柔性附件在商用車上應用的空氣動力學性能研究

周志斌 李程 許恩永

摘 要：隨著商用車物流市場對時效性要求的持續提升，降低阻力獲得最佳燃油經濟性成為主機廠首要解決的技術問題。以往整車空氣動力學性能分析受限于車輛使用邊界要求，多以開展車輛造型結構優化工作為主。本文通過收集歐美商用車車輛發展及材料應用趨勢，開展前保險杠、側護裙及導流罩增加柔性附件后的仿真優化分析，結果表明：通過加裝不同狀態的柔性附件整車風阻系數可獲得較好的優化效果，為后續廠家開展產品開發提供設計指導。

關鍵詞：柔性附件;商用車;空氣動力學

中圖分類號：U467??文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-84-04

Research on Aerodynamic Performance of Flexible Accessoriesin Commercial Vehicles^*

Zhou?Zhibin， Li?Cheng， Xu Enyong

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

Abstract：?With the continuous improvement of the timeliness requirements of the commercial vehicle logistics market， how to reduce the resistance and obtain the best fuel economy has become the first technical problem to be solved by each OEM. The wind resistance rises rapidly as the vehicle speed rises into a square relationship. In the past， the analysis of the aerodynamic performance of the entire vehicle was limited by the requirements of the vehicle's use boundary， and it was mostly carried out to optimize the vehicle modeling structure. This article collects the development of European and American commercial vehicle vehicles and material application trends， and conducts simulation and optimization analysis of the front bumper， side skirt， and shroud after adding flexible accessories. The analysis results show that by adding flexible accessories with different states， the vehicle's wind resistance coefficient is increased. It can obtain better optimization results and provide design guidance for subsequent manufacturers to carry out product development.

Keywords： Flexible attachments; commercial vehicles; aerodynamics

CLC NO.： U467??Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-84-04

引言

隨著物流運輸發展商用車行駛速度增加，阻力亦隨之增大。車速達80km/h后能耗影響依次為風阻、滾阻、附件損失、傳動損失^[1-3]，如表1所示。以公路牽引車為例，49T滿載情況下當車速大于70km/h以后，風阻每降低2%可帶來1%以上的油耗改善，空氣動力學優化帶來的效益顯而易見。而商用車駕駛室由于模具投資大，產品定型后難以頻繁修模調整。為獲得風阻的持續優化，主機廠以往聚焦于外飾變動改款來實現提升，在外飾與周邊邊界匹配性研究較少^[4，5]。

近年來，歐美商用車在前瞻技術研究或概念車型上逐步展示了柔性材料應用，如圖1所示。由于柔性附件允許存在一定的周邊件相互接觸摩擦，同時易于更換，維護成本遠低于其帶來的節油收益，預測在歐美下一代商用車上可能快速量產使用。鑒于此，本文主要運用流體分析軟件STARCCM+軟件對國內某型商用車進行空氣動力學分析，通過增加柔性附件進行模擬降阻仿真研究，主要在前保險杠，側護裙及導流罩三個部位，開展不0同部位及組合方案的仿真分析對比，提出組合方案建議，為國內車型開發在空氣動力學性能優化方向上提供理論依據。

1 模型定義

1.1 物理模型

汽車外流場分析的湍流模型選擇網格適應性較好的Reliablek-ε模型，該湍流模型能較好的模擬邊界層的流動情況，在外流場的模擬計算中應用較為廣泛。空氣動力學遵循流體力學基本方程。于空氣而言，馬赫數小于0.3均可認為不可壓縮流動。分析車速為90km/h（25m/s），馬赫數小于0.1，可認為汽車外流場屬于不可壓縮空氣的鈍體繞流，通常不考慮能量方程求解^[6-7]。

連續方程：

式中：v為平均速度。

動量方程：

式中：ρ為空氣密度;v_i為平均速度分量;μ_eff為湍流有效黏性系數。

能量方程：

式中：T為溫度;C_p為比熱容;S_T為流體內熱源及由于黏性作用流體機械能轉化的熱能。

湍流動能方程：

式中：k為湍流動能;表示湍流動能有效擴散系數;G可通過式（5）計算;ε為湍流動能耗散率。

湍動能耗散方程：

其中，表示湍動能黏性耗散有效擴散系數;

1.2 環境模型

采用全尺寸4×2牽引車，廂式掛車，掛車與牽引車剛性連接，外流場尺寸為：長（130m）、寬（15m）、高（18m）。由于整車外廓尺寸較大、零部件多，計算機硬件資源有限，為減少網格數量，對一些較為復雜且對流場影響較小的部件做簡化處理，總網格數在2900萬-3100萬之間。

1.3 邊界條件

根據仿真分析經驗，空氣動力學的邊界條件設置如下：

2?優化方案及模型建立

采用圖3（a）的整車空氣動力學仿真模型為基準模型，并在此基礎上設計出表3中的5種優化方案，基于優化方案建立的優化模型分別如圖3（b）-圖3（f）所示。

3?計算結果

優化方案1同基準方案相比風阻系數降低24counts。由Y=0m截面速度卷積分圖可知：柔性部件將正面的來流導向地面，對底盤的起到較好的保護作用，特別是前橋、前輪等部件受正面來流的沖擊的區域大大減少，正壓區減少明顯，是風阻降低的關鍵。

優化方案2同基準方案相比風阻系數降低4counts。從Z=-0.5m截面速度卷積分圖可知：在側裙底部增加柔性部件降低離地高度為250mm，流過底盤的氣流更加順暢，流過掛車底盤的氣流速度略有提升，但總體優化不明顯，還有進一步改善空間。

優化方案3同基準方案相比風阻系數降低9counts。由圖6所示的Z=-0.5m截面速度卷積分圖可知：流過底盤的氣流更加順暢，相比方案2流過掛車底盤的氣流速度均有提升。

優化方案4同基準方案相比風阻系數降低24counts。由圖7可知：基準方案流過側導流罩的氣流在主掛間形成兩個大尺度的渦流，風阻較大;在主掛間增加柔性部件，可以有效的防止流過側導流罩的氣流進入主掛間的間隙，對掛車前端面的起到較好的保護作用，減少了掛車前端面的正壓區。

優化方案5同基準方案相比風阻系數降低50counts，綜合使用全部三個部位的柔性部件對整車降阻效果明顯。由圖8可知，優化方案5在前橋、前輪及掛車前端面的正壓降低較為明顯，對風阻降低貢獻最大;此外，方案組合后掛車底部氣流趨于合理，掛車底部渦旋基本消除。

4 結論

本文通過收集歐美商用車車輛發展及材料應用趨勢，開展前保險杠、側護裙及導流罩增加柔性附件后的仿真優化分析，得出如下結論：（1）加裝柔性附件確實對整車風阻有改善，特別是對多部位采取組合使用時，最大可降低50counts，效果明顯。（2）前輪處的正壓力及掛車底盤的渦旋對風阻系數影響較大，可以通過不同的尺寸參數進行迭代，得到最優的設計尺寸邊界值。（3）柔性附件在歐美才處于初步應用階段，國內因材料工藝能力困難推廣應用較緩，依據仿真分析的結果可知其風阻改善帶來較大的節油收益，使主機廠和材料廠更有信心共同加快研究應用，實現各環節的雙贏，國內產品品質提升。

參考文獻

[1] 郭鵬.基于尾部流動結構的車輛氣動減阻技術研究[D].吉林大學， 2015.

[2] 袁勛.廂式貨車減阻研究[D].湖南大學，2013.

[3] 江濤.汽車車身氣動造型設計優化研究[D].湖南大學，2011.

[4] 張寧.商用車節能技術研究與技術路線選擇[D].吉林大學，2019.

[5] 呂航.空氣動力學在卡車上的應用[J].商用汽車，2014（17）：69-71.

[6] 林長波，許恩永，馮高山，展新.某卡車外流場分析與優化[J].裝備制造技術，2018（01）：18-21.

[7] 伍奕樺.非光滑單元體結構對車身氣動特性的影響分析[D].湖南大學，2014.