基于不同装货量的皮卡车空气动力特性分析
2022-11-23刘婧
刘婧
江铃汽车股份有限公司 江西省南昌市 330200
1 引言
汽车空气动力学是研究汽车与周围空气在相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的学科，它属于流体力学的一个重要部分[1，2]。随着汽车行驶速度的提高，从汽车安全和节能角度考虑，汽车必须具有良好的空气动力学特性，通过减小汽车空气阻力来降低燃油消耗而节约能源、控制升力变化以保持良好的操纵稳定性。
今年来，随着多地皮卡进城限制的取消，以及皮卡车型乘用化发展的趋势，皮卡车的市场份额逐渐增加，但是皮卡作为风阻较高的车型，其风阻水平没有得到足够的重视，有关皮卡车外流场研究的文献极少。
相对于SUV或者乘用车，皮卡车型的风阻较高，这主要是由皮卡车的结构型式决定的，皮卡上车体由驾驶室和货箱两部分组成，导致了流经驾驶室的流场和货箱处的气流形成了两个尾涡。而在车尾处这两种流场相互作用导致车尾处的流场分布相对更复杂，一些从SUV和轿车获取的经验均无法应用到皮卡车型。
以上研究是基于皮卡车型的设计状态，没有考虑到消费者实际装货的情况，而在用户实际使用过程中，会根据不同的需求选择装载货物的方式，其对风阻的影响仍不清楚。
2 流体动力学建模及仿真
2.1 几何模型
为了保证分析结果的准确性，本文分析中采用的模型为全尺寸的完整整车模型，模型总长5443mm，总宽2172mm，总高 1820mm。模型包含了车辆的动力系统、底盘系统、白车身、开闭件、外饰、电气系统和部分内饰系统。仅仅简化了对外外流无影响的部分乘员舱内饰。这样使此模型非常具有代表性，分析结果对市面上大部分主流皮卡车均适用。
2.2 建模及边界条件设定
参 考T/CSAE 112-2019乘 用 车 空 气 动力学仿真技术规范[3，4]，并结合皮卡车型的特点，本文所采用的计算域为车前3倍车长，车后8倍车长，上部7倍车高，两侧7倍车宽。
为尽量降低网格尺寸对计算结果的影响，本分析面网格与几何模型重合度要求达到97%以上，进气格栅、后视镜、A柱等区域特别加密。
六面体网格具有网格数量少、质量高、收敛快、计算时间少的优点[5]，本次分析采用Trim网格，边界层第一层控制厚度1mm，采用拉伸的三棱柱网格，同时对整车设置多个加密域，另外再单独对进气格栅、后视镜、A柱等区域特别加密。
为了与风洞试验值对比，边界条件设为：进口100kph，出口为压力出口，轮胎设置旋转，车地区域地面参考风洞试验设置成100kph移动，其余地面设置成滑移地面。
2.3 货箱货物装载情况对比
为充分对比不同的货箱货物装载情况对空气动力学的影响，现对货箱货物装载情况分成三大类十小类进行计算。三大类分别是水平放置、前倾斜放置和后倾斜放置。
3 计算结果
3.1 不同装载方式阻力对比
装载方式对风阻的影响比较大，如下图1所示，在选取的10种装载方式中，风阻最大与最小相差4.3%。其中，水平装载方式随着装货量的增大阻力增大，当装货量100%时，阻力下降到比空载时低，这种情况类似于在货箱上增加盖板。前倾装载方式，随着装货量的增加，阻力增大；后倾装载方式，随着装货量增加，阻力呈现减小的趋势，并且整体阻力较空载时小。
图1 不同方案的风阻系数
3.2 Y0截面速度云图对比
3.2.1 水平装载分析结果
图2～图6为水平装载0-80%的Y0截面的速度云图，从图中可以看出，随着装载量的增大货厢内回流向驾驶室背面的气流速度降低，货厢尾板上方的分离气流被推向远离车身，尾涡增大且上下不平衡，从而增大了风阻。
图2 水平-0%
图6 水平-80%
但当装载量达到100%时，如下图10所示，驾驶室后部及围板后部的尾涡上下平衡，风阻系数反而降至最低。
3.2.2 前倾装载分析结果
随着货箱内向前倾斜摆放货物越来越多，风阻系数越来越大。
图7和图8为50%、100%前倾装载方式的Y0截面速度云图，从驾驶室顶盖过来的气流对围板前表面的冲击增加，同时，靠近驾驶室背面的尾涡不规则，导致压力恢复变差，造成风阻增大。
图7 前倾-50%
图8 前倾-100%
3.2.3 后倾装载分析结果
随着货箱内向后倾斜摆放货物越来越多，风阻系数越来越小。如图9和图10所示，驾驶室后部形成比较规则的涡，有利于驾驶室背部的压力恢复。
图3 水平-20%
图4 水平-40%
图5 水平-60%
图9 后倾-50%
图10 后倾-100%
4 结语
本文研究了皮卡车货箱三种不同装载方式共10个方案的整车风阻变化，发现以下规律：
（1）水平装载货物时，满装或者接近满装时能获得比较好的整车风阻系数，较空装时降低风阻系数1.3%。
（2）后倾装载货物时，均能获得较空装时更好的整车风阻系数。
装载货物方式不同，会影响到整车风阻，然而客户实际装货场景千差万别，其对整车风阻系数的影响仍需要进一步研究。
