楊小龍，鄒宏偉，張澤坪

(湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082)

2016129

廂式貨車尾部非光滑表面導(dǎo)流板減阻效果研究

楊小龍1，鄒宏偉2，張澤坪3

(湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082)

研究了矩形、梯形和新型導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)貨車GTS模型為對象，首先研究了導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)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(dǎo)流板和非光滑表面的減阻機(jī)理。結(jié)果表明，導(dǎo)流板可有效減小尾渦強(qiáng)度，降低氣動阻力，帶有半圓形溝槽的新型導(dǎo)流板的減阻效果最好，最大減阻率可達(dá)8.5%。

廂式貨車；減阻效果；導(dǎo)流板；非光滑表面；氣動阻力系數(shù)

前言

節(jié)能與減排是目前世界性兩大難題。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車作為重要的交通工具，已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一部分。對于汽車工業(yè)而言，在減少排放的同時，也要盡可能地降低油耗，優(yōu)化汽車外形降低氣動阻力是其中關(guān)鍵技術(shù)之一。對于轎車而言，經(jīng)過100多年的發(fā)展，其氣動外形已達(dá)到一個相對完美的地步，設(shè)計較好的轎車其氣動阻力系數(shù)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(shù)一般為0.6～0.8，甚至達(dá)到1。由于其較大的迎風(fēng)面積，當(dāng)車速達(dá)到90km/h時，其氣動阻力約占總行駛阻力的75%～80%[1]，發(fā)動機(jī)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(jié)能減排具有重要意義。國內(nèi)外都開展了大量研究，如美國Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合多所高校和研究機(jī)構(gòu)，計劃到2020年前將貨車阻力系數(shù)降低到0.3～0.5的水平[3]。

開發(fā)全新的低阻力系數(shù)貨車不僅需要較長的時間，而且費(fèi)用高昂。對于目前市場上的大多數(shù)貨車而言，增加附加裝置進(jìn)行減阻是一個經(jīng)濟(jì)且見效快的方案。理論分析和工程實(shí)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(fù)壓區(qū)、貨車尾部分離區(qū)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(xué)裝置，改善流場結(jié)構(gòu)，減小氣動阻力。僅以貨車尾部為例，就有包括導(dǎo)流板、半圓柱、導(dǎo)流溝槽等多種被動減阻裝置，其中不少學(xué)者對導(dǎo)流板進(jìn)行了研究[5-6]。相對以往學(xué)者多采用的矩形導(dǎo)流板[6-8]，本文中提出了兩種導(dǎo)流板,通過對比分析幾種導(dǎo)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(dǎo)流板和安裝角度，最后依據(jù)非光滑表面的減阻原理對導(dǎo)流板進(jìn)一步優(yōu)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(shí)驗(yàn)室于1996年提出的GTS模型，此貨車模型廣泛應(yīng)用于研究載貨汽車基本的氣動阻力。與真實(shí)車型不同，GTS模型是一種大型平頭載貨汽車的設(shè)計模型，它對貨車一些細(xì)節(jié)部分進(jìn)行了簡化。本文中主要研究尾部導(dǎo)流板的減阻作用，為了方便與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàn)[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(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)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(yuǎn)壁面運(yùn)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(wǎng)格劃分

在不考慮側(cè)風(fēng)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(yīng)，計算域前部為4L,后部為8L,側(cè)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(qū)域和其他區(qū)域網(wǎng)格都采用四面體網(wǎng)格，車體表面局部加密，并生成10層邊界層網(wǎng)格。圖2示出包括模型附近的部分計算網(wǎng)格，近壁面y+控制在0～100以內(nèi)，整個計算域的網(wǎng)格總數(shù)在180萬左右。

2.3 邊界條件

參考試驗(yàn)參數(shù)，邊界條件設(shè)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(qiáng)度；Ltf為湍流特征長度；Re為雷諾數(shù)；L為模型長度。

表1 邊界條件

模型建立后，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。試驗(yàn)測得阻力系數(shù)為0.508，計算結(jié)果為0.512，誤差小于2%，此外還對比了壓力、速度等參數(shù)，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(dǎo)流板與非光滑表面

3.1 導(dǎo)流板

廂式貨車的外形設(shè)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(dǎo)流板，如圖3所示。為了方便后門的打開和關(guān)閉，可設(shè)計導(dǎo)流板在固定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動，并可和后門聯(lián)動，如后門打開時導(dǎo)流板向上翻起。

導(dǎo)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(dǎo)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(cè)面的氣流向中間的流動，在轉(zhuǎn)彎行駛時尤為突出，這在一定程度上削弱了矩形導(dǎo)流板的減阻效果。為此又另外設(shè)計了兩種導(dǎo)流板：梯形導(dǎo)流板和類似于半橢圓形的新型導(dǎo)流板，如圖4所示。

3.1.1 導(dǎo)流板長度最優(yōu)化

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

3.1.2 導(dǎo)流板安裝角度的優(yōu)化

導(dǎo)流板安裝角是另外一個重要影響參數(shù)。為了確定導(dǎo)流板的最佳安裝角度，進(jìn)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(dǎo)流板阻力系數(shù)變化情況，其結(jié)果如圖6所示。從圖中可見，3種導(dǎo)流板在安裝角度為30°～70°時阻力系數(shù)均小于原型。Cd值隨安裝角度而變化的趨勢與導(dǎo)流板長度類似，即先減后增；3種導(dǎo)流板都在安裝角度為50°時取得最小值，且新型導(dǎo)流板的效果最好，Cd=0.475，減阻率達(dá)到了6.5%；矩形導(dǎo)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(lǐng)域中已經(jīng)有很多應(yīng)用[12]，并且收到了顯著的減阻效果。在水槽減阻試驗(yàn)中，達(dá)到了最高24.6%的減阻率[13]；NACA 0012飛機(jī)的機(jī)翼表面貼上微型溝槽膜后，阻力減少了6.6%[12]；機(jī)身敷有溝槽膜的空客A340能節(jié)油約3.3%。它們都是通過對邊界層的控制來減少湍流猝發(fā)強(qiáng)度，減少湍動能的損失，進(jìn)而減少壓差阻力。受此啟發(fā)，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(dǎo)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(shù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(jié)果可知，相比矩形導(dǎo)流板，梯形導(dǎo)流板和新型導(dǎo)流板具有更好的減阻效果，且新型導(dǎo)流板的效果最佳。由于導(dǎo)流板的作用，流經(jīng)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(qū)的負(fù)壓減小，從而達(dá)到減阻的目的。而加裝非光滑表面后，能進(jìn)一步降低貨車的氣動阻力。下面將詳細(xì)分析導(dǎo)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(dǎo)流板對氣動阻力的影響時，選取矩形導(dǎo)流板模型、新型導(dǎo)流板模型與原模型進(jìn)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(dǎo)流板模型的結(jié)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(dǎo)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(chǎn)生類似于圖9所示的非光滑表面的內(nèi)部流譜，由圖可知，當(dāng)氣流流經(jīng)非光滑表面時，在溝槽或凹坑內(nèi)部能夠產(chǎn)生逆向旋轉(zhuǎn)的氣流漩渦，且這些漩渦并沒有向外擴(kuò)散，而是在溝槽或凹坑內(nèi)穩(wěn)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(dǎo)流板邊界層內(nèi)湍流脈動的動能，降低邊界層中過渡區(qū)的湍動能，最終抑制了湍流的猝發(fā)，達(dá)到減阻的效果。

4.2 尾渦分析

圖10為原模型、矩形導(dǎo)流板模型、新型導(dǎo)流板模型和帶有溝槽的新型導(dǎo)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(xiàn)了相對較強(qiáng)的尾渦，它由兩個反向旋轉(zhuǎn)的漩渦組成，一個靠近貨車底部，一個在貨車頂部，且倒流現(xiàn)象明顯，氣流比較紊亂，尾渦區(qū)域面積最大。由圖10(b)～圖10(d)可見，帶有導(dǎo)流板模型的尾部同樣有兩個反向旋轉(zhuǎn)的漩渦，不同的是：首先，尾渦區(qū)的面積和強(qiáng)度與原模型尾渦區(qū)相比，都有一定的減小；其次，倒流現(xiàn)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(xiàn)了低壓區(qū)，且原模型的低壓區(qū)面積最大，壓力最低；梯形導(dǎo)流板模型的低壓區(qū)比矩形導(dǎo)流板模型的低壓區(qū)的面積更小，壓力更大；當(dāng)導(dǎo)流板布有溝槽時，導(dǎo)流板附近的壓力變大，且貨車尾部低壓區(qū)面積進(jìn)一步縮小，這也反映了帶溝槽的新型導(dǎo)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(dǎo)阻力3部分，盡管摩擦阻力和誘導(dǎo)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(jìn)行分析。

壓差阻力是由于運(yùn)動空氣的黏性導(dǎo)致汽車前后產(chǎn)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(qū)和尾部的負(fù)壓區(qū)。本文中通過在貨車尾部安裝導(dǎo)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(qū)與車尾距離的遠(yuǎn)近和尾渦區(qū)內(nèi)壓力的大小：尾渦區(qū)內(nèi)壓力越大、尾渦區(qū)離車尾的距離越遠(yuǎn)，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(qū)域是壓力最低的區(qū)域，且在一段高度內(nèi)趨于平衡；在貨車尾部的中間區(qū)域，原模型的壓力在-125Pa左右，壓力最低，即負(fù)壓最大，帶有矩形導(dǎo)流板模型的壓力在-115Pa左右，帶有新型導(dǎo)流板模型的壓力在-105Pa左右，而帶溝槽新型導(dǎo)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(dǎo)流板具有一定的減阻功能，新型導(dǎo)流板減阻效果優(yōu)于矩形導(dǎo)流板，且當(dāng)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(chǎn)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(dǎo)流裝置對其幾乎沒有影響。4個模型的摩擦阻力系數(shù)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(shù)

4.5 誘導(dǎo)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(yīng)的阻力就是誘導(dǎo)阻力。誘導(dǎo)阻力的大小與車尾縱向渦的大小密切相關(guān)，車尾縱向渦越大，誘導(dǎo)阻力也就越大，反之越小[17]。車尾縱向渦會產(chǎn)生一個大的低壓區(qū)，可以通過比較縱向截面內(nèi)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(qū)，最低達(dá)到了-110Pa，且大部分區(qū)域的壓力在-85～-105Pa之間；帶矩形導(dǎo)流板模型的低壓區(qū)大大減小，且沒有明顯的低壓區(qū)域，最低為-96Pa，且大部分區(qū)域的壓力在-70～-85Pa之間；帶有新型導(dǎo)流板模型的低壓區(qū)又進(jìn)一步減小，且最低壓為-87Pa，大部分區(qū)域的壓力集中在-65～-80Pa之間；帶溝槽的新型導(dǎo)流板模型的尾部壓力最高，最低為-80Pa，且大部分區(qū)域的壓力在-55～-75Pa之間，這也說明了新型導(dǎo)流板的減阻效果優(yōu)于矩形導(dǎo)流板，且當(dāng)其上布有溝槽時可進(jìn)一步增大尾部壓力，減小前后壓差。

5 結(jié)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(dǎo)流板的方案。對導(dǎo)流板長度和安裝角度進(jìn)行了研究，得到了最佳尺寸和角度。同時，依據(jù)仿生物學(xué)減阻原理，在導(dǎo)流板上布置溝槽和凹坑。最后對貨車加裝導(dǎo)流板后的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)論。

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

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

(3) 導(dǎo)流板上布置非光滑表面時，可進(jìn)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(dá)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。