基于气动减阻装置的厢式货车气动特性研究

许建民

（1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024；2.虚拟制造技术福建省高校重点实验室，福建 泉州 362000）

1 引言

汽车的气动减阻与燃料消耗以及二氧化碳排放直接相关，因此是重型厢式货车的重要研究方向。厢式载货汽车由于经常处于高速行驶状态（一般会超过80km/h），而且厢式货车正投影面积比较大，从而比轿车和客车产生了更大的空气阻力。美国能源部（DOE）研究[1-2]表明，一辆标准的满载重型货车以100km/h 的时速行驶时，发动机燃料的65%是用来克服气动阻力的。因此降低重型厢式货车的空气阻力可以大幅度提高货车的燃油经济性。国内外学者就厢式货车的气动减阻机理等进行了深入的研究。文献[3-4]采用数值模拟和试验方法研究了导流罩对厢式货车气动特性的影响。文献[5]研究了尾部减阻结构对厢式货车气动特性的影响。文献[6]就厢式货车的货厢顶部减阻结构的减阻效果进行了研究。文献[7]分析了轮胎挡泥板对厢式货车气动特性的影响。文献[8]仿真分析了尾部减阻结构对重型载货汽车尾部流场的影响。文献[9-11]就车身非光滑表面对汽车气动特性的影响进行了深入研究。文献[12]对某SUV车型进行了气动力性能优化分析。由以上分析可知，目前国内外学者对厢式货车外流场的研究主要集中在导流罩的优化、货车尾部减阻结构的设计及流场分析以及非光滑表面结构对货车气动特性的影响等方面，而关于底部和侧部减阻结构对厢式货车气动特性影响的研究报导不多见。因此基于计算流体动力学分析方法研究底部和侧部减阻装置对厢式货车气动特性的影响，为厢式货车气动减阻装置的优化设计提供理论依据，从而提高厢式货车的燃油经济性。

2 厢式货车原始模型的建立及边界条件

2.1 厢式货车原始模型的建立及网格划分

利用Pro/E 软件建立厢式货车的三维模型并简化其轮胎、后视镜等细节部位。所建立的厢式货车模型外部尺寸为：L=12m；W=2.5m；H=3m。厢式货车的三维模型，如图1 所示。由于厢式货车周围气流对空气动力学性能有较大影响，为了更好地模拟厢式货车外部空气动力学性能，要求在厢式货车模型周围保留较长计算区域，根据经验计算域分别为5 倍车长，4 倍车宽，3 倍车高。厢式货车外部计算区域的网格划分，如图2 所示。

图1 厢式货车的三维模型Fig.1 Three-Dimensional Model of the Van Truck

图2 计算域的网格划分结果图Fig.2 Meshing Result of Calculation Domain

2.2 边界条件

（1）入口条件：取远端来流方向的端面为入口边界，坐标系建立在货车车身上，空气与货车行驶的方向相反。速度大小为22m/s，方向沿x 轴，另外两个垂直于气流运动方向的矢量分别为0m/s。湍流强度设为0.5%。

（2）出口边界：车身后远端端面设置为压力出口边界，相对压强为0。

（3）壁面边界条件：计算域上下左右表面以及模型外表面均为固定壁面边界条件。

3 底部减阻装置的设计及流场分析

3.1 底部减阻装置的设计

载货汽车由于其前轮与后轮之间具有较长的距离，因此在其高速行驶时，其前轮与后轮之间的区域将形成很复杂的紊流现象，这种复杂的紊流大大地增加了空气的阻力，不但影响车速，耗油量也大大增加。可以通过对货车底部加装导流装置来改善底部气流的平顺性，让货车在行驶过程中所受到的阻力减少。为此提出3 种货车底部减阻结构，分别为长侧裙实心导流罩，长侧裙空心导流罩和V 形导流罩。3 种货车底部减阻装置，如图3 所示。长侧裙导流罩结构位于前轮与后轮之间。该结构是将前后轮之间侧面空隙封住的导流罩，该导流罩为实心体（见图3（a）长侧裙实心导流罩）或者为空心体（见图3（b）长侧裙空心导流罩）且周边封闭的结构。而且该长侧裙导流罩结构可以有效地阻止侧风引起的气流横穿汽车底部，因此可以在一定程度上消除汽车底部的涡流，同时汽车侧面的涡流也得到了减弱。V 形导流罩的顶端朝向车头方向，V 形导流罩包括形成一定角度的夹角。该结构能够改善货车底部的空气阻力，提高货车在高速行驶下的稳定性和安全性。

图3 3 种货车底部减阻装置Fig.3 Three Kinds of Truck Bottom Drag Reducing Devices

3.2 底部减阻装置的流场分析

货车底部速度云图对比，如图4 所示。由图可知，长侧裙实心导流罩货车底部气流速度最低，长侧空心导流罩货车底部流速最快，V 形导流罩货车底部流速相对于原始货车模型底部也比较大，说明长侧裙实心导流罩对货车底部的气流有一定的阻碍作用，而长侧裙空心导流罩以及V 形导流罩均改善了货车底部气流流动状态。相对于货车原始模型底部减阻装置可以改善货车底部气流状态。加装底部减阻装置的货车前部4 个车轮前端较大的正压力区减少了，从而减少了货车前后方的压力差，对货车气动阻力的改善起到了较大的作用，如图5 所示。

图4 货车底部速度云图对比Fig.4 Comparison of the Speed Map of the Bottom of the Truck

图5 货车底部压力分布云图Fig.5 The Pressure Distribution at the Bottom of the Truck

货车底部湍动能云图，如图6 所示。湍动能表示流场中的脉动所包含的动能，它表征了湍流的能量损失和剧烈程度。湍动能值越大，则表示能量损失越大。如果作用在货车前部的正压力不变，湍动能值越大，货车尾部的能量损失越大，这样货车尾部气流作用在货车尾部的压力越小，最终会导致货车前后部的压差阻力增大，气动阻力增加。对比货车原始模型和加装3 种不同底部减阻装置的货车模型底部的湍动能云图，可以看出4 种模型的湍动能云图差异比较大，湍动能值比较大的区域主要集中在货车前部以及前部4 个车轮周围，这说明前部4 个车轮对气流有较大的阻碍，使气流在此处产生了气流分离。货车原始模型的湍动能最为强烈，并且高湍动能区域在整个云图中所占的面积比例也最大，这表示气流在货车底部消耗了大量的能量，而底部减阻装置的加装，改善了货车模型底部的气流状态，从而使得气流流过货车模型底部时的能量耗散得到降低。货车原始模型与加装3 种不同底部减阻装置货车模型的空气阻力系数，如表1 所示。可以看出，底部减阻装的减效果明显，其中长侧空心导流罩的减阻效果最好，而V 形导流罩的减阻效果最差，这是因为V 形导流罩在减少压差阻力的同时也增加了整个货车的迎风面积，所有整体减阻效果一般。

图6 货车底部湍动能云图对比Fig.6 Comparison of Kinetic Energy Clouds at the Bottom of the Truck

表1 不同模型的空气阻力系数Tab.1 Air Resistance Coefficient for Different Models

4 侧部减阻装置的设计及流场分析

4.1 侧部减阻装置的设计

设计了3 种侧部减阻装置，如图7 所示。侧部普通导流条包括5 条导流条，导流条均匀间隔开地布置在靠近厢式货车尾部的两个厢体侧面上，从货车尾部倾斜30°向上延伸一预定长度，导流条的上外部和前部分别是半径为2cm 和5cm 的倒圆角。侧部复合导流条与侧部普通导流条在结构上类似，相比于普通导流条，侧部复合导流条包含一段80cm 长的引导条，后半部分是与水平呈30°的向下普通导流条，这样可以将周围的气流有顺序的引导到装置内，让气流的流动更平滑。在货车行驶过程中，由于车辆底部的流速比较慢，导致车辆两侧的气流流入车底部，导致侧部的气流紊乱。为了解决这个问题设计了侧裙式导流条，这样就可以使气流流速更加均匀，提高气流流动的平顺性，避免气流涡流的产生。侧裙式导流条是以厚度为2cm，高为30cm 的两块加装在车辆侧裙的装置，边缘均是半径1cm 的倒圆角，以提高流体的通过性。

图7 货车侧部减阻装置Fig.7 Drag Reducing Device on Truck Side

4.2 侧部减阻装置的流场分析

货车尾部速度矢量图，如图8 所示。从货车上、下表面和左右侧面流过的气流在货厢后缘进入尾部自由区域，出现了漩涡和倒流现象。由于货车尾部气流分离作用，流过货车上部的气流在货车尾部形成两个回流漩涡。由速度矢量图相比较可知，加装侧部普通导流条后的尾部涡流区域比原模型的小，说明涡流损失比较小，压差阻力小。货车侧部速度分布云图，如图9 所示。由图分析可知，加装侧部导流条后的货车后部的低速区域更小，将后部的低速区域转移到了侧部，侧部低速区域增加。

图8 货车尾部速度矢量图Fig.8 Speed Vector of Truck Tail

图9 货车侧部速度分布云图Fig.9 Speed Distribution of The Truck Side

图10 货车尾部速度分布云图Fig.10 Speed Distribution of the Truck Tail

货车尾部速度分布云图，如图10 所示。货车尾部出现大面积的低速区，货车尾部的低速区域是货车压差阻力产生的主要原因之一。加装侧部复合导流条后的货车尾部相比货车原始模型的速度云图的低速部分区域更小，车身后部的空气流动更加顺畅，涡流减少，进而负压减小，从而减小了空气阻力的形成。货车底部速度矢量图，如图11 所示。由速度矢量图可知，货车底部气流矢量比较复杂，涡流主要出现在车轮周围。对比分析后发现加装侧裙式导流条的货车底部气流速度有所增加，气流更加顺畅和均匀，涡流减弱。这是因为，加装了侧裙式导流条后，货车侧部的空气就不易进入车辆底部，货车尾部的涡流范围也变得较小，从而起到减阻的作用。货车原始模型与加装3 种不同侧部减阻装置货车模型的空气阻力系数，如表2 所示。可以看出，侧部减阻装的减效果相对于底部减阻装置来说不是十分明显，其中侧裙式导流条的减阻效果最好。

图11 货车底部速度矢量图Fig.11 Speed Vector of the Bottom of the Truck

表2 不同模型的空气阻力系数Tab.2 Air Resistance Coefficient for Different Models

5 结论

（1） 基于货车气动减阻机理设计了厢式货车底部减阻装置和侧部减阻装置。在厢式货车原始模型基础上分别在货车底部和侧部加装了减阻结构。分别从压力分布、速度分布和湍流动能分布等方面分析了6 种减阻装置对厢式货车的气动特性的影响。

（2）厢式货车原始模型的气动阻力系数较大。底部和侧部减阻装置对厢式货车有较好的减阻效果。底部和侧部减阻装置可以在一定程度上减少货车尾部流场湍动涡流的产生，从而减少气动阻力。底部减阻装的减效果明显，其中长侧空心导流罩的减阻效果最好，而V 形导流罩的减阻效果一般。侧部减阻装的减效果相对于底部减阻装置来说不是十分明显，其中侧裙式导流条的减阻效果最好。