基于不同裝貨量的皮卡車空氣動力特性分析

劉婧

江鈴汽車股份有限公司 江西省南昌市 330200

1 引言

汽車空氣動力學是研究汽車與周圍空氣在相對運動時兩者之間相互作用力的關系及運動規律的學科，它屬于流體力學的一個重要部分[1，2]。隨著汽車行駛速度的提高，從汽車安全和節能角度考慮，汽車必須具有良好的空氣動力學特性，通過減小汽車空氣阻力來降低燃油消耗而節約能源、控制升力變化以保持良好的操縱穩定性。

今年來，隨著多地皮卡進城限制的取消，以及皮卡車型乘用化發展的趨勢，皮卡車的市場份額逐漸增加，但是皮卡作為風阻較高的車型，其風阻水平沒有得到足夠的重視，有關皮卡車外流場研究的文獻極少。

相對于SUV或者乘用車，皮卡車型的風阻較高，這主要是由皮卡車的結構型式決定的，皮卡上車體由駕駛室和貨箱兩部分組成，導致了流經駕駛室的流場和貨箱處的氣流形成了兩個尾渦。而在車尾處這兩種流場相互作用導致車尾處的流場分布相對更復雜，一些從SUV和轎車獲取的經驗均無法應用到皮卡車型。

以上研究是基于皮卡車型的設計狀態，沒有考慮到消費者實際裝貨的情況，而在用戶實際使用過程中，會根據不同的需求選擇裝載貨物的方式，其對風阻的影響仍不清楚。

2 流體動力學建模及仿真

2.1 幾何模型

為了保證分析結果的準確性，本文分析中采用的模型為全尺寸的完整整車模型，模型總長5443mm，總寬2172mm，總高 1820mm。模型包含了車輛的動力系統、底盤系統、白車身、開閉件、外飾、電氣系統和部分內飾系統。僅僅簡化了對外外流無影響的部分乘員艙內飾。這樣使此模型非常具有代表性，分析結果對市面上大部分主流皮卡車均適用。

2.2 建模及邊界條件設定

參 考T/CSAE 112-2019乘 用 車 空 氣 動力學仿真技術規范[3，4]，并結合皮卡車型的特點，本文所采用的計算域為車前3倍車長，車后8倍車長，上部7倍車高，兩側7倍車寬。

為盡量降低網格尺寸對計算結果的影響，本分析面網格與幾何模型重合度要求達到97%以上，進氣格柵、后視鏡、A柱等區域特別加密。

六面體網格具有網格數量少、質量高、收斂快、計算時間少的優點[5]，本次分析采用Trim網格，邊界層第一層控制厚度1mm，采用拉伸的三棱柱網格，同時對整車設置多個加密域，另外再單獨對進氣格柵、后視鏡、A柱等區域特別加密。

為了與風洞試驗值對比，邊界條件設為：進口100kph，出口為壓力出口，輪胎設置旋轉，車地區域地面參考風洞試驗設置成100kph移動，其余地面設置成滑移地面。

2.3 貨箱貨物裝載情況對比

為充分對比不同的貨箱貨物裝載情況對空氣動力學的影響，現對貨箱貨物裝載情況分成三大類十小類進行計算。三大類分別是水平放置、前傾斜放置和后傾斜放置。

3 計算結果

3.1 不同裝載方式阻力對比

裝載方式對風阻的影響比較大，如下圖1所示，在選取的10種裝載方式中，風阻最大與最小相差4.3%。其中，水平裝載方式隨著裝貨量的增大阻力增大，當裝貨量100%時，阻力下降到比空載時低，這種情況類似于在貨箱上增加蓋板。前傾裝載方式，隨著裝貨量的增加，阻力增大；后傾裝載方式，隨著裝貨量增加，阻力呈現減小的趨勢，并且整體阻力較空載時小。

圖1 不同方案的風阻系數

3.2 Y0截面速度云圖對比

3.2.1 水平裝載分析結果

圖2～圖6為水平裝載0-80%的Y0截面的速度云圖，從圖中可以看出，隨著裝載量的增大貨廂內回流向駕駛室背面的氣流速度降低，貨廂尾板上方的分離氣流被推向遠離車身，尾渦增大且上下不平衡，從而增大了風阻。

圖2 水平-0%

圖6 水平-80%

但當裝載量達到100%時，如下圖10所示，駕駛室后部及圍板后部的尾渦上下平衡，風阻系數反而降至最低。

3.2.2 前傾裝載分析結果

隨著貨箱內向前傾斜擺放貨物越來越多，風阻系數越來越大。

圖7和圖8為50%、100%前傾裝載方式的Y0截面速度云圖，從駕駛室頂蓋過來的氣流對圍板前表面的沖擊增加，同時，靠近駕駛室背面的尾渦不規則，導致壓力恢復變差，造成風阻增大。

圖7 前傾-50%

圖8 前傾-100%

3.2.3 后傾裝載分析結果

隨著貨箱內向后傾斜擺放貨物越來越多，風阻系數越來越小。如圖9和圖10所示，駕駛室后部形成比較規則的渦，有利于駕駛室背部的壓力恢復。

圖3 水平-20%

圖4 水平-40%

圖5 水平-60%

圖9 后傾-50%

圖10 后傾-100%

4 結語

本文研究了皮卡車貨箱三種不同裝載方式共10個方案的整車風阻變化，發現以下規律：

（1）水平裝載貨物時，滿裝或者接近滿裝時能獲得比較好的整車風阻系數，較空裝時降低風阻系數1.3%。

（2）后傾裝載貨物時，均能獲得較空裝時更好的整車風阻系數。

裝載貨物方式不同，會影響到整車風阻，然而客戶實際裝貨場景千差萬別，其對整車風阻系數的影響仍需要進一步研究。