降低5.4%;調整遮陽罩安裝位置以合適的角度切入空氣，可降低其本身所受氣流沖擊，優化后風阻進一步降低2.3%。

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