厢式货车尾部非光滑表面导流板减阻效果研究

杨小龙，邹宏伟，张泽坪

(湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

2016129

厢式货车尾部非光滑表面导流板减阻效果研究

杨小龙1，邹宏伟2，张泽坪3

(湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

研究了矩形、梯形和新型导流板以及非光滑表面对减小厢式货车气动阻力的影响。以标准货车GTS模型为对象，首先研究了导流板结构参数和安装角度对气动阻力的影响；然后分析了不同非光滑表面对流动的影响；最后通过对比几种方案的流场、尾涡和气动阻力等，分析了导流板和非光滑表面的减阻机理。结果表明，导流板可有效减小尾涡强度，降低气动阻力，带有半圆形沟槽的新型导流板的减阻效果最好，最大减阻率可达8.5%。

厢式货车；减阻效果；导流板；非光滑表面；气动阻力系数

前言

节能与减排是目前世界性两大难题。随着我国经济的发展，汽车作为重要的交通工具，已经成为人们生活中不可或缺的一部分。对于汽车工业而言，在减少排放的同时，也要尽可能地降低油耗，优化汽车外形降低气动阻力是其中关键技术之一。对于轿车而言，经过100多年的发展，其气动外形已达到一个相对完美的地步，设计较好的轿车其气动阻力系数一般在0.2～0.3之间。但由于用途的不同，载货汽车具有较大的气动阻力，如厢式货车作为货车的主体，其阻力系数一般为0.6～0.8，甚至达到1。由于其较大的迎风面积，当车速达到90km/h时，其气动阻力约占总行驶阻力的75%～80%[1]，发动机功率的80%左右将用于克服气动阻力[2]。因此，厢式货车减阻研究对于节能减排具有重要意义。国内外都开展了大量研究，如美国Lawrence Livermore国家实验室联合多所高校和研究机构，计划到2020年前将货车阻力系数降低到0.3～0.5的水平[3]。

开发全新的低阻力系数货车不仅需要较长的时间，而且费用高昂。对于目前市场上的大多数货车而言，增加附加装置进行减阻是一个经济且见效快的方案。理论分析和工程实践表明，厢式货车行驶中阻力主要来源为驾驶室与车厢之间负压区、货车尾部分离区和车身底部[4]。所谓被动减阻就是在货车表面加装空气动力学装置，改善流场结构，减小气动阻力。仅以货车尾部为例，就有包括导流板、半圆柱、导流沟槽等多种被动减阻装置，其中不少学者对导流板进行了研究[5-6]。相对以往学者多采用的矩形导流板[6-8]，本文中提出了两种导流板,通过对比分析几种导流板在不同长度和安装角度下的气动特性，得到减阻效果最佳的导流板和安装角度，最后依据非光滑表面的减阻原理对导流板进一步优化。这对减少货车行驶阻力，降低货车油耗具有一定的意义。

1 货车模型

本文中采用的模型是由美国Sandia国家实验室于1996年提出的GTS模型，此货车模型广泛应用于研究载货汽车基本的气动阻力。与真实车型不同，GTS模型是一种大型平头载货汽车的设计模型，它对货车一些细节部分进行了简化。本文中主要研究尾部导流板的减阻作用，为了方便与实验数据进行对比，本文中保留了这些简化。

GTS模型采用1∶8比例模型。其几何尺寸可参见文献[9]，GTS模型如图1所示。

2 计算模型

2.1 湍流模型

采用SSTk-ω模型，该模型在工程上得到广泛应用，其优点之一就是适宜于近壁处理，它在近壁面保留了原始的k-ω模型[10]，在远壁面运用了k-ε模型，更加适合具有分离特性的汽车外流场[11]。

2.2 网格划分

在不考虑侧风影响下，模型的外流场基本沿中心界面对称。综合考虑计算量、边界的影响和阻塞效应，计算域前部为4L,后部为8L,侧面为5W,上部为6H(其中L,W和H分别为模型的长、宽和高)。近壁区域和其他区域网格都采用四面体网格，车体表面局部加密，并生成10层边界层网格。图2示出包括模型附近的部分计算网格，近壁面y+控制在0～100以内，整个计算域的网格总数在180万左右。

2.3 边界条件

参考试验参数，边界条件设置如表1所示，其中入口气流中的I和Ltf分别为

I=0.16/Re0.125

(1)

Ltf=0.07L

(2)

(3)

式中:I为湍流强度；Ltf为湍流特征长度；Re为雷诺数；L为模型长度。

表1 边界条件

模型建立后，与试验数据进行对比。试验测得阻力系数为0.508，计算结果为0.512，误差小于2%，此外还对比了压力、速度等参数，误差均比较小，证明该模型是可靠的。由于篇幅有限，不再一一列举。

3 导流板与非光滑表面

3.1 导流板

厢式货车的外形设计不同于轿车，要保证货车较好的装载性，其流线型必然不是很理想，致使货车尾部气流过早分离，形成很明显的尾涡和倒流，消耗了较多能量。为了破坏尾部漩涡，改善尾部气流，提高货车尾部压力，常见的做法是在货车尾部加装导流板，如图3所示。为了方便后门的打开和关闭，可设计导流板在固定角度内转动，并可和后门联动，如后门打开时导流板向上翻起。

导流板不仅能增加汽车的下压力，减少升力，而且能减少货车的气动阻力。矩形导流板[6-8]虽然对汽车的尾部气流具有一定的梳理作用，但却影响了货车侧面的气流向中间的流动，在转弯行驶时尤为突出，这在一定程度上削弱了矩形导流板的减阻效果。为此又另外设计了两种导流板：梯形导流板和类似于半椭圆形的新型导流板，如图4所示。

3.1.1 导流板长度最优化

为了确定导流板尺寸对货车气动阻力的影响，研究了导流板长度对货车气动阻力系数的影响。货车的Cd值与导流板长度Ld的关系如图5所示。根据原始风洞试验值可知，原货车模型的阻力系数Cd=0.508，从图5可知，随着导流板长度的增加，货车的阻力系数先减后增，且3种导流板的长度均在Ld=110mm时，Cd取得最小值。从整体上看，新型导流板的Cd曲线在三者的最下方，阻力系数最小，减阻效果最好；矩形导流板的Cd曲线在最上方，阻力系数最大，效果最差，梯形导流板居中。

3.1.2 导流板安装角度的优化

导流板安装角是另外一个重要影响参数。为了确定导流板的最佳安装角度，进行了大量计算。安装角度从30°～70°依次增长，分别计算了3种导流板阻力系数变化情况，其结果如图6所示。从图中可见，3种导流板在安装角度为30°～70°时阻力系数均小于原型。Cd值随安装角度而变化的趋势与导流板长度类似，即先减后增；3种导流板都在安装角度为50°时取得最小值，且新型导流板的效果最好，Cd=0.475，减阻率达到了6.5%；矩形导流板效果最差，Cd=0.48,减阻率为5.5%；梯形居中，Cd=0.478，减阻率为5.9%。

3.2 非光滑表面

非光滑表面在工程领域中已经有很多应用[12]，并且收到了显著的减阻效果。在水槽减阻试验中，达到了最高24.6%的减阻率[13]；NACA 0012飞机的机翼表面贴上微型沟槽膜后，阻力减少了6.6%[12]；机身敷有沟槽膜的空客A340能节油约3.3%。它们都是通过对边界层的控制来减少湍流猝发强度，减少湍动能的损失，进而减少压差阻力。受此启发，本文中选用3种非光滑单元体[14]，分别为半球形凹坑、半圆形沟槽和三角形沟槽加装在导流板上，沟槽采用垂直流向的布置方式，图7为非光滑单元体形状示意图。

计算得到的阻力系数如图8所示。由图可见：3种非光滑表面都有一定的减阻效果且半圆形沟槽的减阻效果最佳，带有半圆形沟槽的新型导流板的减阻率最大，由先前的6.5%增加到8.5%；带有半圆形沟槽的梯形导流板的减阻率由先前的5.9%增加到7.6%；而带有半圆形沟槽的矩形导流板的减阻率也由原先的5.5%增加到7.1%。

4 减阻分析

由以上结果可知，相比矩形导流板，梯形导流板和新型导流板具有更好的减阻效果，且新型导流板的效果最佳。由于导流板的作用，流经厢体顶部的气流可以延迟分离，而以较高的速度冲入尾流，破坏了尾流中的部分漩涡，自身压力回升，使尾涡区的负压减小，从而达到减阻的目的。而加装非光滑表面后，能进一步降低货车的气动阻力。下面将详细分析导流板和非光滑表面对车身流场和阻力的影响。由于篇幅有限，分析导流板对气动阻力的影响时，选取矩形导流板模型、新型导流板模型与原模型进行对比，同时为了说明非光滑表面的减阻效果，对比中也加入了带有半圆形沟槽的新型导流板模型的结果。

4.1 非光滑表面的减阻原理

图9为尾部带有半圆形沟槽导流板的速度矢量图及其局部放大图。无论非光滑表面是沟槽还是凹坑，都会产生类似于图9所示的非光滑表面的内部流谱，由图可知，当气流流经非光滑表面时，在沟槽或凹坑内部能够产生逆向旋转的气流漩涡，且这些漩涡并没有向外扩散，而是在沟槽或凹坑内稳定下来，形成了“第二涡群”。“第二涡群”的存在避免了自由来流与物体的直接接触，起到了类似“滚动轴承”的作用，同时也能提高导流板边界层内湍流脉动的动能，降低边界层中过渡区的湍动能，最终抑制了湍流的猝发，达到减阻的效果。

4.2 尾涡分析

图10为原模型、矩形导流板模型、新型导流板模型和带有沟槽的新型导流板模型尾部中心对称面上的速度矢量云图。由图10(a)可见，货车尾部出现了相对较强的尾涡，它由两个反向旋转的漩涡组成，一个靠近货车底部，一个在货车顶部，且倒流现象明显，气流比较紊乱，尾涡区域面积最大。由图10(b)～图10(d)可见，带有导流板模型的尾部同样有两个反向旋转的漩涡，不同的是：首先，尾涡区的面积和强度与原模型尾涡区相比，都有一定的减小；其次，倒流现象有了明显的减弱，尾涡消耗的动能也减小；最后，尾部气流的流线性也有了较为明显的改善。

图11为4种模型尾部中心对称面上的压力云图。由图可见：货车尾部都出现了低压区，且原模型的低压区面积最大，压力最低；梯形导流板模型的低压区比矩形导流板模型的低压区的面积更小，压力更大；当导流板布有沟槽时，导流板附近的压力变大，且货车尾部低压区面积进一步缩小，这也反映了带沟槽的新型导流板有较佳的减阻效果。

4.3 压差阻力分析

汽车的气动阻力包括压差阻力、摩擦阻力和诱导阻力3部分，尽管摩擦阻力和诱导阻力所占比例不大，为了对所有的阻力有一个全面的了解，将分别对其进行分析。

压差阻力是由于运动空气的黏性导致汽车前后产生压差而形成的阻力。约占汽车总气动阻力的50%～65%，是气动阻力的主要组成部分[15]。要减小压差阻力，主要是减小汽车前部的正压区和尾部的负压区。本文中通过在货车尾部安装导流板来增加尾部压力，从而减小汽车前后压差阻力。而汽车尾部压力的大小，主要取决于尾涡区与车尾距离的远近和尾涡区内压力的大小：尾涡区内压力越大、尾涡区离车尾的距离越远，则汽车尾部受到的低压影响就越小，压差阻力也就越小，反之越大[16]。

图12为4种模型尾部中心对称面上的压力曲线图。由图可见：货车的底部和顶部的压力相对较高，尾部的中间区域是压力最低的区域，且在一段高度内趋于平衡；在货车尾部的中间区域，原模型的压力在-125Pa左右，压力最低，即负压最大，带有矩形导流板模型的压力在-115Pa左右，带有新型导流板模型的压力在-105Pa左右，而带沟槽新型导流板模型的压力最大，在-100Pa上下。货车尾部压力越高，货车的前后压差越小，说明导流板具有一定的减阻功能，新型导流板减阻效果优于矩形导流板，且当其上布有沟槽时，效果更好。

4.4 摩擦阻力分析

由于空气黏性使其在车身表面产生切向力，它们在行驶方向的合力即为摩擦阻力[14]。在货车尾部加装导流装置对其几乎没有影响。4个模型的摩擦阻力系数如表2所示。由表可见，它们之间的差异基本可以忽略不计，这也与理论分析一致。

表2 各模型的摩擦阻力系数

4.5 诱导阻力分析

汽车尾部的涡场不但包括沿来流方向的涡流，还包含了垂直于来流方向的涡流，即车尾纵向涡。它包含一定的动能，会消耗一定的能量，与消耗的这部分能量对应的阻力就是诱导阻力。诱导阻力的大小与车尾纵向涡的大小密切相关，车尾纵向涡越大，诱导阻力也就越大，反之越小[17]。车尾纵向涡会产生一个大的低压区，可以通过比较纵向截面内的压力来衡量车尾纵向涡的大小。

图13为4种模型的车尾横向截面压力云图，截面距离选取距离车尾0.25m处。由图可见：原模型尾部的压力云图中有两个非常集中的低压区，最低达到了-110Pa，且大部分区域的压力在-85～-105Pa之间；带矩形导流板模型的低压区大大减小，且没有明显的低压区域，最低为-96Pa，且大部分区域的压力在-70～-85Pa之间；带有新型导流板模型的低压区又进一步减小，且最低压为-87Pa，大部分区域的压力集中在-65～-80Pa之间；带沟槽的新型导流板模型的尾部压力最高，最低为-80Pa，且大部分区域的压力在-55～-75Pa之间，这也说明了新型导流板的减阻效果优于矩形导流板，且当其上布有沟槽时可进一步增大尾部压力，减小前后压差。

5 结论

本文中针对厢式货车气动阻力较高的问题，以GTS货车模型为研究对象，提出了在尾部加装梯形和新型两种导流板的方案。对导流板长度和安装角度进行了研究，得到了最佳尺寸和角度。同时，依据仿生物学减阻原理，在导流板上布置沟槽和凹坑。最后对货车加装导流板后的流场结构进行了研究，分析了其对货车3种阻力的影响。通过研究得到如下结论。

(1) 加装导流板后，货车尾部的气流得到了较好的梳理，尾涡区变小，倒流现象减弱，尾部流场结构得到了一定的改善，因此，货车尾部加装导流板具有一定的减阻效果。

(2) 梯形和新型导流板相对矩形导流板具有较好的减阻效果，且新型导流板的减阻效果较好；同时货车的气动阻力系数与导流板的尺寸有很大关系，且当导流板长为110mm、安装角度为50°时效果最佳。

(3) 导流板上布置非光滑表面时，可进一步改善气动阻力，且半圆形沟槽的减阻效果最好，减阻率最大，达到了8.5%。

[1] 傅强.厢式货车降低气动阻力的研究[D].武汉:华中科技大学,2002:2-3.

[2] 谷正气.汽车空气动力学[M].北京:人民交通出版社,2005:10-15.

[3] Lawrence Livermore National Laboratory Sandia National Laboratories University of South California Institute of Technology NASA Ames Research Center. A multi-year program plan for the aerodynamic design of heavy vehicles[R]. Alexandria Virginia: Nation Technical Information Service,2004.

[4] 杜广生,王肇杰,等.厢式货车表面气流流动特性的试验研究[J].兵工学报,1999(3):279-281.

[5] BEAUDOIN J F, AIDER J L. Drag and lift reduction of a 3D bluff body using flaps[J]. Exp Fluids,2008,44:491-501.

[6] 王汉封,邹超,张运平.利用导流板控制25°倾角Ahmed类车体尾流与气动阻力[J].湖南大学学报,2014,44(4):95-100.

[7] 杜广生,杨绍华.厢式货车的气动附加装置及其减阻机理的分析[J].汽车技术,1994(5):23-28.

[8] 张攀峰,王晋军,唐青.气动附加装置降低厢式货车后体阻力[J].实验流体力学,2009(3):12-15.

[9] CROLL R, GUTIERREZ W, et al. Experimnetal investigation of the ground transportion systems (GTS) project for heavy vehicle drag reduction[C]. SAE Paper 960907.

[10] WILCOX D C. Turbulence modeling for CFD[M]. California:DCW Industries,1993.84-87.

[11] 杨小龙,林铁平.汽车外流场DES/RANS模拟研究[J].湖南大学学报,2011,38(1):29-34.

[12] LEE S J, JAN Y G. Control of flow around a NACA 0012 airfoil with a micro-riblet film[J]. Journal of Fluids and Structures,2005,20(5):659.

[13] ZHANG Deyuan, LI Yuanyue, et al. High-precision bioreplication of synthetic drag reduction shark skin[J]. Bionic Engineering,2011(55):938.

[14] DEAN B, BHUSHAN B. Shark-skin surface for fluid-drag reduction in turbulent flow: a review[J]. Philosophical Transaction of the Royal Society,2012,368:4775.

[15] 谷正气.汽车空气动力学[M].北京:人民交通出版社,2005:59-61.

[16] 李文火.沟槽型非光滑车表汽车气动减阻特性研究[D].杭州:浙江大学,2014:64-65.

[17] 王耕,谌可,张友国,等.非光滑表面的空气阻力特性[J].同济大学学报(自然科学版),2013,41(4):572-576.

A Study on the Drag Reduction Effects of Rear Deflectorwith Non-smooth Surface for a Cargo Van

Yang Xiaolong1, Zou Hongwei2& Zhang Zeping3

HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvanceDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

The effects of rectangular, trapezoidal and new-type deflectors as well as non-smooth surface on the reduction of aerodynamic drag of cargo van are studied. With a standard GTS truck model as object, the effects of the structural parameters and installing angle of deflectors on aerodynamic drag are studied first. Then the effects of different non-smooth surfaces on air flow are analyzed. Finally the drag reduction mechanisms of deflector and non-smooth surface are analyzed by comparing the flow fields, wake vortices and aerodynamic drags etc. of different schemes. The results show that deflectors can effectively reduce the intensity of wake vortex and thus lower the aerodynamic drag, among which the new-shape deflector with semicircular grooves has the best drag reduction effects, with a maximum drag reduction rate of 8.5%.

cargo van; drag reduction effects; deflector; non-smooth surface; aerodynamic drag coefficient

原稿收到日期为2015年1月21日，修改稿收到日期为2015年4月29日。