一种厢式货车被动减阻技术研究*
2012-07-13杨小龙胡凯耀
杨小龙,胡凯耀
(湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南 长沙 410082)
节能减排是目前全世界面临的课题.在中国随着汽车工业的迅猛发展,高等级公路的建设和汽车车速的提高,汽车的气动阻力在总阻力中所占的比例也越来越高,对汽车进行气动减阻研究十分必要.在过去的20年中,随着风洞技术和计算流体力学的发展,汽车尤其是轿车的空气动力特性研究得到了长足进步.目前,一部设计良好的轿车气动阻力系数Cd一般为0.2~0.3,但出于商业上的考虑,货车的气动阻力一直维持在较高的水平,现在一般货车的气动阻力为0.6~0.8,甚至有些大型拖挂车能达到1[1].
随着节能减排的压力进一步加大,货车作为耗能大户得到越来越多研究者的关注,对货车进行气动优化、降低气动阻力也已提上日程.例如美国Lawrence Livermore国家实验室联合多所高校及研究机构,计划在8年内将货车气动阻力由目前的0.6~0.8降低到0.3~0.5[2].
目前,货车的减阻措施分为主动减阻和被动减阻2类.主动减阻主要是在车上增加附加装置,如在尾部增加扰流板,通过电子装置来控制扰流板,从而达到改变尾部气流特征以降低货车气动阻力的效果[3-4],主动减阻装置结构复杂,成本较高.被动减阻是通过改变货车本身的结构以达到减阻效果.货车的高阻力主要来自尾部的分离流动导致的低压力,如果通过某种措施能降低或减少尾部的低压区,那么就可大幅度降低气动压差阻力.由于货车的行驶速度一般较低,远小于0.3Ma,所以货车的外流场可以看作不可压流动.而货车底部和地面之间的空气流动可以近似看作是一个管道流动,由流体力学可知,如果尾部能形成一个扩张管,则速度下降,压力回升,有助于降低尾部的低压区.本文主要对一种货车被动减阻技术进行了研究,通过改变货车结构参数,使其尾部形成一定的上翘角,产生一个类似的扩张管效应,从而达到降低货车气动阻力的效果.目前被动减阻多着重于改变汽车上部结构,如挡风玻璃前倾角、后倾角、车顶结构等,而通过改变货车底部结构来研究其对三维流场结构的影响还不多见.
考虑到实际车型的复杂性,本文采用一种简化的货车车型(Ahmed模型)进行研究.Ahmed钝体模型的外部流场能够产生除了转动车轮处等局部细节外的真实车辆外流场的基本特征,其研究成果具有一定的普适性,可以方便地移植到其他车型.
1 湍流模型
合适的湍流模型对准确模拟汽车外流场至关重要,目前大部分汽车外流场模拟均采用时均的雷诺平均模型,常见的包括k-ε,k-ω和k-g等两方程模型,另外也有少量的非定常模拟[5-6].由于非定常模拟计算量较大,对计算机的性能要求非常高,受到计算条件的限制,本文仍采用了雷诺平均模拟.通过大量计算对比研究,本文采用了基于Mentor所提出的SSTk-ω模型.SSTk-ω模型优点之一就是适宜于近壁处理,同时它不包含复杂非线性粘性衰减项,因此更加适合具有分离特性的汽车外流场模拟[6].
SSTk-ω模型是一种在工程上得到广泛运用的混合模型,它在近壁面保留了原始的k-ω模型[7],在远离壁面的地方运用了k-ε模型,其涡粘系数k方程和ω方程如下所示[8].
涡粘系数方程为:
k方程为:
ω方程为:
2 计算模型
2.1 网格划分
Ahmed模型[9]的结构尺寸如图1所示,图中φ为尾部倾斜角,α为尾部底面上翘角.
图1 Ahmed模型尺寸Fig.1 The size of Ahmed model
在不考虑侧风影响下,Ahmed模型外流场基本是沿中心截面对称的.综合考虑计算量、边界的影响及阻塞效应,计算域的取法为Ahmed前部为3L,侧面3W,上部6H,后部为6L(其中L,W,H分别为Ahmed的长宽高).近壁区域网格和其他区域网格都采用六面体网格,在Ahmed表面附近进行了局部加密,并在Ahmed表面生成10层边界层网格,如图2所示.y+控制在30~300,生成的体网格总数约为186万.
图2 计算网格Fig.2 Computational mesh
2.2 计算边界条件
参考实验参数,边界条件设置如表1所示.其中入口气流条件中的I和L分别为[10]:
式中:I为湍流强度;L为湍流特征长度;Re为特征雷诺数;LH为模型长度.
表1 边界条件Tab.1 Boundary conditions
3 计算结果及分析
3.1 计算模型验证
本文先对原始Ahmed模型(尾部倾斜角φ为25°)进行了湍流模型验证.通过模拟计算得到阻力系数Cd=0.290,升力系数Cl=0.103,与尾部倾角为25°时的实验值Cd=0.285[11]相差0.005,相对误差为1.75%,在允许误差5%以内.同时也进行了压力分布、速度剖面的对比,证明此模型方案是可行的.
3.2 阻力系数分析
运用上述计算模型保持尾部倾斜角φ=25°不变,对上翘角α分别为5°,10°,15°,20°,25°和30°的情况进行模拟,计算结果如表2所示.
表2 计算结果Tab.2 Computational result
图3~图6分别为阻力系数、升力系数、摩擦阻力系数和压差阻力系数随尾部上翘角α变化曲线图.
从图3中可以看出,当φ=25°时,上翘角α在0°~25°间变化,均有一定的减阻效果,超过25°时对阻力系数起着负面作用.Ahmed的阻力系数随着尾部上翘角α的变化规律是从5°~25°变化过程中先减小后增加,当α=10°时达到最小值0.267,比实验值0.285减小了约6%,减阻效果明显.
图3 阻力系数随α变化曲线Fig.3 Drag coefficient vs.αcurve
图4 升力系数随α变化曲线Fig.4 Lift coefficient vs.αcurve
由图4可知,在随阻力系数减小的同时,升力系数Cl随α变化趋势和阻力系数随α变化的总体趋势类似.α从0°上升到10°,Cl值直线下降,当α=10°时,Cl达到最小值为-0.226,呈现出负升力状态,α从10°上升到25°,Cl缓慢增加,α在25°~30°之间Cl成直线增长.因此本文对升力有特殊要求的车辆设计及改进有一定的指导意义.
由图5可知,摩擦阻力系数在随尾部上翘角变化过程中变化不是很大,在α从0°~30°的变化过程中Cf的最大差值只有0.002 7,其变化基本可以忽略不计.这与理论分析也是一致的,因为尾部涡结构的改变对车身表面摩擦力几乎没有影响.
图5 摩擦阻力系数随α变化曲线Fig.5 Friction coefficient vs.αcurve
图6 压差阻力系数随α变化曲线Fig.6 Pressure drag coefficient vs.αcurve
由图6可知,压差阻力系数Cp随尾部上翘角α的变化规律和阻力系数随α的变化规律一样.对比图3、图5和图6我们可以发现,当尾部上翘角改变时,阻力系数的变化主要取决于压差阻力系数的变化,其中摩擦阻力系数在其中的贡献很小,基本可以忽略.因此要降低Ahmed的阻力,最主要的是要降低压差阻力.
3.3 Ahmed表面压力系数对比
从前面的分析可知,当α从0°变化到30°时,阻力系数的变化绝大部分来自于压差阻力系数的变化,摩擦阻力系数基本可以忽略不计.因此下面我们分析α从0°~30°的Ahmed表面压力分布.
Ahmed上表面压力分布如图7所示.从图中可以清楚地看到,由Ahmed头部到长度为0.8m处之间,Ahmed上表面的压力大小基本一致,受尾部上翘角影响不大.而在尾部(0.8~1.1m),虽然总体趋势为压力急剧下降后又回升(这是由于受到尾部倾斜角φ的影响使气流发生分离所致),但受到底部上翘角α的影响,其压力分布也发生了改变.在图7中可以看到,其尾部表面上压力随上翘角α的变化规律为:当α为0°~10°时,随着上翘角α的增大,Ahmed后半部分表面的压力也增大;当α为10°~30°时,随着α的继续增大,Ahmed后半部分表面的压力反而下降;当α=10°时,达到最大值.由这个变化规律可以清楚地解释图3阻力系数Cd随上翘角α的变化和图6压差阻力系数Cp随α变化趋势,由于当α=10°时尾部压力最大,汽车前后压差最小,所以当α=10°时阻力系数Cd和压差阻力系数Cp都达到最小.
图7 Ahmed上表面压力分布Fig.7 Pressure curves of the Ahmed upper surface
Ahmed模型下表面的压力沿车身的分布如图8所示.由于上翘角的存在,导致底部部分气流沿着上翘角拐弯,并形成局部小的分离,对比原尾部压力平滑过渡的Ahmed原型(上翘角为0°),改变上翘角后尾部有一个小的压力下降上升的过程.在α=10°时这个下降上升的幅度达到最大,这就是图4中升力系数会出现负值并且在α=10°时达到极值的原因.
图8 Ahmed底部压力分布Fig.8 Pressure curves of the Ahmed bottom surface
3.4 尾涡分析
图9为对称面尾部流线图.由图9可知,通过调整尾部上翘角,对尾部的分离涡有较大的影响,当上翘角为0时,流动主要受Ahmed尾部上倾斜角φ的影响,在车身尾部形成较大的分离流动,出现上下两个较大的尾涡,导致压差阻力很大;当上翘角从0°变化到10°时,气流会沿着上翘角向上流动,由于这部分气流压力较高,冲走了部分分离气流,部分抑制了尾涡的发展,因此尾涡变小、变短,当上翘角进一步增大时,尾部气流来不及拐弯,对尾涡的影响变弱.综上所述可以得到,当α为10°时尾涡最为短小,其次是α为25°,最大α为0°.
另外从能量消耗的角度也可以解释尾部上翘角对阻力的影响,尾涡越大消耗的动能也就越多,阻力系数就越大.α为10°时尾涡比25°小,其能量损失少,所以减阻效果就更明显.
图9 对称面尾部流线图Fig.9 Streamlines of the symmetrical section in the wake
4 结 论
本文主要研究了尾部上翘角对Ahmed车型阻力的影响.采用SSTk-ω湍流模型进行模拟计算.首先通过对比实验数据对计算模型进行了标定,随后改变尾部上翘角对流场及阻力的影响进行了详细研究,包括压力分布、尾部涡结构和阻力系数等.
1)通过适当改变尾部上翘角可以减小Ahmed车尾部尾涡大小及尾涡强度,减小压差阻力,达到整车减阻效果;
2)从阻力系数随上翘角α改变的变化图中可以看出,α从0°变化到5°时,阻力系数减少的幅度最大,从5°~10°减少非常缓慢,当尾部上翘角α为10°~25°时,随角度增大阻力系数也增大,但仍对汽车减阻有一定的正面效果.当上翘角超过30°时,阻力比没有上翘时还大,对减阻起着负面的作用.总体上阻力系数随尾部上翘角变化的规律是:阻力系数随着α的增大先减小后增大,并在α=10°时达到最小值0.267,比无上翘角0.285减小幅度达到6%.所以最佳尾部上翘角应该控制在5°~10°;
3)从升力系数随α变化图看,升力系数Cl随α改变的变化趋势和阻力系数Cd的变化趋势是一致的,先减后升,并在α=10°时达到最小.
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