某卡车外流场分析与优化

林长波，许恩永，冯高山，展 新

（东风柳州汽车有限公司，广西柳州545005）

近年来，随着物流行业的快速发展，对快递的转运效率要求越来越高，很多卡车生产企业开发了一系列的重型快速物流车，该系列快速物流车的特点是车厢容积大（迎风面积达到8～12 m2），平均车速达到了80～100 km/h.当车速达到90 km/h时，空气阻力占车辆总行驶阻力比重的1/3，这就意味着车辆在行车过程中消耗1/3的燃油用于克服空气阻力[1]。而物流行业因其行业特点对卡车的燃油经济性要求颇高。国内的一些卡车生产企业和研究机构纷纷开展如何降低重型载货车的整车空气阻力研究，如盛辉物流公司研究开发的挂车侧护裙已成功申请国家发明专利。

本文主要运用仿真分析的方法，对某重型快速物流车的车挂匹配进行数值模拟，得到整车风阻系数及详细的流场信息，并对该车的空气动力学性能进行优化分析，较大幅度的降低了整车的风阻系数，为该款车型的拖车、挂匹配设计优化提供参考依据。

1　计算模型及边界条件

1.1　理论基础

空气动力学遵循流体力学的三个基本方程，各基本方程如下：

（1）连续方程

（2）动量方程

（3）能量方程

（4）湍流动能k方程

式中：v为平均速度，vi为平均速度分量，xi为坐标分量，T为温度，K为流体传热系数，CP为比热容，ST为流体内热源及由于黏性作用流体机械能转化为热能的部分，k为湍流动能，ε为湍流动能耗散率，μkeff为湍流有效黏性系数，ρ为空气密度，Γkeff表示湍流动能有效扩散系数，Γεeff表示湍动能黏性耗散有效扩散系数[2]。

对于空气而言，马赫数小于0.3的，均可认为不可压缩流动[3]。该车的车速仅为90 km/h（25 m/s），马赫数小于0.1，故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。

1.2　3D几何模型

本文以国内某款重卡为计算模型，并确定了以下几个优化措施，如图1～图5所示。为了减小计算量，采取机舱封闭的方法（不考虑该车的内循环阻力），同时为了提高模型的网格质量，对一些对网格质量影响较大且对流场影响较小的细节进行一定的简化处理，如车架和车轮等。

图1　原车

图2　车厢前端圆角化

图3　可调高度导流罩

图4　尾部扰流板

图5　侧护裙

1.3　网格模型

外流场，入口距整车前端距离为2.5倍车长，出口距车尾为6倍车长，高度为5倍车高，左右各为2.5倍车宽，体网格采用Trimmer网格，边界层为4层，近壁层厚度为1 mm，并在车尾、后视镜等区域进行局部加密，网格总数为3 538万。

图6　网格模型

1.4　湍流模型及边界条件

湍流模型选择Reliable k-e模型，该湍流模型能较好的模拟了边界层的流动情况，在外流场的模拟计算中应用较为广泛[4]。

根据该车规划的经济车速为85～95 km/h，设置外流场入口边界为速度入口边界，出口边界为压力出口边界，其中，入口速度V=90 km/h，出口相对压力Pref=1 013 mbar；整车表面采用非滑移壁面，地面采用移动边界，速度与车速一致，即V1=90 km/h，外流场其余边界均设置为滑移边界。

2　计算结果及分析

2.1　阻力系数

图7为气动阻力系数的变化趋势。由此可见，方案一车厢前端面圆角化对降低风阻系数作用尤为明显，增加挂车尾部扰流板次之，而更换可调高导流罩及增加挂车侧护裙降阻作用并不十分明显；空气阻力与Cd×A成正比，在整车正投影面积A不变的情况下，故Cd越大，空气阻力越大，能耗越高。

图7 气动阻力系数减小的效果

2.2　流场分析

图8～图9为原车及车厢前端圆角化方案压力云图对比。原车状态车厢前端面形成的正高压区面积明显要比车厢前端圆角化方案大，是导致其风阻系数较大的主要原因；车厢圆角化后，流过驾驶室侧面的大部分气流能平滑过渡到车厢侧壁，达到沿车厢表面贴体流动的最优流动状态，如图11～图12所示，也是其风阻系数降低较为明显的主要原因之一。

图10为优化导流罩后的整车压力云图。由于该挂车车厢较高，原车设计的顶导流罩并未对车厢前端形成良好的保护。与图9相比，导流罩调高后，避免了来流对车厢正表面冲击，车厢前端面的正压区已明显减小，降低了风阻。可见，可调高度顶导流罩的设计开发对于不同高度车厢的适应性较好。

图8　原车压力云图

图9　车厢前端圆角化方案压力云图

图10　可调高度导流罩方案压力云图

图11　原车流线图

图12　车厢前端圆角化方案流线图

驾驶室与车厢之间的距离及车厢尾部涡流对卡车风阻的影响很大，减小车厢尾部的低压区对降低阻力作用尤为明显。如图13～图14，增加车厢尾部扰流板并对其进行优化设计对减小车厢尾部的低压区效果较为明显；经验证，尾部扰流板的角度和宽度对整车风阻较为敏感，对尾部扰流板进行降阻敏感度计算验证：车厢后扰流板的的最佳角度应控制在10～15°，扰流板的宽度在0.3～0.5 m之间，通过增加挂车尾部扰流板可实现整车风阻降低6%～8.5%.新的GB1589法规已明确挂车尾部扰流板的长度不计入整车长度，相信不久的将来，能实现良好的空气动力学性能的车厢尾部扰流板将会得到广泛的应用。

图13　等值面压力云图

图14 增加挂车尾部扰流板等值面压力云图

图15～图16为有无挂车侧护裙状态车底盘的流动矢量对比，增加挂车侧护裙后，可以避免部分侧面的气流冲击挂车底部和挂车后轮、后轴。理论上，挂车侧护裙对侧风工况降阻效果更为明显，挂车侧护裙在国外已经得到广泛的应用。

图15　无挂车侧裙状态

图16　增加挂车侧裙状态

3　结束语

节能与环保是当今汽车工业的一个重大课题，而采用CFD仿真分析进行空气动力学性能研究的方法已经成为整车前期开发、优化匹配其气动性能的有效手段之一，分析结果表明：

（1）车厢前端圆角化对重型载货厢式车降阻作用较为明显，可实现降低风阻15.6%；

（2）以仿真指导可调高导流罩的设计开发，实现降阻约3%，大大地缩短了产品研发周期；

（3）以仿真指导车厢后扰流板的设计开发，并进行风阻敏感度优化分析，找出最优设计方案并最终实现降低风阻8.13%；

（4）增加挂车侧护裙可实现降低整车风阻4.2%，但挂车侧护裙仍存在一定的优化空间，需在成本与降阻效果上做一个权衡。

参考文献：

[1]徐佳奕.某载货汽车空气动力学减阻研究[D]长春：吉林大学，2007.

[2]董立伟，赵玉军，刘 肖，等.基于STAR-CCM+的重型牵引车外流场分析及优化[C]//Star CCM+中国用户大会论文，2015.

[3]陈存福，李 胜，胡金蕊.导流罩对不同货箱形式重型汽车空气阻力的影响[C]//Star CCM+中国用户大会论文，2015.

[4]刘 畅，刘 方，安忠柱.空气动力学在重型载货汽车上的新进展[J].拖拉机与农用运输车，2007，34（5）：2-3.