平頭卡車氣動減阻設計及試驗研究

莊超 ，王歡 ，王曉宇 ，王敏 ，張英朝 ?

（1.高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004；2.江蘇徐工國重實驗室科技有限公司，江蘇 徐州 221004；3.徐州徐工汽車制造有限公司 技術中心，江蘇 徐州 221000；4.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130022）

汽車在高速行駛時，隨著汽車行駛速度的增加，氣動阻力占整車行駛阻力的比值逐漸增大［1］，這就意味著氣動阻力帶來更多的燃油消耗.因此，車輛氣動性能設計降低行駛阻力變得更加重要.國內學者在21 世紀初期對汽車氣動性能的研究關注較多的是轎車［2］.而商用卡車由于通常以較高的速度在高速公路上長距離行駛且具有較高的氣動阻力系數，其氣動性能減阻設計更有意義，近年來，商用卡車的氣動性能的研究逐漸引起更多研究者的關注.

平頭卡車氣動性能的減阻設計主要涉及兩方面，分別是駕駛室幾何造型設計和車身減阻附件設計.近年來，國內外學者在該領域進行了相關研究，Mehrdad 等［3］通過仿真研究卡車駕駛室造型設計，探究了駕駛室高度對整車氣動阻力的影響.Chowdhury等［4］開展了某款重型卡車的小比例模型風洞試驗，通過導流罩、側裙板、領口板等氣動附件不同程度的優化，最佳減阻能達到26%.Kim 等［5］借助某重型卡車小比例風洞試驗與數值模擬，研究了初始導流罩與改型導流罩的氣動特性，實現減阻效果提升19%.Mario等［6］通過數值模擬設計某卡車貨箱不同的尾部高度和寬度組合，改善尾部流場的低壓區以實現減阻，最佳減阻組合減阻率達到近30%.張英朝等［7］通過數值模擬優化設計了某商用車的四款導流罩，最佳減阻效果達到17.6%.郭子瑜［8］對某長頭重型卡車進行氣動研究，開展了遮陽板、發動機艙蓋等多部位外形優化，并應用側裙板、前輪擋風板等實現減阻，最佳減阻效果達到10.4%.張英朝等［9］開展某重型卡車在側風影響下的氣動減阻，以駕駛室7 個造型參數與貨箱3個造型參數為變量，在5個不同偏轉角度下進行試驗與仿真，最佳減阻效果為21.9%.

根據現有文獻和研究經驗［10-15］，在駕駛室幾何造型減阻方面，主要開展駕駛室前臉向側圍和頂部過渡位置曲率優化設計，以此來增大局部流速同時降低迎風面壓力.另外，從駕駛室的基本造型來看，前臉本身的寬度以及側圍的傾角對于整車阻力的大小也有很大影響.由于造型設計以及工藝要求，當駕駛室幾何造型凍結以后，車身表面部件及減阻附件的設計則成為整車氣動減阻的重要手段.

本文對后視鏡、導流罩與領口板等車身表面部件進行設計，新增貨箱尾部導流片減阻附件，并對其延伸長度和延伸角度開展試驗設計，結合風洞試驗驗證減阻效果，提出最終的減阻設計組合方案，以實現平頭卡車的氣動減阻目標.

1 風洞試驗設置

試驗在吉林大學汽車風洞實驗室進行.吉林大學汽車風洞為3/4開式回流風洞，配備專業的六分力天平測量系統、支撐系統、轉向系統、電子壓力掃描閥等，傳感器和數據采集系統的整體精度高于0.05% F.S.（Full Scale 滿量程，為2 000 N），在每次試驗過程中整車模型受到的力為160 N左右，故具有較高的試驗精度.噴口部分為四邊切角矩形，試驗段長、寬、高分別為8 m、4 m、2.2 m，主電機功率為1 000 kW，試驗段能夠達到的最高風速為60 m/s.

本次試驗對象為某平頭卡車的1/4小比例模型，在風洞試驗段進行試驗，試驗阻塞比達到6%，能夠有效地降低邊界效應對試驗結果帶來的影響.通過激光定位系統將試驗模型安置在天平上方的中心位置，且前后能夠有足夠的空間，如圖1 所示.通過支撐系統固定在平臺上，側偏角為0°.試驗前進行雷諾數掃描，分析試驗風速對試驗結果的影響，試驗風速從60 km/h 到140 km/h，每間隔10 km/h 進行一組試驗，每組2 次測試.圖2 為阻力系數測試誤差，由圖2可知，2 次阻力系數測試誤差絕對值在1.8%以內.誤差出現的主要原因是系統誤差，測量過程中隨著設備的持續運轉，試驗段內空氣溫度有所上升，且每次結果是60 s 內結果的平均值，加上湍流的隨機性導致每次測量數據并不完全相同，對結果帶來一定的誤差，但9 次測量結果誤差基本在3 counts 之內.在試驗風速達到100 km/h 之后，阻力系數逐漸穩定，能夠認定在該速度以上雷諾數逐漸收斂，可真實地模擬全比例尺寸卡車的外流場流場特性.因此，本次試驗所選取的試驗速度為100 km/h，如圖3 所示，由于保密原因，未標明縱坐標阻力系數具體數值，只展示了不同速度下阻力系數變化趨勢.

圖1 模型在試驗平臺安裝展示圖Fig.1 Model installation display diagram on the test platform

圖2 阻力系數測試誤差Fig.2 Drag coefficient test error

圖3 不同風速下阻力系數變化試驗結果Fig.3 Experimental results of drag coefficient variation under different wind speeds

2 平頭卡車初始模型風洞試驗分析

通過分析平頭卡車的初始模型確認初始模型中具有減阻潛力的區域與部件，并結合比例模型風洞試驗獲取不同部件的阻力系數貢獻.試驗涉及部件展示圖如圖4所示.

圖4 試驗涉及部件展示圖Fig.4 Display diagram of components involved in the test

首先，開展初始模型氣動附件的阻力系數貢獻試驗研究，初始模型包含圖4 中7 種部件，除去尾部導流片，其他都是原始方案中為該車型設計的減阻部件.由于不同部件對整車阻力系數存在耦合作用，為了合理減少試驗工作量，將研究各個部件去掉前、后的阻力系數差值變化，而非比較單獨去掉某一部件后與基礎（BASE）工況的阻力系數差值.

試驗依次拆除或安裝圖4 中涉及的每一個車身附件，然后通過對比阻力系數差值得到每個部件對氣動阻力的影響.圖5為拆除各附件后模型展示圖.

圖5 拆除各附件后模型展示圖Fig.5 Model display after dismantling the accessories

方案1（圖5 中框1） 在初始模型基礎上拆掉掛車側裙板，整車阻力系數增加40 counts，說明側裙板有很好的整流減阻效果.

方案2（圖5中框2） 拆除牽引車側裙板，阻力系數增加2 counts，說明牽引車側裙板的整流作用不明顯，減阻效果很弱.

方案3（圖5 中框3 與框4）拆除導流罩和領口板，阻力系數升高28 counts，驗證了導流罩和領口板對于掛車貨箱正面位置的導流作用，如圖6 中煙流法流場展示圖所示，其具有較好的整車減阻效果.

圖6 煙流法流場展示圖Fig.6 The flow field display diagram of the smoke flow method

方案4（圖5 中框3） 為了區分領口板和頂部導流罩的具體導流作用，重新安裝領口板，結果顯示該方案相比于前方案的阻力系數值有所增加，但在理想情況下，安裝領口板能夠在一定程度上通過引導側方氣流降低貨箱前端正壓的方式，起到減阻的作用，顯然該領口板未起到減阻的作用.

方案5（圖5中框5） 拆掉遮陽板，阻力系數降低3 counts，說明遮陽板對氣動阻力有一定的影響.

方案6（圖5中框6） 拆掉后視鏡，阻力系數降低46 counts，說明后視鏡的阻力系數貢獻很大，須要對其進行進一步的減阻外形設計.

根據上述方案得到各部件的阻力系數貢獻如圖7 所示.掛車側裙板對于減小氣動阻力系數的貢獻較大，能夠合理改善車底部流場環境，有效防止外側流場氣流進入車底部流場，通過減小前、后壓差實現減阻.導流罩對整車氣動阻力系數具有很大影響，作為氣流流入的起始接觸部件，導流罩的設計尤為重要，通過其自身形狀以及和其他部件的配合作用，將氣流以合適的姿態引導至后方流場，減小前方壓力，能夠在很大程度上減小整車氣動阻力.本文重新設計導流罩形狀及其與領口板的整體造型，以降低氣動阻力系數.另外，后視鏡對整車氣動阻力系數有較大的影響，本文重新設計后視鏡，涉及外形尺寸、表面曲率、整體造型等方面.表1 為各部件拆除、安裝后的減阻效果.

表1 各部件拆除、安裝后的減阻效果Tab.1 Removal/installation drag reduction effect of each component

圖7 不同部件對阻力系數的貢獻Fig.7 Contribution of different components to the drag coefficient

3 平頭卡車減阻設計與比例模型風洞試驗分析

首先，優化設計后視鏡、導流罩和領口板等部件，并對其減阻效果進行驗證；然后，在平頭卡車貨箱尾流區加裝尾部導流片，并通過不同參數試驗設計得到減阻效果較好的導流片延伸長度與延伸角度；同時，給出最終的車身表面部件及減阻附件的減阻設計組合方案，并開展風洞試驗驗證.

3.1 后視鏡減阻設計及試驗研究

后視鏡較大的前迎風面會造成很大的氣動阻力，須對后視鏡造型進行重新設計.首先，改變迎風面曲率，方案7 減小后視鏡迎風面的曲率半徑，如圖8所示，該造型設計會使得后視鏡迎風面氣流得到加速，降低迎風面的表面壓力，同時能夠使迎風面流入的氣流通過后視鏡流到距離車身本體更遠的位置，有效降低駕駛室與后視鏡區域正壓.方案8 將原分體式后視鏡［圖9（a）］替換為整體式的后視鏡［圖9（b）］，整體后視鏡造成的氣流分離相對較弱，由于取消了中間縫隙，迎風面積略大于原后視鏡，但是原來從縫隙穿過的氣流直接撞擊在前迎風面，轉而流向后視鏡兩側.由于前迎風面弧度的存在，更多氣流流向后視鏡外側，即遠離車身流場，能夠減小前端壓力，降低整車氣動阻力.

圖8 后視鏡曲率變化示意圖（前凸部分為改變后）Fig.8 Schematic diagram of curvature change of rearview mirror（the front convex part is after change）

圖9 后視鏡減阻方案展示圖Fig.9 Diagram of drag reduction scheme of rearview mirror

試驗結果如表2所示，方案7的阻力系數略微減小，本研究并未更深入地對最佳的表面曲率進行探索，但仍證明了該減阻方案的有效性.方案8 在試驗中具有很好的減阻效果，該方案能夠有效改變駕駛室和后視鏡周圍流場形態，起到降低整車包括后視鏡前、后壓差的效果，減阻效果明顯，較初始模型降低了12 counts.

表2 后視鏡改型方案結果Tab.2 The results of the rearview mirror modification schemes

3.2 導流罩與領口板減阻設計與試驗研究

卡車導流罩減阻造型設計，一方面要考慮導流罩對貨箱的包裹作用，以更好地引導氣流從駕駛室流向貨箱；另一方面要考慮導流罩本身的阻力，盡量降低其前端迎風面區域的正壓.導流罩對貨箱的包裹作用由導流罩的末端高度和寬度等幾何參數決定，而導流罩本身的阻力則是由導流罩迎風面的造型決定的.兩側的領口板對整車阻力系數的影響主要取決于其向后延伸的角度和末端的側向位置，以及與導流罩的連接配合方式.

如圖10 所示，方案9 將頂部導流罩的延伸長度縮短，領口板無變化.風洞試驗結果顯示，阻力系數降低了4 counts，說明起到了一定的減阻效果，但是影響有限.

圖10 方案9試驗與模型對比圖Fig.10 Scheme 9 test diagram and model comparison diagram

如圖11和圖12所示，方案10換為造型1的導流罩，將導流罩前端稍微扁平化，同時將導流罩前端向中央對稱面收縮，使側面的角度內切4°，領口板前端同時跟隨導流罩內切而向車內方向轉動，這樣對貨箱的包裹作用略有擴大.結果顯示整車阻力系數降低4 counts，具有一定的減阻效果.增加對貨箱的包裹，在一定程度上能夠減阻.

圖11 方案10試驗與模型對比圖Fig.11 Scheme 10 test diagram and model comparison diagram

圖12 造型1與造型2模型比較圖（紫色為造型1）Fig.12 Model comparison between model 1 and model 2（dark color is model 1）

如圖13 所示，方案11 替換為造型2 的導流罩，這款造型將導流罩與領口板向中央對稱面收縮，使得側面的角度內切4°，并將前端極大扁平化，降低了前端高度，使得氣流在由頂蓋流向導流罩時更加平滑，能夠減小導流罩前迎風面壓力.相比于BASE 方案，阻力系數降低了9 counts，說明導流罩前端的迎風造型對整車阻力有很大的影響.

圖13 方案11試驗與模型對比圖Fig.13 Scheme 11 test diagram and model comparison diagram

如圖14 所示，方案12 使用了另外一款導流罩，將前迎風面在車身縱向縮短一定距離，縮短至駕駛室天窗的后方，維持后端高度不變，領口板保持不變.相比于BASE 方案，阻力系數降低了6 counts，試驗結果再次表明導流罩前端造型尤其是前迎風面的高度對整車氣動性能有較大的影響.

圖14 方案12試驗與模型對比圖Fig.14 Scheme 12 test diagram and model comparison diagram

導流罩和領口板改型方案結果如表3 所示.導流罩前端延伸長度和導流罩對后方貨箱包裹作用所帶來的減阻效果有限，但導流罩前迎風面的高度對于氣動阻力系數有較大影響.方案9、方案10導流罩的前端改型，減阻效果較小，當對兩側領口板前端傾斜角度進行適當調整，能夠使其對貨箱的包裹作用更為有效，從而實現進一步的減阻效果.當迎風面高度較低時，能夠很好地將前方來流過渡到卡車后方，減小導流罩前端正壓.如圖15 所示，當前端伸長長度減小但后端高度不變時，前方來流迅速由此流向后方，使得上端面正壓稍有減小，但相比減小前端高度，該方法上端面會有更多一部分氣流直接沖擊到導流罩上端面，因此正壓減小相對較少，方案12 對于整車的減阻效果要弱于方案11.

圖15 方案11與方案12導流罩對比圖（紫色為方案12）Fig.15 Scheme 11 and scheme 12 shroud comparison diagram（dark color is scheme 12）

3.3 貨箱尾部導流片設計及試驗研究

使用貨箱尾部導流片降低氣動阻力，如圖16 所示，并研究導流片延伸長度l和延伸角度α 參數對卡車減阻效果的影響.尾部導流片能夠改善氣流與車身的分離狀況，減小貨箱尾部能量損耗，達到降低整車氣動阻力的效果.本文開展了導流片延伸角度和延伸長度的試驗設計，組成9 種減阻導流片方案.試驗結果顯示，導流片延伸角度一致時，較短的導流片長度（80 mm）有更好的減阻效果；導流片延伸長度一致時，較小的延伸角度（15°）有較好的減阻效果，如表4所示.

表4 尾部導流片工況方案結果Tab.4 The results of the tail deflector working condition scheme

圖16 尾部導流片方案示意Fig.16 Tail deflector scheme schematic

貨箱尾部導流片使得尾部氣流的分離大部分發生在導流片上而非貨箱后端面上，減小負壓區域，同時使得貨箱后方形成的渦流更加遠離卡車，能夠減少車輛行駛的能量損耗.但是，當導流片內傾角度變大，由于導流作用的存在，尾部渦流與貨箱距離變近，帶來尾部附近更大的湍動能，加大整車氣動阻力，使得減阻效果有所減弱，在同樣長度下，較小的內傾角有更好的減阻效果.

3.4 減阻設計組合方案風洞試驗

由于各個部件對整車的減阻效果存在耦合關系，需要對各部件的組合工況進行試驗來驗證整體的減阻效果.

將減阻效果較優的后視鏡、導流罩、領口板以及貨箱尾部導流片設計方案組合安裝，通過風洞試驗測量其整體減阻效果.組合方案將BASE 工況中的后視鏡替換為整體后視鏡（方案8），導流罩與領口板替換為改型款式（方案11），添加傾角15°、長度80 mm 的尾部導流片（方案21）.試驗結果顯示阻力系數相比于初始模型降低了33 counts，減阻效果約為7%，具有較好的整體減阻效果，在整車行駛過程中對于安全性、經濟性、環保性等方面都起到重要的作用.

4 結論

本文開展了一款車身開發初期的平頭卡車的減阻設計與試驗研究.通過對初始模型風洞試驗分析，確定初始模型中具有減阻潛力的區域與部件，以及不同部件的阻力系數的貢獻；然后重新設計后視鏡、導流罩、領口板，同時應用貨箱尾部導流片改善尾部流場.

優化迎風面表面曲率的后視鏡與整體式后視鏡的氣動阻力系數分別降低2 counts 與12 counts，整體造型的變化對整車氣動性能的減阻效果優于前迎風面曲率變化.

導流罩與領口板的重新設計結果表明，導流罩前端迎風面形狀與高度對整車氣動性能有較大影響，較低的導流罩前端面高度具有更好的減阻效果，阻力系數降低9 counts.

貨箱尾部導流片改變了尾部流場形態，導流片長度相同時，內傾角較小的減阻效果較好，內傾角相同時，長度較短的導流片有較好的減阻趨勢，最佳減阻效果能夠降低24 counts.

將減阻效果較優的車身表面部件及減阻附件設計方案集成，形成整車減阻設計方案，相對初始模型，整車風阻系數降低33 counts，減阻效果約為7%，獲得了最佳的減阻效果，對于該平頭重型卡車的氣動減阻設計具有較好的指導意義.