基于LBM方法的运煤卡车气动阻力研究

李明达，门玉琢，冀秉魁，姚雪萍

(长春工程学院机电工程学院，长春 130012)

0 引言

煤炭运输是我国交通运输的主要任务之一。据统计：2016年，我国的煤炭产量占世界总产量的46.1%，消费量占世界总消费量的51.8%[1]。产地与消散地的差异导致了“北煤南运、西煤东调”的运输格局。按照《煤炭工业发展“十三五”规划》，我国要在2020年基本建成集约、安全、高效、绿色的现代化煤炭工业体系，最大程度减轻煤炭生产开发对环境的影响[2]。而运煤卡车作为煤炭公路运输的主要载运工具，其空气动力学特性受到人们的广泛关注。

目前，运输卡车的节能减排方法多以改变车身结构[3-5]或安装减阻装置[6-7]为主。然而，大多数的空气动力学研究存在以下问题：

1)多数研究采用传统的空气动力学方法进行空间离散的近似，该过程需要进行大量的网格划分工作，处理不当不仅影响实验精度，甚至会导致仿真数据的发散。

2)多数仿真都对车身、底盘进行了大幅度的结构简化，虽然简化模型可以达到一定程度的近似，但是无法捕捉更多的湍流细节。

3)针对运煤卡车的空气动力学的研究较少，就目前我国煤炭的公路运输现状而言，运煤卡车的减阻研究对于煤炭工业的高效、绿色发展具有一定的现实意义。

1 运煤卡车CFD仿真参数设置

1.1 运煤卡车模型的建立

表1为3轴运煤卡车的基本参数，由于整车尺寸较大，因此需将车辆模型进行适当缩放，缩放比为1∶10。与1∶1车辆模型的模拟仿真试验相比，其优势如下：

1)在相同格子尺度下，1∶1模型的仿真计算量将非常巨大，有时甚至无法完成实验。

2)在等效的格子尺度下，缩放模型将捕捉到更多、更完整的湍流特征，有利于气动阻力分析。

3)在相同的流体速度下，虚拟风洞长度随着模型的缩放而减小，这也意味着仿真设置时间可以大幅减少，因此，仿真效率得到了有效提高。

建立1∶10比例3轴运煤卡车模型如图1所示，整车结构与实车一致，由驾驶室、进气栅格、雨刷器、底盘、货厢、后视镜与遮阳罩组成。

图1 3轴运煤卡车模型

1.2 虚拟风洞参数设置

根据1∶10缩放模型尺寸设置虚拟风洞的仿真环境见表2，其中虚拟风洞的长度为单车模型仿真采用的尺寸。

表1 3轴运煤卡车基本参数

注：Hvel、Lvel、Wvel分别为整车高度、长度、宽度；rw为车轮半径；Re为有效车轮半径；Aref为车辆迎风面积；δt_t为驾驶室与货厢之间的间距；δw_t为轮距；h为货厢深度。

表2 虚拟风洞基本参数

注：Hvwt、Wvwt和Lvwt分别为虚拟风洞的高度、宽度和长度；vin为来流速度，即虚拟风洞入口处流体速度；ρ为空气密度；T为风洞内温度；xL为车辆模型与虚拟风洞入口的距离；Dv为流体的动力粘度；vg为地面移动速度；m为粒子质量；f为采样频率；t为设置的仿真时间。

2 运煤卡车气动阻力特性分析

本文采用CFD仿真软件XFlow进行运煤卡车模型的空气动力学分析。它采用基于粒子的动力学求解器求解格子玻尔兹曼方程，通过介观模型的动力学方法来模拟流体的宏观行为，对复杂几何模型和移动边界问题具有较好的处理能力。

2.1 格子无关性试验

在基于粒子的空气动力学仿真中，粒子间的尺度直接影响着流体仿真的计算精度与效率。因此，需要通过试验方法确定最优格子尺度，以满足仿真计算量与试验精度之间的平衡。

首先，以货厢密闭工况为例，确定最优格子尺度的具体试验参数见表3。

表3 格子尺度的仿真设置

定义空气阻力系数Cd的波动误差Ce为：

(1)

式中：Cmax，Cmin与Cd分别为空气阻力系数在仿真0.2 s后的最大值、最小值与均值。

根据表3参数进行格子无关性试验得到的空气阻力变化情况如图2所示。图中粒子数越多则计算量越大，车辆模型的空气阻力系数越趋于收敛。图中红色横线是空气阻力系数均值，柱状体为Cd值在收敛过程中的波动范围，实验结果证明：该值不超过Cd值的6.5%，具有一定的仿真精度。

图2 货厢密闭工况下的格子尺度试验

因此，在货厢密闭工况下，车辆模型的气动阻力系数可确定为第5、6次仿真实验的均值0.724。最优格子尺度确定为第5次试验仿真的设置参数。

2.2 空载工况下货厢密闭性分析

为分析货厢密闭性对整车气动特性的影响，应先分析空载工况下的运煤卡车表面速度与湍流强度分布。

2.2.1 表面速度场对比

按照货厢密闭工况下的最优格子尺度进行货厢密闭性的Cd值分析，表面速度场如图3所示。

(a)货厢露天

(b)货厢密闭图3 货厢露天与密闭的Cd值分析

从图3可以看出，驾驶室边缘处、遮阳罩、后视镜以及1轴轮系处流体速度相对较大。而货厢密闭性对货厢、货厢与驾驶室之间的速度场有较大影响。

2.2.2 湍流强度分布

定义湍流强度I如式(2)：

(2)

式中：U为平均速度，由x、y、z3个方向上的平均速度分量Ux、Uy与Uz求得；u为湍流速度波动的均方根，同样由x、y、z3个方向上的分量求得；k为湍动能。

将运煤卡车其他部件隐藏，货厢附近的湍流强度分布情况如图4所示，当湍流强度为30%时，可以看出露天货厢的湍流分布在货厢内，外部的湍流损失较多，而密闭货厢的周围湍流较多，且均匀分布，这也意味着密闭货厢的空气阻力相对较低。

2.2.3 各部件气动阻力系数对比

定义气动阻力影响系数为各部件的空气阻力系数与整车气动阻力系数的比值，以密闭货厢的最优格子尺度为设置参数，对运煤卡车各部件进行空气阻力系数的影响系数对比，结果如图5所示。可以得到如下分析结果：

1)就整车而言，试验结果显示：露天货厢的整车空气阻力系数均值为0.785 7，该值与同等条件下密闭货厢的仿真结果相比，增加了7.5%，而其波动误差达到了均值的13.3%，是密闭货厢整车气动阻力系数波动误差的2倍以上。

2)就部件而言，驾驶室所承担的空气阻力最多，其次是底盘，随后按照空气阻力影响系数排列依次是进气栅格、后视镜、1轴轮系、2轴轮系、3轴轮系和雨刷器。

3)部件中的遮阳罩与货厢起到削弱空气阻力的作用。遮阳罩降低了整车将近4%的空气阻力，在一定程度上起到导流板的作用；货厢的密闭性对整车阻力系数影响较大，货厢密闭的减阻效果是露天货厢的4.2倍。因此，行驶过程中应尽量保证货厢的密闭性。

(a)露天货厢；I=30%

(b)密闭货厢；I=30%图4 3轴运煤卡车模型

图5 各部件的气动阻力影响系数

3 结语

经仿真实验证明：

1)格子无关性试验的结果表明：所建运煤卡车模型的空气阻力系数为0.724，误差在6.5%以内。

2)遮阳罩起到导流板的作用，可以降低运煤卡车4%的空气阻力。

3)空载工况下，货厢裸露会增加7.5%的空气阻力。因此，无论货箱是否满载，运煤卡车应保持货厢密闭性，以免增加不必要的油耗。