某卡車外流場分析與優化

2018-04-02 07:17:00林長波許恩永馮高山

裝備制造技術 2018年1期

林長波，許恩永，馮高山，展新

（東風柳州汽車有限公司，廣西柳州545005）

近年來，隨著物流行業的快速發展，對快遞的轉運效率要求越來越高，很多卡車生產企業開發了一系列的重型快速物流車，該系列快速物流車的特點是車廂容積大（迎風面積達到8～12 m2），平均車速達到了80～100 km/h.當車速達到90 km/h時，空氣阻力占車輛總行駛阻力比重的1/3，這就意味著車輛在行車過程中消耗1/3的燃油用于克服空氣阻力[1]。而物流行業因其行業特點對卡車的燃油經濟性要求頗高。國內的一些卡車生產企業和研究機構紛紛開展如何降低重型載貨車的整車空氣阻力研究，如盛輝物流公司研究開發的掛車側護裙已成功申請國家發明專利。

本文主要運用仿真分析的方法，對某重型快速物流車的車掛匹配進行數值模擬，得到整車風阻系數及詳細的流場信息，并對該車的空氣動力學性能進行優化分析，較大幅度的降低了整車的風阻系數，為該款車型的拖車、掛匹配設計優化提供參考依據。

1　計算模型及邊界條件

1.1　理論基礎

空氣動力學遵循流體力學的三個基本方程，各基本方程如下：

（1）連續方程

（2）動量方程

（3）能量方程

（4）湍流動能k方程

式中：v為平均速度，vi為平均速度分量，xi為坐標分量，T為溫度，K為流體傳熱系數，CP為比熱容，ST為流體內熱源及由于黏性作用流體機械能轉化為熱能的部分，k為湍流動能，ε為湍流動能耗散率，μkeff為湍流有效黏性系數，ρ為空氣密度，Γkeff表示湍流動能有效擴散系數，Γεeff表示湍動能黏性耗散有效擴散系數[2]。

對于空氣而言，馬赫數小于0.3的，均可認為不可壓縮流動[3]。該車的車速僅為90 km/h（25 m/s），馬赫數小于0.1，故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。

1.2　3D幾何模型

本文以國內某款重卡為計算模型，并確定了以下幾個優化措施，如圖1～圖5所示。為了減小計算量，采取機艙封閉的方法（不考慮該車的內循環阻力），同時為了提高模型的網格質量，對一些對網格質量影響較大且對流場影響較小的細節進行一定的簡化處理，如車架和車輪等。

圖1　原車

圖2　車廂前端圓角化

圖3　可調高度導流罩

圖4　尾部擾流板

圖5　側護裙

1.3　網格模型

外流場，入口距整車前端距離為2.5倍車長，出口距車尾為6倍車長，高度為5倍車高，左右各為2.5倍車寬，體網格采用Trimmer網格，邊界層為4層，近壁層厚度為1 mm，并在車尾、后視鏡等區域進行局部加密，網格總數為3 538萬。

圖6　網格模型

1.4　湍流模型及邊界條件

湍流模型選擇Reliable k-e模型，該湍流模型能較好的模擬了邊界層的流動情況，在外流場的模擬計算中應用較為廣泛[4]。

根據該車規劃的經濟車速為85～95 km/h，設置外流場入口邊界為速度入口邊界，出口邊界為壓力出口邊界，其中，入口速度V=90 km/h，出口相對壓力Pref=1 013 mbar；整車表面采用非滑移壁面，地面采用移動邊界，速度與車速一致，即V1=90 km/h，外流場其余邊界均設置為滑移邊界。

2　計算結果及分析

2.1　阻力系數

圖7為氣動阻力系數的變化趨勢。由此可見，方案一車廂前端面圓角化對降低風阻系數作用尤為明顯，增加掛車尾部擾流板次之，而更換可調高導流罩及增加掛車側護裙降阻作用并不十分明顯；空氣阻力與Cd×A成正比，在整車正投影面積A不變的情況下，故Cd越大，空氣阻力越大，能耗越高。

圖7 氣動阻力系數減小的效果

2.2　流場分析

圖8～圖9為原車及車廂前端圓角化方案壓力云圖對比。原車狀態車廂前端面形成的正高壓區面積明顯要比車廂前端圓角化方案大，是導致其風阻系數較大的主要原因；車廂圓角化后，流過駕駛室側面的大部分氣流能平滑過渡到車廂側壁，達到沿車廂表面貼體流動的最優流動狀態，如圖11～圖12所示，也是其風阻系數降低較為明顯的主要原因之一。

圖10為優化導流罩后的整車壓力云圖。由于該掛車車廂較高，原車設計的頂導流罩并未對車廂前端形成良好的保護。與圖9相比，導流罩調高后，避免了來流對車廂正表面沖擊，車廂前端面的正壓區已明顯減小，降低了風阻。可見，可調高度頂導流罩的設計開發對于不同高度車廂的適應性較好。

圖8　原車壓力云圖

圖9　車廂前端圓角化方案壓力云圖

圖10　可調高度導流罩方案壓力云圖

圖11　原車流線圖

圖12　車廂前端圓角化方案流線圖

駕駛室與車廂之間的距離及車廂尾部渦流對卡車風阻的影響很大，減小車廂尾部的低壓區對降低阻力作用尤為明顯。如圖13～圖14，增加車廂尾部擾流板并對其進行優化設計對減小車廂尾部的低壓區效果較為明顯；經驗證，尾部擾流板的角度和寬度對整車風阻較為敏感，對尾部擾流板進行降阻敏感度計算驗證：車廂后擾流板的的最佳角度應控制在10～15°，擾流板的寬度在0.3～0.5 m之間，通過增加掛車尾部擾流板可實現整車風阻降低6%～8.5%.新的GB1589法規已明確掛車尾部擾流板的長度不計入整車長度，相信不久的將來，能實現良好的空氣動力學性能的車廂尾部擾流板將會得到廣泛的應用。