重卡編隊行駛風阻仿真分析與節油率計算

姜濤，石巖*，許佩佩，王敏，李耀

1.徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇 徐州 221000；2.南京航空航天大學 民航學院，江蘇 南京 210016

0 引言

世界總能源消耗中公路運輸能源消耗約占14%，二氧化碳排放約占總排放的17%，商用車燃油消耗約占總燃油消耗的17%[1]。因此，重卡等商用車的節能減排尤為重要。文獻[2]將新能源汽車和智能(網聯)汽車列為制造業核心競爭力產品之一。智能(網聯)汽車的發展將會衍生并促進多種技術的發展，編隊行駛技術是其中之一。編隊行駛技術為重卡等商用車的節能減排提供了新的途徑，受到高校、科研機構和車企的重視。李明達等[3]運用格子玻爾茲曼方法研究了油罐車在列隊行駛下氣動阻力的變化；郭景華等[4]提出了一種智能(網聯)混合動力汽車隊列的模型預測分層控制方法，有效提高了隊列的安全性、燃油經濟性和乘坐舒適性；邱志軍等[5]提出了網聯環境下的高速公路輔助駕駛車輛編隊的評估方法；隗海林等[6]研究了側向風及車間距對尾隨行駛貨車的影響。目前，對重卡編隊行駛的研究大多數集中在控制方法、評估策略或純仿真分析，基于理論-仿真-試驗對重卡編隊行駛節油率的綜合分析幾乎沒有。本文中利用計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)方法對重卡單車及車隊進行氣動阻力仿真分析，與單車風洞試驗結果進行對比驗證，利用公式計算不同編隊單車節油率及車隊平均節油率。

1 單車CFD仿真和風洞試驗

1.1 控制模型

采用CFD方法對重卡單車及車隊進行氣動阻力仿真分析。重卡的行駛速度遠低于聲速的1/3，因此，流場內空氣可視為不可壓縮狀態[7]，控制方程選用三維不可壓縮納維-斯托克斯方程(N-S方程)。由于重卡掛車尾部、后視鏡后方等處會出現大的氣流分離區，故選用湍流模型進行模擬[8]。

1.2 模型簡化與網格劃分

重卡風洞試驗模型如圖1所示，CFD仿真模型和網格劃分如圖2所示。模型處理時，簡化對風阻因數影響較小的細節，如車架上的減重孔、電器管線路等。網格劃分規則為：駕駛室前進氣格柵網格為1～2 mm；散熱系統(冷凝器、中冷器、散熱器、冷卻風扇)網格為6～8 mm；后視鏡、補盲鏡等為4～8 mm；車門板、駕駛室后圍、頂蓋、底板、車架等為8～16 mm；遠場邊界為200 mm；建立4層加密區域，邊界層設置3層網格，網格厚度設為1 mm，體網格約為1800萬個。

圖1 重卡風洞實驗模型

a) CFD模型 b) 網格劃分

1.3 單車風洞試驗

單車風阻因數測試在某風洞實驗室進行,CFD仿真風阻因數與風洞測試結果誤差為1.2%。試驗件采用鋁合金結構框架和塑料快成件制作而成，尺寸為實車的1/4，即長、寬、高分別約4.130、0.638、0.990 m；風洞試驗過程中，室內溫度為17.5 ℃，空氣密度為1.197 kg/m3，風速設置為90 km/h，橫擺角為0°；重卡壓力測點布置如圖3所示。沿車身長度方向的表面壓力因數CFD仿真與風洞試驗結果對比如圖4所示。

圖3 壓力因數測點布置 圖4 表面壓力因數CFD仿真與風洞試驗結果對比

由圖4可知，CFD仿真表面壓力因數與風洞測試結果吻合度較高，計算精度滿足工程要求。

2 編隊行駛仿真分析

2.1 風阻系數與減阻率

2.1.1 兩車編隊行駛仿真

在單車CFD仿真模型的首車尾部新增跟隨車輛，跟車間距分別設置為5、10、20、30、40、45 m，采用與風洞試驗相同的試驗條件與參數，分別計算不同跟車間距的首車和尾車風阻因數及減阻率(單車風阻系數和編隊狀態各位置車輛風阻系數的差與單車風阻系數之比)，兩車編隊計算結果如圖5所示。

a)風阻因數 b)減阻率

由圖5可知：1)編隊行駛有利于降低車隊車輛的風阻因數，尤其是尾車的風阻因數降幅較大；2)隨著跟車間距的增大，兩車的減阻率呈下降趨勢；3)跟車間距大于30 m，首車的風阻因數逐漸與單車相當，逐漸失去減阻效果；4)尾車行駛減阻受跟車距離影響較小，跟車間距為45 m時，尾車的風阻因數比單車低0.1，依然具有較好的減阻效果。

2.1.2 三車編隊行駛仿真

采用與風洞試驗相同的試驗條件與參數，跟車間距分別設置為5、10、20、30、40、45 m，計算不同跟車間距的首、中、尾車風阻因數及減阻率，三車編隊計算結果如圖6所示。

a)風阻因數 b)減阻率

由圖6可知：1)三車編隊行駛對首、中、尾三車均具備減阻效果，中車和尾車減阻效果均優于首車；2)跟車間距大于20 m后，首車風阻因數逐漸與單車持平；3)中車既受首車尾部低壓區域效應，又受尾車前部的擠壓效應，在跟車間距較小的情況下，其減阻率高于尾車，隨著跟車間距增大，中車減阻率略小于尾車。

2.2 壓力仿真

采用CFD對重卡車隊行駛過程中所受空氣壓力情況進行仿真分析，壓力云圖如圖7所示。

a)兩車編隊 b)三車編隊

由圖7可知，重卡車輛編隊行駛時，首車駕駛室前部出現大面積高壓區域，而兩車編隊的尾車及三車編隊的中、尾車駕駛室前部的高壓區域主要集中在后視鏡及附近區域，且面積遠小于首車。

兩車編隊等壓圖如圖8所示。由圖8可知，前車尾部的氣流分離導致車輛后方出現大面積的低、負壓區域，因此跟隨車輛的駕駛室處于低壓區域，此時該車輛前、后壓差小，風阻因數大幅度降低。

圖8 兩車編隊等壓圖

3 節油率計算

3.1 計算公式

假定編隊車輛以固定車速行駛，且行車路況平坦，短距離內無較大坡度。編隊狀態下第i輛車節油率[3]

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；v為車輛速度，km/h；A為車輛正投影面積，m2；Cd為單車空氣阻力因數；M為最大設計質量，t；f為滾動阻力因數；Cd,i為編隊狀態下第i輛車風阻因數，i=1,2,…,n。

本文中所研究重卡的設計總質量為49 t，選用子午輪胎，滾動阻力因數[9]

f=0.004 1+0.000 025 6v。

車隊平均節油率

3.2 編隊行駛節油率計算

假設行車速度為90 km/h，分別計算兩車、三車編隊狀態下各位置車輛節油率和車隊平均節油率，結果如圖9所示。

a)兩車編隊 b)三車編隊

由圖9可知：1)重卡編隊行駛時，跟車間距小于40 m時，各位置車輛節油率大于0；2)隨著跟車間距的增大，節油率下降；3)首車節油率低于車隊其他位置車輛，跟車間距為40 m時，首車節油率為0；4)三車編隊的車隊節油率高于兩車編隊。

重卡編隊行駛可顯著提高經濟效益。假設重卡的油耗為32 L/(100 km)，平均年行駛里程為20萬km，柴油價格為6元/L，在三車編隊行駛、跟車間距為20 m狀態下，車隊單車每年節油可達5 081.6 L，節省油費30 489.6元。

4 結論

1)一定跟車間距內，重卡編隊行駛能夠有效降低風阻因數，從而降低油耗。2)重卡編隊行駛時，跟車數量越多，車隊節油率越高，但相應的控制策略難度將加大。3)跟車間距越小，節油效果越好，但是需要考慮安全性以及智能控制技術的可實現程度。