廂式貨車尾部非光滑表面導流板減阻效果研究

楊小龍，鄒宏偉，張澤坪

(湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

2016129

廂式貨車尾部非光滑表面導流板減阻效果研究

楊小龍1，鄒宏偉2，張澤坪3

(湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

研究了矩形、梯形和新型導流板以及非光滑表面對減小廂式貨車氣動阻力的影響。以標準貨車GTS模型為對象，首先研究了導流板結構參數和安裝角度對氣動阻力的影響；然后分析了不同非光滑表面對流動的影響；最后通過對比幾種方案的流場、尾渦和氣動阻力等，分析了導流板和非光滑表面的減阻機理。結果表明，導流板可有效減小尾渦強度，降低氣動阻力，帶有半圓形溝槽的新型導流板的減阻效果最好，最大減阻率可達8.5%。

廂式貨車；減阻效果；導流板；非光滑表面；氣動阻力系數

前言

節能與減排是目前世界性兩大難題。隨著我國經濟的發展，汽車作為重要的交通工具，已經成為人們生活中不可或缺的一部分。對于汽車工業而言，在減少排放的同時，也要盡可能地降低油耗，優化汽車外形降低氣動阻力是其中關鍵技術之一。對于轎車而言，經過100多年的發展，其氣動外形已達到一個相對完美的地步，設計較好的轎車其氣動阻力系數一般在0.2～0.3之間。但由于用途的不同，載貨汽車具有較大的氣動阻力，如廂式貨車作為貨車的主體，其阻力系數一般為0.6～0.8，甚至達到1。由于其較大的迎風面積，當車速達到90km/h時，其氣動阻力約占總行駛阻力的75%～80%[1]，發動機功率的80%左右將用于克服氣動阻力[2]。因此，廂式貨車減阻研究對于節能減排具有重要意義。國內外都開展了大量研究，如美國Lawrence Livermore國家實驗室聯合多所高校和研究機構，計劃到2020年前將貨車阻力系數降低到0.3～0.5的水平[3]。

開發全新的低阻力系數貨車不僅需要較長的時間，而且費用高昂。對于目前市場上的大多數貨車而言，增加附加裝置進行減阻是一個經濟且見效快的方案。理論分析和工程實踐表明，廂式貨車行駛中阻力主要來源為駕駛室與車廂之間負壓區、貨車尾部分離區和車身底部[4]。所謂被動減阻就是在貨車表面加裝空氣動力學裝置，改善流場結構，減小氣動阻力。僅以貨車尾部為例，就有包括導流板、半圓柱、導流溝槽等多種被動減阻裝置，其中不少學者對導流板進行了研究[5-6]。相對以往學者多采用的矩形導流板[6-8]，本文中提出了兩種導流板,通過對比分析幾種導流板在不同長度和安裝角度下的氣動特性，得到減阻效果最佳的導流板和安裝角度，最后依據非光滑表面的減阻原理對導流板進一步優化。這對減少貨車行駛阻力，降低貨車油耗具有一定的意義。

1 貨車模型

本文中采用的模型是由美國Sandia國家實驗室于1996年提出的GTS模型，此貨車模型廣泛應用于研究載貨汽車基本的氣動阻力。與真實車型不同，GTS模型是一種大型平頭載貨汽車的設計模型，它對貨車一些細節部分進行了簡化。本文中主要研究尾部導流板的減阻作用，為了方便與實驗數據進行對比，本文中保留了這些簡化。

GTS模型采用1∶8比例模型。其幾何尺寸可參見文獻[9]，GTS模型如圖1所示。

2 計算模型

2.1 湍流模型

采用SSTk-ω模型，該模型在工程上得到廣泛應用，其優點之一就是適宜于近壁處理，它在近壁面保留了原始的k-ω模型[10]，在遠壁面運用了k-ε模型，更加適合具有分離特性的汽車外流場[11]。

2.2 網格劃分

在不考慮側風影響下，模型的外流場基本沿中心界面對稱。綜合考慮計算量、邊界的影響和阻塞效應，計算域前部為4L,后部為8L,側面為5W,上部為6H(其中L,W和H分別為模型的長、寬和高)。近壁區域和其他區域網格都采用四面體網格，車體表面局部加密，并生成10層邊界層網格。圖2示出包括模型附近的部分計算網格，近壁面y+控制在0～100以內，整個計算域的網格總數在180萬左右。

2.3 邊界條件

參考試驗參數，邊界條件設置如表1所示，其中入口氣流中的I和Ltf分別為

I=0.16/Re0.125

(1)

Ltf=0.07L

(2)

(3)

式中:I為湍流強度；Ltf為湍流特征長度；Re為雷諾數；L為模型長度。

表1 邊界條件

模型建立后，與試驗數據進行對比。試驗測得阻力系數為0.508，計算結果為0.512，誤差小于2%，此外還對比了壓力、速度等參數，誤差均比較小，證明該模型是可靠的。由于篇幅有限，不再一一列舉。

3 導流板與非光滑表面

3.1 導流板

廂式貨車的外形設計不同于轎車，要保證貨車較好的裝載性，其流線型必然不是很理想，致使貨車尾部氣流過早分離，形成很明顯的尾渦和倒流，消耗了較多能量。為了破壞尾部漩渦，改善尾部氣流，提高貨車尾部壓力，常見的做法是在貨車尾部加裝導流板，如圖3所示。為了方便后門的打開和關閉，可設計導流板在固定角度內轉動，并可和后門聯動，如后門打開時導流板向上翻起。

導流板不僅能增加汽車的下壓力，減少升力，而且能減少貨車的氣動阻力。矩形導流板[6-8]雖然對汽車的尾部氣流具有一定的梳理作用，但卻影響了貨車側面的氣流向中間的流動，在轉彎行駛時尤為突出，這在一定程度上削弱了矩形導流板的減阻效果。為此又另外設計了兩種導流板：梯形導流板和類似于半橢圓形的新型導流板，如圖4所示。

3.1.1 導流板長度最優化

為了確定導流板尺寸對貨車氣動阻力的影響，研究了導流板長度對貨車氣動阻力系數的影響。貨車的Cd值與導流板長度Ld的關系如圖5所示。根據原始風洞試驗值可知，原貨車模型的阻力系數Cd=0.508，從圖5可知，隨著導流板長度的增加，貨車的阻力系數先減后增，且3種導流板的長度均在Ld=110mm時，Cd取得最小值。從整體上看，新型導流板的Cd曲線在三者的最下方，阻力系數最小，減阻效果最好；矩形導流板的Cd曲線在最上方，阻力系數最大，效果最差，梯形導流板居中。

3.1.2 導流板安裝角度的優化

導流板安裝角是另外一個重要影響參數。為了確定導流板的最佳安裝角度，進行了大量計算。安裝角度從30°～70°依次增長，分別計算了3種導流板阻力系數變化情況，其結果如圖6所示。從圖中可見，3種導流板在安裝角度為30°～70°時阻力系數均小于原型。Cd值隨安裝角度而變化的趨勢與導流板長度類似，即先減后增；3種導流板都在安裝角度為50°時取得最小值，且新型導流板的效果最好，Cd=0.475，減阻率達到了6.5%；矩形導流板效果最差，Cd=0.48,減阻率為5.5%；梯形居中，Cd=0.478，減阻率為5.9%。

3.2 非光滑表面

非光滑表面在工程領域中已經有很多應用[12]，并且收到了顯著的減阻效果。在水槽減阻試驗中，達到了最高24.6%的減阻率[13]；NACA 0012飛機的機翼表面貼上微型溝槽膜后，阻力減少了6.6%[12]；機身敷有溝槽膜的空客A340能節油約3.3%。它們都是通過對邊界層的控制來減少湍流猝發強度，減少湍動能的損失，進而減少壓差阻力。受此啟發，本文中選用3種非光滑單元體[14]，分別為半球形凹坑、半圓形溝槽和三角形溝槽加裝在導流板上，溝槽采用垂直流向的布置方式，圖7為非光滑單元體形狀示意圖。

計算得到的阻力系數如圖8所示。由圖可見：3種非光滑表面都有一定的減阻效果且半圓形溝槽的減阻效果最佳，帶有半圓形溝槽的新型導流板的減阻率最大，由先前的6.5%增加到8.5%；帶有半圓形溝槽的梯形導流板的減阻率由先前的5.9%增加到7.6%；而帶有半圓形溝槽的矩形導流板的減阻率也由原先的5.5%增加到7.1%。

4 減阻分析

由以上結果可知，相比矩形導流板，梯形導流板和新型導流板具有更好的減阻效果，且新型導流板的效果最佳。由于導流板的作用，流經廂體頂部的氣流可以延遲分離，而以較高的速度沖入尾流，破壞了尾流中的部分漩渦，自身壓力回升，使尾渦區的負壓減小，從而達到減阻的目的。而加裝非光滑表面后，能進一步降低貨車的氣動阻力。下面將詳細分析導流板和非光滑表面對車身流場和阻力的影響。由于篇幅有限，分析導流板對氣動阻力的影響時，選取矩形導流板模型、新型導流板模型與原模型進行對比，同時為了說明非光滑表面的減阻效果，對比中也加入了帶有半圓形溝槽的新型導流板模型的結果。

4.1 非光滑表面的減阻原理

圖9為尾部帶有半圓形溝槽導流板的速度矢量圖及其局部放大圖。無論非光滑表面是溝槽還是凹坑，都會產生類似于圖9所示的非光滑表面的內部流譜，由圖可知，當氣流流經非光滑表面時，在溝槽或凹坑內部能夠產生逆向旋轉的氣流漩渦，且這些漩渦并沒有向外擴散，而是在溝槽或凹坑內穩定下來，形成了“第二渦群”。“第二渦群”的存在避免了自由來流與物體的直接接觸，起到了類似“滾動軸承”的作用，同時也能提高導流板邊界層內湍流脈動的動能，降低邊界層中過渡區的湍動能，最終抑制了湍流的猝發，達到減阻的效果。

4.2 尾渦分析

圖10為原模型、矩形導流板模型、新型導流板模型和帶有溝槽的新型導流板模型尾部中心對稱面上的速度矢量云圖。由圖10(a)可見，貨車尾部出現了相對較強的尾渦，它由兩個反向旋轉的漩渦組成，一個靠近貨車底部，一個在貨車頂部，且倒流現象明顯，氣流比較紊亂，尾渦區域面積最大。由圖10(b)～圖10(d)可見，帶有導流板模型的尾部同樣有兩個反向旋轉的漩渦，不同的是：首先，尾渦區的面積和強度與原模型尾渦區相比，都有一定的減小；其次，倒流現象有了明顯的減弱，尾渦消耗的動能也減小；最后，尾部氣流的流線性也有了較為明顯的改善。

圖11為4種模型尾部中心對稱面上的壓力云圖。由圖可見：貨車尾部都出現了低壓區，且原模型的低壓區面積最大，壓力最低；梯形導流板模型的低壓區比矩形導流板模型的低壓區的面積更小，壓力更大；當導流板布有溝槽時，導流板附近的壓力變大，且貨車尾部低壓區面積進一步縮小，這也反映了帶溝槽的新型導流板有較佳的減阻效果。

4.3 壓差阻力分析

汽車的氣動阻力包括壓差阻力、摩擦阻力和誘導阻力3部分，盡管摩擦阻力和誘導阻力所占比例不大，為了對所有的阻力有一個全面的了解，將分別對其進行分析。

壓差阻力是由于運動空氣的黏性導致汽車前后產生壓差而形成的阻力。約占汽車總氣動阻力的50%～65%，是氣動阻力的主要組成部分[15]。要減小壓差阻力，主要是減小汽車前部的正壓區和尾部的負壓區。本文中通過在貨車尾部安裝導流板來增加尾部壓力，從而減小汽車前后壓差阻力。而汽車尾部壓力的大小，主要取決于尾渦區與車尾距離的遠近和尾渦區內壓力的大小：尾渦區內壓力越大、尾渦區離車尾的距離越遠，則汽車尾部受到的低壓影響就越小，壓差阻力也就越小，反之越大[16]。

圖12為4種模型尾部中心對稱面上的壓力曲線圖。由圖可見：貨車的底部和頂部的壓力相對較高，尾部的中間區域是壓力最低的區域，且在一段高度內趨于平衡；在貨車尾部的中間區域，原模型的壓力在-125Pa左右，壓力最低，即負壓最大，帶有矩形導流板模型的壓力在-115Pa左右，帶有新型導流板模型的壓力在-105Pa左右，而帶溝槽新型導流板模型的壓力最大，在-100Pa上下。貨車尾部壓力越高，貨車的前后壓差越小，說明導流板具有一定的減阻功能，新型導流板減阻效果優于矩形導流板，且當其上布有溝槽時，效果更好。

4.4 摩擦阻力分析

由于空氣黏性使其在車身表面產生切向力，它們在行駛方向的合力即為摩擦阻力[14]。在貨車尾部加裝導流裝置對其幾乎沒有影響。4個模型的摩擦阻力系數如表2所示。由表可見，它們之間的差異基本可以忽略不計，這也與理論分析一致。

表2 各模型的摩擦阻力系數

4.5 誘導阻力分析

汽車尾部的渦場不但包括沿來流方向的渦流，還包含了垂直于來流方向的渦流，即車尾縱向渦。它包含一定的動能，會消耗一定的能量，與消耗的這部分能量對應的阻力就是誘導阻力。誘導阻力的大小與車尾縱向渦的大小密切相關，車尾縱向渦越大，誘導阻力也就越大，反之越小[17]。車尾縱向渦會產生一個大的低壓區，可以通過比較縱向截面內的壓力來衡量車尾縱向渦的大小。

圖13為4種模型的車尾橫向截面壓力云圖，截面距離選取距離車尾0.25m處。由圖可見：原模型尾部的壓力云圖中有兩個非常集中的低壓區，最低達到了-110Pa，且大部分區域的壓力在-85～-105Pa之間；帶矩形導流板模型的低壓區大大減小，且沒有明顯的低壓區域，最低為-96Pa，且大部分區域的壓力在-70～-85Pa之間；帶有新型導流板模型的低壓區又進一步減小，且最低壓為-87Pa，大部分區域的壓力集中在-65～-80Pa之間；帶溝槽的新型導流板模型的尾部壓力最高，最低為-80Pa，且大部分區域的壓力在-55～-75Pa之間，這也說明了新型導流板的減阻效果優于矩形導流板，且當其上布有溝槽時可進一步增大尾部壓力，減小前后壓差。

5 結論

本文中針對廂式貨車氣動阻力較高的問題，以GTS貨車模型為研究對象，提出了在尾部加裝梯形和新型兩種導流板的方案。對導流板長度和安裝角度進行了研究，得到了最佳尺寸和角度。同時，依據仿生物學減阻原理，在導流板上布置溝槽和凹坑。最后對貨車加裝導流板后的流場結構進行了研究，分析了其對貨車3種阻力的影響。通過研究得到如下結論。

(1) 加裝導流板后，貨車尾部的氣流得到了較好的梳理，尾渦區變小，倒流現象減弱，尾部流場結構得到了一定的改善，因此，貨車尾部加裝導流板具有一定的減阻效果。

(2) 梯形和新型導流板相對矩形導流板具有較好的減阻效果，且新型導流板的減阻效果較好；同時貨車的氣動阻力系數與導流板的尺寸有很大關系，且當導流板長為110mm、安裝角度為50°時效果最佳。

(3) 導流板上布置非光滑表面時，可進一步改善氣動阻力，且半圓形溝槽的減阻效果最好，減阻率最大，達到了8.5%。

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A Study on the Drag Reduction Effects of Rear Deflectorwith Non-smooth Surface for a Cargo Van

Yang Xiaolong1, Zou Hongwei2& Zhang Zeping3

HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvanceDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

The effects of rectangular, trapezoidal and new-type deflectors as well as non-smooth surface on the reduction of aerodynamic drag of cargo van are studied. With a standard GTS truck model as object, the effects of the structural parameters and installing angle of deflectors on aerodynamic drag are studied first. Then the effects of different non-smooth surfaces on air flow are analyzed. Finally the drag reduction mechanisms of deflector and non-smooth surface are analyzed by comparing the flow fields, wake vortices and aerodynamic drags etc. of different schemes. The results show that deflectors can effectively reduce the intensity of wake vortex and thus lower the aerodynamic drag, among which the new-shape deflector with semicircular grooves has the best drag reduction effects, with a maximum drag reduction rate of 8.5%.

cargo van; drag reduction effects; deflector; non-smooth surface; aerodynamic drag coefficient

原稿收到日期為2015年1月21日，修改稿收到日期為2015年4月29日。