展新 陆增俊 赖凡 刘永宏 许恩永
摘 要：为降低某货车的气动阻力，本文对导流罩形式、遮阳板角度以及挂车高度进行了空气动力特性的数值模拟，得到了货车模型外流场的压力云图和速度云图，分析了各种方案的减阻机理。通过分析比较，改变导流罩的形式和遮阳板角度可以有效的减少阻力效果，挂车高度对阻力影响不大。分析结果可以对后续的匹配设计提供参考依据。
关键词：货车;气动阻力;匹配优化;数值仿真分析
中图分类号：U464.238 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2020）09-157-04
Analysis and optimization of aerodynamic characteristics ofheavy commercial vehicles*
Zhan Xin， Lu Zengjun， Lai Fan， Liu Yonghong， Xu Enyong
（ Commercial Vehicle Tech Center， Dong Feng Liuzhou Motor Co.， Ltd.， Guangxi Liuzhou 545005 ）
Abstract： In order to reduce the aerodynamic drag of a truck， the numerical simulation has been done regarding the aerodynamic characteristics of the shroud form， the sun visor angle and the trailer height. The pressure cloud map and velocity cloud map of the external flow field of the truck model are obtained. The drag reduction mechanism of the variety schemes has been analyzed. Through analysis and comparison， changing the form of the shroud and the angle of the sun visor can effectively reduce the drag effect， and the height of the trailer has little effect on the resistance. The analysis results can provide a reference for subsequent matching design.
Keywords： Truck; Aerodynamic drag; Matching optimization; Numerical simulation analysis
CLC NO.： U464.238 document Code： A Article ID： 1671-7988（2020）09-157-04
1 前言
隨着全社会对汽车燃油节能和废气排放控制的重视，节能减排已成为目前汽车行业面临的巨大挑战。 由于空气阻力是汽车行驶阻力的重要组成部分，特别当汽车在高速行驶状态，空气阻力会随着汽车行驶速度的平方成正比而急剧增大。由于厢式货车经常处于高速行驶状态，如果其空气阻力系数降低30%，则燃油消耗可降低10%左右[1]。 因此降低厢式货车的空气阻力对于货车的节能减排具有重要意义，在货车驾驶室顶部、货车尾部和底部分别安装各种气动减阻装置可减少空气阻力[2-4]。由于驾驶室导流罩可将气流从驾驶室前部平顺地引导至货厢顶部和侧面，从而具有较好的减阻效果[5]，目前，驾驶室导流罩已经成为厢式货车的主要减阻装置之一。 近年来，不少学者对各种导流罩的减阻机理进行了深入的研究。Hyams和Choi[6-7]等人分别就货车前部扰流板对货车气动特性的影响进行了研究。Martini等人研究了驾驶室侧部导流板对货车气动特性的影响。文献[8]～文献[9]中对厢式货车导流罩的造型进行了优化设计，并研究了导流罩对货车气动特性的影响。 Kim[11-12]等人研究了驾驶室顶部导流罩和侧部导流罩的减阻效果。Mosad-deghi等人提出了多种货车减阻装置，并分析了其减阻效果。
以上研究重点关注的是各种导流罩对货车气动阻力系数的影响，而对其他的附加装置没有进行考虑。本文以某挂车为研究对象，首先基于计算流体动力学理论和气动减阻技术，不仅对导流罩的形状进行了分析，还对遮阳板的角度以及挂车的高度进行了气动特性数值模拟，对他们的减阻效果进行了分析和比较。
2 仿真模型及边界条件2.1 理论基础
重型商用车的车速一般远低于声速，其空气动力学属于低速空气动力学，因而车辆周围的流场可等效为三维不可压缩性等温流场。另一方面，由于重型商用车的外形相对复杂，运行时其周围气流容易引起分离，应按湍流处理。流体计算的基本控制方程为：
质量守恒方程[1]：
其中ui（i=1，2，3）分别为x1，x2 x3三个方向的速度分量，t为时间，ρ为密度。
动量守恒方程：
式中：ρ-空气密度;μ-流体动力粘度;u-速度矢量。式（1）与（2）中，未知量的数目过多，两个方程无解，需要建立相应的湍流模型方程进行联合求解计算。
为了兼顾精确性和计算效率，本文湍流模型采用k-ε模型，该模型引入了关于湍流动能k和湍流动能耗散率ε的方程。
湍流动能k方程[6]：
湍流动能耗散率ε方程[7]：
其中：
式中：Pij为剪应力项;μt为湍流粘度;Cμ=0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.92;σk=0.82，σε=1.0。2.2 模型建立
2.2.1 几何模型建立
基于某国产挂车模型，本文采用1：1尺寸的模型进行数值计算，整体基本保持了外形状与布置的完整性。在细节上，对车轮、车架和发动机舱进行了适当简化处理，保留了后视镜、格栅开孔等细节特征。货车装载高度按客户较常用的2.2米及3.2米两种进行仿真分析，详细如图1所示：
2.2.2 计算域与边界条件
设整车模型的长度、宽度、高度分别为L、W、H，在整车外建立计算流体域，为了满足计算条件，规避诸如车前部压力泡和车后尾流充分发展等的影响，计算域应该足够大。根据经验建立长方形计算域。长度为20L，宽度为 5W，高度为 6H，整体采用六面体网格划分，边界层3层，近壁层厚度1mm，并在车尾、后视镜等区域进行局部加密，计算域模型如图 2所示。
模型的仿真输入参数如表1所示：
2.3 结果分析
图3为计算得到的不同挂车高度下的整车阻力发展曲线。由图可知，挂车高度变高，挂车前端阻力下降但尾部阻力抬升重合，总体阻力基本一样。
由图4风速云图知，因挂车正投影宽度小于驾驶室，挂车高度的变化只是重新分配尾涡而已，局部阻力有变化，但总体阻力差异不大，为减小计算量后续仿真优化方案均采纳3.2米高挂车方案对比。
3 减阻部件优化
为进一步提升原车的整车空气动力学特性，降低风阻，减少整车油耗，本文对驾驶室上的导流罩与遮阳板两个主要部件根据其减阻效果进行优化设计。3.1 不同导流罩结果分析
针对原车驾驶室，设计了新导流罩和无导流罩两种新方案，模型如图5所示。不同导流罩的货车模型车身表面压力分布仿真结果如图6所示。可以看出，不同导流罩的货车模型车身表面压力分布区别较大，且其正前部均出现了高压区。
图7为不同导流罩下的风速仿真结果，从中也可发现：无导流罩模型和安装导流罩的货车模型的驾驶室顶部与前风窗的拐角处均出现负压区，且无导流罩模型的压力分布较大，说明两模型在该拐角处产生了风流分离;无导流罩货车模型前部压力梯度变化大，安装导流罩的货车模型沿导流罩曲面表现出良好的压力梯度，从而形成流线型流动，导流效果明显。而新导流罩的压力分布可以看出，导流罩上的正压力弱化，说明正压力变小;货车厢前一部分负压区有一定的弱化。
依据下式计算不同导流罩方案的气动阻力系数CD：
式中：FD為空气阻力;A为货车正投影面积;v为货车速度;ρ为空气密度。计算结果如表2所示，可以看到，相比原车模型的风阻系数，新导流罩方案降低5.4%，效果良好。
3.2 不同遮阳板结果分析
在新导流罩方案基础上，对遮阳罩进行优化设计。在原遮阳罩的基础上外翻12°，改变其角度，形成新的遮阳罩方案，图8为两种新遮阳罩。
图9为不同遮阳罩方案的压力仿真云图，可以看出，改变遮阳罩的角度也就是改变空气的切入角度可以改变遮阳罩上所受阻力的大小，新遮阳罩所受阻力的大小明显小于原车遮阳罩。
图10为不同遮阳罩方案的风速结果，也可以看出，新方案中气流压下贴着车身顶部流动，顶部分离的气流将被平稳的过渡到货箱上部，将遮阳罩附近的气流平稳的引导向驾驶室顶部，减少了负压区域的出现，因而降低了气动阻力。
不同遮阳罩方案的气动阻力计算结果表3所示，可以看到，采用新遮阳罩方案后，整车阻力系数进一步下降2.3%。
4 结束语
本文基于k-ε模型，采用数值方法对重型商用卡车的空气动力学性能进行了仿真分析。对挂车高度、导流罩与遮阳板三个主要影响因素进行了分析，并提出了优化改进方案。研究表明，挂车正投影面积小于驾驶室，挂车高度变化对整车风阻影响不大;顶导流罩对风阻影响最大，优化后整车风阻降低5.4%;调整遮阳罩安装位置以合适的角度切入空气，可降低其本身所受气流冲击，优化后风阻进一步降低2.3%。
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