队列行驶货车气动特性仿真及影响因素分析

高伟，余伟，吴永兴，罗金涛，郝金龙

（湖北汽车工业学院 汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室，湖北 十堰442002）

随着车联网技术和自动驾驶技术的发展，汽车队列行驶成为未来智能交通系统中主要的行驶模式，研究队列行驶车辆的气动特性，对自动驾驶系统最优减阻设计以及制定行车安全距离规范等具有重要的意义［1］。高速行驶时，汽车的气动特性不仅关乎动力性，还关系到燃油经济性。相关研究表明，车辆队列行驶不仅可以提升道路的运输效率，还可以改善汽车的气动特性，从而降低空气阻力提高其燃油经济性［2］。2004 年Fred Browand 等人进行了2 辆货车队列行驶的道路试验，当间距为3 m和4 m 时，前车油耗减少了9%，后车油耗减少了11%，队列行驶的平均油耗减少了10%；当间距为8 m和10 m时，队列行驶的平均油耗减少了8%［3］。2009 年Richard Ramakers 等人在没有增加高速公路辅助设施的情况下，在德国高速公路上进行了4辆间距为10 m的货车队列行驶数千公里的道路试验，队列行驶车辆的燃油消耗降低了约10%［4］。2013 年日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）公开展示了4辆货车以车速80 km·h⁻¹、车距为4 m的列队行驶技术成果，表明缩短车距可以减少中间车辆受到的空气阻力，使队列行驶的4辆卡车的平均燃效提高15%以上［5］。2013年Arturo Davila等人通过计算流体动力学仿真研究了由2 辆货车（Volvo FH2）、3 辆轿车（Volvo S60、Volvo V60、Volvo XC60）组成的队列行驶车辆在间距分别为3 m、6 m、15 m 时的气动特性，结果表明每辆车的空气阻力系数均随着间距的减小而降低，最大可降低20%；道路试验的结果表明最前面的车辆节省8%的燃油，后面的车辆节省约16%的燃油［6］。我国在队列行驶车辆气动特性方面的研究起步较晚，2006年傅立敏等采用数值模拟方法对队列行驶车辆的气动特性进行了研究，结果表明，队列行驶车辆的气动阻力系数随车间距离的减小而降低；当车间距不变时，随着队列中车辆数目的增加，每辆车的气动阻力系数均降低，队列行驶车辆的平均阻力系数可降低20%～30%，阻力最小的车处于车队的中心位置［7］。王靖宇等对队列行驶的3 辆汽车的外流场进行了数值模拟，当3 辆汽车行驶间距相同时，平均气动阻力低于单车行驶时的阻力，且中间车辆的阻力最低，最前面车辆的阻力最大，中间车辆的阻力随着间距的减小而降低；当队列行驶车辆的间距不等时，平均气动阻力低于单车行驶阻力，最后面车的位置变化对中间车辆气动阻力影响较大，对最前面的车的气动阻力影响较小［8］。许香港对侧风及车辆间距对队列行驶货车的影响进行了CFD分析，结果表明，两车和三车队列行驶的平均油耗分别降低了8.93%和15.01%［9］。李姝红对两车、三车队列行驶空气动力学特性进行了仿真研究，结果表明，两车队列行驶的平均节油率为2%～6%，且节油率随着间距的减小而增大；三车队列行驶的平均节油率为2.5%～8%，效果优于两车。通过研究车速对队列行驶车辆节油效果的影响表明，当车速在16～34 m·s⁻¹时，前后车的节油率分别为0.7%～1.8%和2.6～5.8%［10］。文中旨在研究车辆数目、车辆纵向间距对队列行驶货车气动特性的影响。

1 单车外流场的数值模拟

1.1 几何模型的建立

研究对象为某箱式货车，长L为5.5 m，宽W为1.6 m，高H为2 m。由于计算机硬件资源的限制，对货车车身进行了简化处理，省略了前后桥、排气系统、后视镜、门把手、悬架系统、制动系统等对货车空气动力学特性影响不大的部分装置。此外，在不考虑侧风的情况下，货车外流场左右对称，为了节省计算资源，文中利用Catia 软件建立了1：10的货车半模模型，如图1所示。

图1 货车三维模型

1.2 计算域的建立及网格划分

在对车身的外流场进行数值模拟时，合适的流体区域对于计算精度至关重要，为使来流均匀稳定、尾流充分发展以及避免计算域过小产生回流，设置入口距离车头的尺寸为3L，出口距离汽车车身尾部为7L，顶面距离车身上部为4H，侧面距离车身侧面为5W，长方体的计算域如图2a所示。

图2 单车外流场计算域及其网格

应用Ansys Meshing 对单车外流场计算域进行网格划分，如图2b所示，网格类型为“四面体+三棱柱”非结构化混合网格，车身表面的网格尺寸设置为0.01 m，在货车车身表面添加了三棱柱网格以模拟车身表面的边界层，设置第1层厚度为0.001 m，增长率为1.2，层数为5，利用设置密度盒对车身周围的网格进行局部加密以提高计算精度，密度盒内网格尺寸设置为0.08 m。

1.3 边界条件及求解器的设置

边界条件的设置在数值模拟计算中尤为重要，关系到整个数值计算结果是否收敛、仿真与试验的差异，边界条件的具体设置见表1。湍流模型选用Realizable k-ε 模型，空间离散格式采用二阶迎风格式，采用Simple 算法进行迭代，计算残差值设为1×10-6，迭代步数为2000步。

表1 边界条件的设置

1.4 仿真结果分析

图3 纵向对称面压力系数和速度矢量分布图

通过仿真计算求得单车的气动阻力系数为0.79，单车纵向对称面压力系数分布和速度矢量分布如图3所示。从图3a可以看出，气流流经货车车头和车厢前上部时受到阻碍，发生了阻滞现象，形成了正压区，在车厢尾部发生了气流分离而形成了负压区，货车前部的压力大于后部的压力，从而产生了压差阻力。由图3b 可知，气流由于受到车头的阻挡，速度迅速降低并接近于0 m·s-1，形成阻滞区域；受阻的气流分成2 个部分，一部分气流向上沿着驾驶室爬升，另一部分气流进入车底。由于车厢比驾驶室高，车厢前部突出部分阻挡了气流流动，气流在驾驶室顶部发生了分离，气流的速度快速升高导致压力下降，形成了较大的涡流。气流沿着驾驶室顶部向后流动时，由于受到车厢的阻挡，在车厢的前上部形成阻滞区域，使压力增加；当气流沿着车厢顶部向后流动时，在车厢的前顶部发生了分离后再次附着，导致该处压力下降。车厢顶部的气流一直流到货车尾部并与来自车底、车身两侧的气流汇合形成上下2个旋涡，旋涡消耗了大量的能量，使货车的气动阻力较大。

2 车间距对货车气动特性的影响

2.1 研究方案的确定

为了研究车间距对队列行驶汽车气动特性的影响，确定了如表2 所示的计算方案。利用Catia软件建立了不同间距下两车队列行驶货车的几何模型，长方体计算域的尺寸设置为：入口距离第1辆车前部为3L，出口距离第2 辆车尾部为7L，顶面距离车身上部为4H，侧面距离车身侧面为5W，两车在0.5L间距下队列行驶的计算域如图4 所示。不同间距下两车队列行驶时网格划分参数的设置、边界条件及求解参数的设置均与单车外流场数值模拟保持一致。

表2 计算方案

图4 车间距为0.5L时两车队列行驶的计算域

2.2 车间距对气动阻力系数的影响分析

图5 两车队列行驶气动阻力系数比与车间距的关系

14种不同车间距下两车队列行驶时各车的气动阻力系数比与车间距的关系见图5a。由图5a可知：当车间距与车身长比值为0.25～5时，两车气动阻力系数均小于单车气动阻力系数；当车间距与车身长比值为0.25～0.75 时，后车气动阻力系数始终大于前车气动阻力系数，且前车气动阻力系数随着间距的减小而减小，后车气动阻力系数随着间距的减小而增大；当车间距与车身长比值大于0.75 时，后车气动阻力系数始终小于前车气动阻力系数。两车队列行驶的平均气动阻力系数比与车间距的关系如图5b 所示。由图5b可以看出，当车间距与车身长比值为0.25～5 时，两车队列行驶的平均阻力系数均小于单车气动阻力系数，且当车间距与车身长比值为0.5时，平均阻力系数最小。由此可见队列行驶车辆设置合理的间距，有利于减小气动阻力，提高其燃油经济性。

3 车辆数目对货车气动特性的影响

研究车辆数目对队列行驶车辆气动特性的影响可以预测不同方案高速公路吞吐量的变化情况，为汽车控制系统的设计提供一定的数据参考。

3.1 仿真方案的确定

为了研究车辆数目对于队列行驶货车气动特性的影响规律，将车辆数目作为研究变量。智能交通系统中自动驾驶的队列行驶车辆可以利用车载控制系统实现近距离行驶，故仿真中队列行驶货车间距为1L，车辆数目分别为2～5。在Catia 软件中建立了不同车辆数目的队列行驶货车的几何模型，计算域均为长方体，入口距离第1 辆车的前部为3L，出口距离最后一辆车的尾部为7L，顶面距离车身上部为4H，侧面距离车身侧面为5W，三车队列行驶的计算域如图6所示。网格划分参数的设置、边界条件及求解参数的设置均与单车外流场数值模拟保持一致。

图6 三车队列行驶的计算域

3.2 车辆数目对气动阻力系数的影响分析

2～5 辆货车队列行驶时队列中各车的阻力系数比如图7a 所示。由图7a 可知，各队列中第1 辆车的阻力系数受车辆数目的影响不大，并与单车气动阻力系数较接近，随着车辆数目的增加，队列中其他车辆的阻力系数均小于单车阻力系数。2～5辆货车队列行驶的平均阻力系数比如图7b 所示。由图7b可以看出，随着车辆数目的增加，队列的平均阻力系数下降，但随着队列中车辆数目的增加，平均阻力系数下降的幅度减小。

图7 不同数目车辆队列行驶的平均气动阻力系数比

图8 队列行驶车身表面及地面压力系数分布图

图8 为单车及多车队列行驶车身表面及地面压力系数分布云图，由图8a可以看出，两车队列行驶时，由于两车流场之间的相互作用使前车尾部的压力升高，后车头部的压力下降，从而降低了前车及后车的压差阻力，使其气动阻力系数下降。三车、四车、五车队列行驶时，中间车辆的气动阻力系数基本上都低于队列中头车和尾车的气动阻力系数，主要是由于前车的存在使中间车辆的头部压力降低，后车的存在使中间车辆尾部的压力升高。

4 结论

1）当车间距与车身长的比值为0.25～5 时，行驶队列中两车的气动阻力系数均小于单车的气动阻力系数；当车间距与车身长的比值为0.5时，队列行驶车辆平均气动阻力系数最小。

2）队列中第1 辆车的阻力系数受车辆数目的影响不大，随着车辆数目的增加，队列中其他车辆的阻力系数均小于单车阻力系数，随着车辆数目的增加，队列的平均阻力系数最多可降低10.38%。