柔性附件在商用车上应用的空气动力学性能研究

周志斌 李程 许恩永

摘 要：随着商用车物流市场对时效性要求的持续提升，降低阻力获得最佳燃油经济性成为主机厂首要解决的技术问题。以往整车空气动力学性能分析受限于车辆使用边界要求，多以开展车辆造型结构优化工作为主。本文通过收集欧美商用车车辆发展及材料应用趋势，开展前保险杠、侧护裙及导流罩增加柔性附件后的仿真优化分析，结果表明：通过加装不同状态的柔性附件整车风阻系数可获得较好的优化效果，为后续厂家开展产品开发提供设计指导。

关键词：柔性附件;商用车;空气动力学

中图分类号：U467  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）10-84-04

Research on Aerodynamic Performance of Flexible Accessoriesin Commercial Vehicles^*

Zhou Zhibin， Li Cheng， Xu Enyong

（ Commercial Vehicle Tech Center， Dong Feng Liuzhou Motor Co.， Ltd.， Guangxi Liuzhou 545005 ）

Abstract： With the continuous improvement of the timeliness requirements of the commercial vehicle logistics market， how to reduce the resistance and obtain the best fuel economy has become the first technical problem to be solved by each OEM. The wind resistance rises rapidly as the vehicle speed rises into a square relationship. In the past， the analysis of the aerodynamic performance of the entire vehicle was limited by the requirements of the vehicle's use boundary， and it was mostly carried out to optimize the vehicle modeling structure. This article collects the development of European and American commercial vehicle vehicles and material application trends， and conducts simulation and optimization analysis of the front bumper， side skirt， and shroud after adding flexible accessories. The analysis results show that by adding flexible accessories with different states， the vehicle's wind resistance coefficient is increased. It can obtain better optimization results and provide design guidance for subsequent manufacturers to carry out product development.

Keywords： Flexible attachments; commercial vehicles; aerodynamics

CLC NO.： U467  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）10-84-04

引言

隨着物流运输发展商用车行驶速度增加，阻力亦随之增大。车速达80km/h后能耗影响依次为风阻、滚阻、附件损失、传动损失^[1-3]，如表1所示。以公路牵引车为例，49T满载情况下当车速大于70km/h以后，风阻每降低2%可带来1%以上的油耗改善，空气动力学优化带来的效益显而易见。而商用车驾驶室由于模具投资大，产品定型后难以频繁修模调整。为获得风阻的持续优化，主机厂以往聚焦于外饰变动改款来实现提升，在外饰与周边边界匹配性研究较少^[4，5]。

近年来，欧美商用车在前瞻技术研究或概念车型上逐步展示了柔性材料应用，如图1所示。由于柔性附件允许存在一定的周边件相互接触摩擦，同时易于更换，维护成本远低于其带来的节油收益，预测在欧美下一代商用车上可能快速量产使用。鉴于此，本文主要运用流体分析软件STARCCM+软件对国内某型商用车进行空气动力学分析，通过增加柔性附件进行模拟降阻仿真研究，主要在前保险杠，侧护裙及导流罩三个部位，开展不0同部位及组合方案的仿真分析对比，提出组合方案建议，为国内车型开发在空气动力学性能优化方向上提供理论依据。

1 模型定义

1.1 物理模型

汽车外流场分析的湍流模型选择网格适应性较好的Reliablek-ε模型，该湍流模型能较好的模拟边界层的流动情况，在外流场的模拟计算中应用较为广泛。空气动力学遵循流体力学基本方程。于空气而言，马赫数小于0.3均可认为不可压缩流动。分析车速为90km/h（25m/s），马赫数小于0.1，可认为汽车外流场属于不可压缩空气的钝体绕流，通常不考虑能量方程求解^[6-7]。

连续方程：

式中：v为平均速度。

动量方程：

式中：ρ为空气密度;v_i为平均速度分量;μ_eff为湍流有效黏性系数。

能量方程：

式中：T为温度;C_p为比热容;S_T为流体内热源及由于黏性作用流体机械能转化的热能。

湍流动能方程：

式中：k为湍流动能;表示湍流动能有效扩散系数;G可通过式（5）计算;ε为湍流动能耗散率。

湍动能耗散方程：

其中，表示湍动能黏性耗散有效扩散系数;

1.2 环境模型

采用全尺寸4×2牵引车，厢式挂车，挂车与牵引车刚性连接，外流场尺寸为：长（130m）、宽（15m）、高（18m）。由于整车外廓尺寸较大、零部件多，计算机硬件资源有限，为减少网格数量，对一些较为复杂且对流场影响较小的部件做简化处理，总网格数在2900万-3100万之间。

1.3 边界条件

根据仿真分析经验，空气动力学的边界条件设置如下：

2 优化方案及模型建立

采用图3（a）的整车空气动力学仿真模型为基准模型，并在此基础上设计出表3中的5种优化方案，基于优化方案建立的优化模型分别如图3（b）-图3（f）所示。

3 计算结果

优化方案1同基准方案相比风阻系数降低24counts。由Y=0m截面速度卷积分图可知：柔性部件将正面的来流导向地面，对底盘的起到较好的保护作用，特别是前桥、前轮等部件受正面来流的冲击的区域大大减少，正压区减少明显，是风阻降低的关键。

优化方案2同基准方案相比风阻系数降低4counts。从Z=-0.5m截面速度卷积分图可知：在侧裙底部增加柔性部件降低离地高度为250mm，流过底盘的气流更加顺畅，流过挂车底盘的气流速度略有提升，但总体优化不明显，还有进一步改善空间。

优化方案3同基准方案相比风阻系数降低9counts。由图6所示的Z=-0.5m截面速度卷积分图可知：流过底盘的气流更加顺畅，相比方案2流过挂车底盘的气流速度均有提升。

优化方案4同基准方案相比风阻系数降低24counts。由图7可知：基准方案流过侧导流罩的气流在主挂间形成两个大尺度的涡流，风阻较大;在主挂间增加柔性部件，可以有效的防止流过侧导流罩的气流进入主挂间的间隙，对挂车前端面的起到较好的保护作用，减少了挂车前端面的正压区。

优化方案5同基准方案相比风阻系数降低50counts，综合使用全部三个部位的柔性部件对整车降阻效果明显。由图8可知，优化方案5在前桥、前轮及挂车前端面的正压降低较为明显，对风阻降低贡献最大;此外，方案组合后挂车底部气流趋于合理，挂车底部涡旋基本消除。

4 结论

本文通过收集欧美商用车车辆发展及材料应用趋势，开展前保险杠、侧护裙及导流罩增加柔性附件后的仿真优化分析，得出如下结论：（1）加装柔性附件确实对整车风阻有改善，特别是对多部位采取组合使用时，最大可降低50counts，效果明显。（2）前轮处的正压力及挂车底盘的涡旋对风阻系数影响较大，可以通过不同的尺寸参数进行迭代，得到最优的设计尺寸边界值。（3）柔性附件在欧美才处于初步应用阶段，国内因材料工艺能力困难推广应用较缓，依据仿真分析的结果可知其风阻改善带来较大的节油收益，使主机厂和材料厂更有信心共同加快研究应用，实现各环节的双赢，国内产品品质提升。

参考文献

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