許建民

（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.虛擬制造技術(shù)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 泉州 362000）

1 引言

汽車的氣動(dòng)減阻與燃料消耗以及二氧化碳排放直接相關(guān)，因此是重型廂式貨車的重要研究方向。廂式載貨汽車由于經(jīng)常處于高速行駛狀態(tài)（一般會(huì)超過80km/h），而且?guī)截涇囌队懊娣e比較大，從而比轎車和客車產(chǎn)生了更大的空氣阻力。美國能源部（DOE）研究[1-2]表明，一輛標(biāo)準(zhǔn)的滿載重型貨車以100km/h 的時(shí)速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的65%是用來克服氣動(dòng)阻力的。因此降低重型廂式貨車的空氣阻力可以大幅度提高貨車的燃油經(jīng)濟(jì)性。國內(nèi)外學(xué)者就廂式貨車的氣動(dòng)減阻機(jī)理等進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[3-4]采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)方法研究了導(dǎo)流罩對(duì)廂式貨車氣動(dòng)特性的影響。文獻(xiàn)[5]研究了尾部減阻結(jié)構(gòu)對(duì)廂式貨車氣動(dòng)特性的影響。文獻(xiàn)[6]就廂式貨車的貨廂頂部減阻結(jié)構(gòu)的減阻效果進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]分析了輪胎擋泥板對(duì)廂式貨車氣動(dòng)特性的影響。文獻(xiàn)[8]仿真分析了尾部減阻結(jié)構(gòu)對(duì)重型載貨汽車尾部流場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)[9-11]就車身非光滑表面對(duì)汽車氣動(dòng)特性的影響進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[12]對(duì)某SUV車型進(jìn)行了氣動(dòng)力性能優(yōu)化分析。由以上分析可知，目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)廂式貨車外流場(chǎng)的研究主要集中在導(dǎo)流罩的優(yōu)化、貨車尾部減阻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及流場(chǎng)分析以及非光滑表面結(jié)構(gòu)對(duì)貨車氣動(dòng)特性的影響等方面，而關(guān)于底部和側(cè)部減阻結(jié)構(gòu)對(duì)廂式貨車氣動(dòng)特性影響的研究報(bào)導(dǎo)不多見。因此基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析方法研究底部和側(cè)部減阻裝置對(duì)廂式貨車氣動(dòng)特性的影響，為廂式貨車氣動(dòng)減阻裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，從而提高廂式貨車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2 廂式貨車原始模型的建立及邊界條件

2.1 廂式貨車原始模型的建立及網(wǎng)格劃分

利用Pro/E 軟件建立廂式貨車的三維模型并簡(jiǎn)化其輪胎、后視鏡等細(xì)節(jié)部位。所建立的廂式貨車模型外部尺寸為：L=12m；W=2.5m；H=3m。廂式貨車的三維模型，如圖1 所示。由于廂式貨車周圍氣流對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)性能有較大影響，為了更好地模擬廂式貨車外部空氣動(dòng)力學(xué)性能，要求在廂式貨車模型周圍保留較長(zhǎng)計(jì)算區(qū)域，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算域分別為5 倍車長(zhǎng)，4 倍車寬，3 倍車高。廂式貨車外部計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分，如圖2 所示。

圖1 廂式貨車的三維模型Fig.1 Three-Dimensional Model of the Van Truck

圖2 計(jì)算域的網(wǎng)格劃分結(jié)果圖Fig.2 Meshing Result of Calculation Domain

2.2 邊界條件

（1）入口條件：取遠(yuǎn)端來流方向的端面為入口邊界，坐標(biāo)系建立在貨車車身上，空氣與貨車行駛的方向相反。速度大小為22m/s，方向沿x 軸，另外兩個(gè)垂直于氣流運(yùn)動(dòng)方向的矢量分別為0m/s。湍流強(qiáng)度設(shè)為0.5%。

（2）出口邊界：車身后遠(yuǎn)端端面設(shè)置為壓力出口邊界，相對(duì)壓強(qiáng)為0。

（3）壁面邊界條件：計(jì)算域上下左右表面以及模型外表面均為固定壁面邊界條件。

3 底部減阻裝置的設(shè)計(jì)及流場(chǎng)分析

3.1 底部減阻裝置的設(shè)計(jì)

載貨汽車由于其前輪與后輪之間具有較長(zhǎng)的距離，因此在其高速行駛時(shí)，其前輪與后輪之間的區(qū)域?qū)⑿纬珊軓?fù)雜的紊流現(xiàn)象，這種復(fù)雜的紊流大大地增加了空氣的阻力，不但影響車速，耗油量也大大增加?？梢酝ㄟ^對(duì)貨車底部加裝導(dǎo)流裝置來改善底部氣流的平順性，讓貨車在行駛過程中所受到的阻力減少。為此提出3 種貨車底部減阻結(jié)構(gòu)，分別為長(zhǎng)側(cè)裙實(shí)心導(dǎo)流罩，長(zhǎng)側(cè)裙空心導(dǎo)流罩和V 形導(dǎo)流罩。3 種貨車底部減阻裝置，如圖3 所示。長(zhǎng)側(cè)裙導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)位于前輪與后輪之間。該結(jié)構(gòu)是將前后輪之間側(cè)面空隙封住的導(dǎo)流罩，該導(dǎo)流罩為實(shí)心體（見圖3（a）長(zhǎng)側(cè)裙實(shí)心導(dǎo)流罩）或者為空心體（見圖3（b）長(zhǎng)側(cè)裙空心導(dǎo)流罩）且周邊封閉的結(jié)構(gòu)。而且該長(zhǎng)側(cè)裙導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)可以有效地阻止側(cè)風(fēng)引起的氣流橫穿汽車底部，因此可以在一定程度上消除汽車底部的渦流，同時(shí)汽車側(cè)面的渦流也得到了減弱。V 形導(dǎo)流罩的頂端朝向車頭方向，V 形導(dǎo)流罩包括形成一定角度的夾角。該結(jié)構(gòu)能夠改善貨車底部的空氣阻力，提高貨車在高速行駛下的穩(wěn)定性和安全性。

圖3 3 種貨車底部減阻裝置Fig.3 Three Kinds of Truck Bottom Drag Reducing Devices

3.2 底部減阻裝置的流場(chǎng)分析

貨車底部速度云圖對(duì)比，如圖4 所示。由圖可知，長(zhǎng)側(cè)裙實(shí)心導(dǎo)流罩貨車底部氣流速度最低，長(zhǎng)側(cè)空心導(dǎo)流罩貨車底部流速最快，V 形導(dǎo)流罩貨車底部流速相對(duì)于原始貨車模型底部也比較大，說明長(zhǎng)側(cè)裙實(shí)心導(dǎo)流罩對(duì)貨車底部的氣流有一定的阻礙作用，而長(zhǎng)側(cè)裙空心導(dǎo)流罩以及V 形導(dǎo)流罩均改善了貨車底部氣流流動(dòng)狀態(tài)。相對(duì)于貨車原始模型底部減阻裝置可以改善貨車底部氣流狀態(tài)。加裝底部減阻裝置的貨車前部4 個(gè)車輪前端較大的正壓力區(qū)減少了，從而減少了貨車前后方的壓力差，對(duì)貨車氣動(dòng)阻力的改善起到了較大的作用，如圖5 所示。

圖4 貨車底部速度云圖對(duì)比Fig.4 Comparison of the Speed Map of the Bottom of the Truck

圖5 貨車底部壓力分布云圖Fig.5 The Pressure Distribution at the Bottom of the Truck

貨車底部湍動(dòng)能云圖，如圖6 所示。湍動(dòng)能表示流場(chǎng)中的脈動(dòng)所包含的動(dòng)能，它表征了湍流的能量損失和劇烈程度。湍動(dòng)能值越大，則表示能量損失越大。如果作用在貨車前部的正壓力不變，湍動(dòng)能值越大，貨車尾部的能量損失越大，這樣貨車尾部氣流作用在貨車尾部的壓力越小，最終會(huì)導(dǎo)致貨車前后部的壓差阻力增大，氣動(dòng)阻力增加。對(duì)比貨車原始模型和加裝3 種不同底部減阻裝置的貨車模型底部的湍動(dòng)能云圖，可以看出4 種模型的湍動(dòng)能云圖差異比較大，湍動(dòng)能值比較大的區(qū)域主要集中在貨車前部以及前部4 個(gè)車輪周圍，這說明前部4 個(gè)車輪對(duì)氣流有較大的阻礙，使氣流在此處產(chǎn)生了氣流分離。貨車原始模型的湍動(dòng)能最為強(qiáng)烈，并且高湍動(dòng)能區(qū)域在整個(gè)云圖中所占的面積比例也最大，這表示氣流在貨車底部消耗了大量的能量，而底部減阻裝置的加裝，改善了貨車模型底部的氣流狀態(tài)，從而使得氣流流過貨車模型底部時(shí)的能量耗散得到降低。貨車原始模型與加裝3 種不同底部減阻裝置貨車模型的空氣阻力系數(shù)，如表1 所示?？梢钥闯?，底部減阻裝的減效果明顯，其中長(zhǎng)側(cè)空心導(dǎo)流罩的減阻效果最好，而V 形導(dǎo)流罩的減阻效果最差，這是因?yàn)閂 形導(dǎo)流罩在減少壓差阻力的同時(shí)也增加了整個(gè)貨車的迎風(fēng)面積，所有整體減阻效果一般。

圖6 貨車底部湍動(dòng)能云圖對(duì)比Fig.6 Comparison of Kinetic Energy Clouds at the Bottom of the Truck

表1 不同模型的空氣阻力系數(shù)Tab.1 Air Resistance Coefficient for Different Models

4 側(cè)部減阻裝置的設(shè)計(jì)及流場(chǎng)分析

4.1 側(cè)部減阻裝置的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了3 種側(cè)部減阻裝置，如圖7 所示。側(cè)部普通導(dǎo)流條包括5 條導(dǎo)流條，導(dǎo)流條均勻間隔開地布置在靠近廂式貨車尾部的兩個(gè)廂體側(cè)面上，從貨車尾部?jī)A斜30°向上延伸一預(yù)定長(zhǎng)度，導(dǎo)流條的上外部和前部分別是半徑為2cm 和5cm 的倒圓角。側(cè)部復(fù)合導(dǎo)流條與側(cè)部普通導(dǎo)流條在結(jié)構(gòu)上類似，相比于普通導(dǎo)流條，側(cè)部復(fù)合導(dǎo)流條包含一段80cm 長(zhǎng)的引導(dǎo)條，后半部分是與水平呈30°的向下普通導(dǎo)流條，這樣可以將周圍的氣流有順序的引導(dǎo)到裝置內(nèi)，讓氣流的流動(dòng)更平滑。在貨車行駛過程中，由于車輛底部的流速比較慢，導(dǎo)致車輛兩側(cè)的氣流流入車底部，導(dǎo)致側(cè)部的氣流紊亂。為了解決這個(gè)問題設(shè)計(jì)了側(cè)裙式導(dǎo)流條，這樣就可以使氣流流速更加均勻，提高氣流流動(dòng)的平順性，避免氣流渦流的產(chǎn)生。側(cè)裙式導(dǎo)流條是以厚度為2cm，高為30cm 的兩塊加裝在車輛側(cè)裙的裝置，邊緣均是半徑1cm 的倒圓角，以提高流體的通過性。

圖7 貨車側(cè)部減阻裝置Fig.7 Drag Reducing Device on Truck Side

4.2 側(cè)部減阻裝置的流場(chǎng)分析

貨車尾部速度矢量圖，如圖8 所示。從貨車上、下表面和左右側(cè)面流過的氣流在貨廂后緣進(jìn)入尾部自由區(qū)域，出現(xiàn)了漩渦和倒流現(xiàn)象。由于貨車尾部氣流分離作用，流過貨車上部的氣流在貨車尾部形成兩個(gè)回流漩渦。由速度矢量圖相比較可知，加裝側(cè)部普通導(dǎo)流條后的尾部渦流區(qū)域比原模型的小，說明渦流損失比較小，壓差阻力小。貨車側(cè)部速度分布云圖，如圖9 所示。由圖分析可知，加裝側(cè)部導(dǎo)流條后的貨車后部的低速區(qū)域更小，將后部的低速區(qū)域轉(zhuǎn)移到了側(cè)部，側(cè)部低速區(qū)域增加。

圖8 貨車尾部速度矢量圖Fig.8 Speed Vector of Truck Tail

圖9 貨車側(cè)部速度分布云圖Fig.9 Speed Distribution of The Truck Side

圖10 貨車尾部速度分布云圖Fig.10 Speed Distribution of the Truck Tail

貨車尾部速度分布云圖，如圖10 所示。貨車尾部出現(xiàn)大面積的低速區(qū)，貨車尾部的低速區(qū)域是貨車壓差阻力產(chǎn)生的主要原因之一。加裝側(cè)部復(fù)合導(dǎo)流條后的貨車尾部相比貨車原始模型的速度云圖的低速部分區(qū)域更小，車身后部的空氣流動(dòng)更加順暢，渦流減少，進(jìn)而負(fù)壓減小，從而減小了空氣阻力的形成。貨車底部速度矢量圖，如圖11 所示。由速度矢量圖可知，貨車底部氣流矢量比較復(fù)雜，渦流主要出現(xiàn)在車輪周圍。對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)加裝側(cè)裙式導(dǎo)流條的貨車底部氣流速度有所增加，氣流更加順暢和均勻，渦流減弱。這是因?yàn)?，加裝了側(cè)裙式導(dǎo)流條后，貨車側(cè)部的空氣就不易進(jìn)入車輛底部，貨車尾部的渦流范圍也變得較小，從而起到減阻的作用。貨車原始模型與加裝3 種不同側(cè)部減阻裝置貨車模型的空氣阻力系數(shù)，如表2 所示。可以看出，側(cè)部減阻裝的減效果相對(duì)于底部減阻裝置來說不是十分明顯，其中側(cè)裙式導(dǎo)流條的減阻效果最好。

圖11 貨車底部速度矢量圖Fig.11 Speed Vector of the Bottom of the Truck

表2 不同模型的空氣阻力系數(shù)Tab.2 Air Resistance Coefficient for Different Models

5 結(jié)論

（1） 基于貨車氣動(dòng)減阻機(jī)理設(shè)計(jì)了廂式貨車底部減阻裝置和側(cè)部減阻裝置。在廂式貨車原始模型基礎(chǔ)上分別在貨車底部和側(cè)部加裝了減阻結(jié)構(gòu)。分別從壓力分布、速度分布和湍流動(dòng)能分布等方面分析了6 種減阻裝置對(duì)廂式貨車的氣動(dòng)特性的影響。

（2）廂式貨車原始模型的氣動(dòng)阻力系數(shù)較大。底部和側(cè)部減阻裝置對(duì)廂式貨車有較好的減阻效果。底部和側(cè)部減阻裝置可以在一定程度上減少貨車尾部流場(chǎng)湍動(dòng)渦流的產(chǎn)生，從而減少氣動(dòng)阻力。底部減阻裝的減效果明顯，其中長(zhǎng)側(cè)空心導(dǎo)流罩的減阻效果最好，而V 形導(dǎo)流罩的減阻效果一般。側(cè)部減阻裝的減效果相對(duì)于底部減阻裝置來說不是十分明顯，其中側(cè)裙式導(dǎo)流條的減阻效果最好。