王慶洋，黃文鵬，賴晨光，朱習(xí)加，王 勇

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，重慶 401122；2.重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶 400054）

前言

近年來，石油資源的短缺和價格的上漲給交通運(yùn)輸業(yè)造成巨大壓力，提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性成為汽車重要的研究課題，而降低氣動阻力是提高燃油經(jīng)濟(jì)性的重要途徑之一。

國內(nèi)外學(xué)者對重型貨車空氣動力學(xué)方面的研究主要集中在重型貨車駕駛室外形、氣動套件和貨箱前部邊緣的圓滑處理上，具體包括導(dǎo)流罩、阻風(fēng)板、翼板和分流器。這些裝置具有很多外形［1］，通過空氣動力學(xué)理論指導(dǎo)，重型貨車的氣動性能得到很好的改善。20世紀(jì)80年代初，國外學(xué)者開始對重型貨車空氣動力學(xué)進(jìn)行細(xì)致的研究，近年來取得了顯著的成果。Chowdhury等［2］通過1∶10縮比例模型風(fēng)洞試驗，研究不同工況下不同氣動附件對重型貨車氣動阻力的影響，其工況包括一系列速度和偏航角，以及不同的組合。Chilbule等［3］在拖車上安裝了導(dǎo)流板、側(cè)裙和渦吸收裝置，選用SST湍流模型進(jìn)行數(shù)值仿真，研究不同拖車外形對氣動阻力和油耗的影響，結(jié)果表明，氣動阻力降低了21%，百公里油耗降低了4 L。Kim等［4］利用風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬（粗大渦模擬）定量研究了典型和改進(jìn)型駕駛室整流罩（CRF）模型的減阻效果。在雷諾數(shù)大于5.5×105的情況下，對一輛15 t級重型貨車的縮比模型進(jìn)行了風(fēng)洞實驗。結(jié)果表明，改進(jìn)后的CRF顯著地改善了流動結(jié)構(gòu)，大約有19%的減阻。SAE標(biāo)準(zhǔn)表示，通過在重型貨車某些部位安裝氣動附件的方法，能使其整車氣動阻力顯著減小。國內(nèi)學(xué)者早期對于汽車空氣動力學(xué)的研究主要集中在轎車［5-8］，對輕型貨車和其他商用車也有所研究，2009年，高懋森等［9］以國內(nèi)某平頭商用車簡化模型為研究對象，對該車前側(cè)圍進(jìn)行細(xì)致研究，主要研究氣動阻力與該處造型的關(guān)系，達(dá)到減阻效果。2011年，姜佳男等［10］將氣動套件安裝到商用車上，同年，胡興軍等［11］針對某國產(chǎn)箱式貨車簡化模型，對其無隔板、加裝4種形式和9種尺寸的底部隔板的外流場進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果顯示加裝底部隔板可改善整車的氣動性能。就上面研究成果，國內(nèi)鮮有關(guān)于重型貨車氣動減阻系統(tǒng)研究的公開報道，直到2017年，陜西重型汽車有限公司的晏強(qiáng)等［12］，對某款重型貨車進(jìn)行了外流場分析，此外國內(nèi)對于重型貨車氣動減阻措施傾向于添加單一的氣動附件，系統(tǒng)地綜合考慮多種氣動附件作用的研究少有報道。

由于國內(nèi)法律法規(guī)的原因，平頭重型貨車是國內(nèi)重型貨車的主要形式。本文中以某平頭重型貨車1∶1模型為研究對象，在牽引車區(qū)域、牽引車和掛車間距區(qū)域以及掛車尾部區(qū)域的空氣動力學(xué)敏感部位設(shè)計若干氣動附件，并進(jìn)行CFD整車仿真計算，從流場、減阻率和實用性方面綜合評定不同氣動附件的減阻效果，其研究成果可為重型貨車氣動減阻附件設(shè)計提供參考。

1 計算模型和方法

1.1 計算模型的獲取

本文中選取市場上常見的某型平頭重型貨車牽引車以及配套封閉式貨箱拖車，利用照相定位系統(tǒng)（CREAFORM MaxSHOT 3DNEXT System）和三維手持式掃描儀（CREAFORM Handyscan 3D Scanner 700）對實車進(jìn)行三維掃描，如圖1所示。獲取整車點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，進(jìn)行適當(dāng)簡化并逆向建模得到重型貨車的基準(zhǔn)數(shù)字模型，如圖2所示。后續(xù)基準(zhǔn)模型的CFD計算和減阻優(yōu)化設(shè)計均是基于該模型展開。

圖1 某重型貨車三維數(shù)模掃描

圖2 重型貨車整車數(shù)字模型

1.2 計算策略

圖2 中基準(zhǔn)模型（Baseline model）的車長 L＝16.4 m，車寬W＝2.4 m，車高H＝4.2 m，正投影面積A＝10.2 m2。根據(jù)阻塞比確定計算域，設(shè)定計算域出口距離貨車尾部6倍車長，前端入口距離貨車車頭4倍車長，上端距離貨車底部5倍車高，計算域?qū)挾?0倍車寬，如圖3所示。則可計算阻塞比φ＝A／（50WH）＝2%，滿足計算要求。

圖3 計算域的設(shè)置

利用ANSA軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立貨車外流場CFD網(wǎng)格模型。面網(wǎng)格采用三角形面網(wǎng)格，牽引車面網(wǎng)格尺寸10～20 mm，貨箱面網(wǎng)格尺寸25～30 mm，輪胎面網(wǎng)格尺寸5～15 mm，面網(wǎng)格數(shù)量約440萬。體網(wǎng)格劃分采用切割體網(wǎng)格，在計算敏感區(qū)域?qū)嵤┚W(wǎng)格加密，保證網(wǎng)格質(zhì)量，提高仿真準(zhǔn)確性，如圖4所示，劃分A、B和C共3個網(wǎng)格加密區(qū)。

圖4 網(wǎng)格加密區(qū)的設(shè)置

使用STAR-CCM+進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，數(shù)值計算湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)Realizable k-ε模型，邊界條件設(shè)定如表1所示。計算雷諾數(shù) Re＝U∞L／v＝3.1×107，其中v為空氣的運(yùn)動黏度系數(shù)。

表1 邊界條件設(shè)置

2 計算結(jié)果和分析

2.1 基準(zhǔn)模型的計算結(jié)果

針對基準(zhǔn)模型進(jìn)行CFD仿真計算，并通過改變A、B和C加密區(qū)的網(wǎng)格尺寸，獲得不同的體網(wǎng)格數(shù)目，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，計算結(jié)果如表2所示，若阻力系數(shù)CD變化率小于0.5%，認(rèn)為網(wǎng)格無關(guān)。最終選取A、B和C加密區(qū)尺寸為30、40和60 mm，體網(wǎng)格總數(shù)4 530.1萬，基準(zhǔn)模型阻力系數(shù) CD＝0.705。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

基礎(chǔ)模型整車外表面壓力云圖如圖5所示。由圖可見，牽引車迎風(fēng)面和貨箱迎風(fēng)面頂部產(chǎn)生較大正壓，這是壓差阻力的主要來源位置，但由于國內(nèi)大多為平頭重型貨車，牽引車迎風(fēng)面進(jìn)行氣動優(yōu)化的空間較小，但可針對牽引車與貨箱之間的流體流動進(jìn)行氣動優(yōu)化，降低貨箱的迎風(fēng)面壓力。圖6為車身表面總壓為零的等值面。由圖可見，牽引車兩側(cè)與頂部、車輪附近和貨箱頂部與尾部都對應(yīng)著較大的分離區(qū)，可從這些位置入手進(jìn)行氣動優(yōu)化，減小分離區(qū)，從而起到減阻的效果。但考慮到牽引車和拖車的阻力占比約87%，占據(jù)了總阻力的絕大部分，如圖7所示，故本文中的工作暫時僅考慮牽引車和拖車氣動附件的優(yōu)化，輪胎、后視鏡等部分氣動附件的優(yōu)化暫不考慮。

圖5 整車表面壓力分布云圖

圖6 車身表面總壓為零的等值面

圖7 整車Baseline模型主要組成部分阻力占比

圖8 則給出了中截面處流場速度分布。可以發(fā)現(xiàn)I區(qū)和III區(qū)產(chǎn)生較明顯的附體回流渦，即需對車頭和掛車尾部進(jìn)行優(yōu)化，減弱渦的強(qiáng)度；并通過優(yōu)化II區(qū)域的形狀，減弱該區(qū)域的流動分離，可減小貨箱頂部的流動分離區(qū)域的大小，則氣流在此區(qū)域更接近流線型流動，即起到了減小阻力的作用。

圖8 中截面速度矢量分布

綜上分析，可在牽引車區(qū)域、牽引車與掛車間距區(qū)域和掛車尾部區(qū)域3個氣動敏感區(qū)域，通過增加氣動附件進(jìn)行氣動優(yōu)化，控制流動分離并減小回流區(qū)域，達(dá)到減阻的目的。后續(xù)將針對這3個敏感區(qū)域的氣動優(yōu)化進(jìn)行單獨(dú)的分析討論。

2.2 牽引車區(qū)域減阻優(yōu)化

由圖6可知，牽引車頂部和側(cè)面均有著較強(qiáng)的流動分離，有針對性地設(shè)計牽引車側(cè)向?qū)Я靼搴晚敳空髡?，如圖9所示，圖9（a）為牽引車側(cè)向?qū)Я靼澹⊿ETV），圖9（b）～圖9（d）為 3種不同造型的牽引車頂部整流罩。在基準(zhǔn)模型上分別增加圖9中的4種氣動附件，進(jìn)行整車CFD仿真計算，減阻效果如表3所示，表中CD為阻力系數(shù)，Θ為減阻率?？梢园l(fā)現(xiàn)，RF-B減阻效果最好，減阻率可達(dá)25.2%，SETV減阻效果則不明顯。但圖10表明，增加SETV氣動附件之后，牽引車側(cè)面的負(fù)壓區(qū)明顯減小，即流動分離減弱，證明SETV對牽引車側(cè)面流動分離的控制是有效的，但由于其作用范圍小，對整車減阻貢獻(xiàn)不大。

圖9 牽引車區(qū)域氣動附件

表3 牽引車區(qū)域氣動附件減阻效果

圖10 基準(zhǔn)模型（Baseline）和增加SETV后的牽引車表面壓力分布

牽引車頂部整流罩對于流場的改變，文中僅對減阻最明顯的RF-B工況進(jìn)行討論。圖11給出了增加RF-B后的整車表面壓力分布。與圖5的基準(zhǔn)模型結(jié)果比較可以發(fā)現(xiàn)，牽引車頂部的負(fù)壓區(qū)消失，頂部流動分離得到了抑制，回流渦也消失（圖12中的I區(qū)域）。氣流沿著整流罩順利流過貨箱頂部，不再直接沖刷貨箱前端頂部，貨箱前端頂部的高壓區(qū)消失（圖5和圖11比較），這便使得整車阻力急劇減小。但牽引車頂部整流罩對于拖車尾流的控制效果不明顯，在圖12中的III區(qū)仍存在明顯的附體回流渦。

圖11 增加RF-B后整車表面壓力分布云圖

圖12 增加RF-B后中截面速度矢量分布

2.3 牽引車與掛車間距區(qū)域減阻優(yōu)化

牽引車和掛車間流動復(fù)雜，可通過設(shè)計氣動附件導(dǎo)流減弱流動分離，從而減小氣動阻力，設(shè)計氣動附件如圖13所示，圖13（a）～圖13（c）中的氣動附件均可獨(dú)立固定于貨箱前部，圖13（a）和圖13（c）主要起到整流作用，圖13（b）則是抑制貨箱前部的橫向流動，圖13（d）則是固定于牽引車后部兩側(cè)，起到導(dǎo)流作用。

圖13 牽引車與掛車間距區(qū)域氣動附件

在基準(zhǔn)模型上分別增加圖13中4種氣動附件，進(jìn)行整車CFD仿真計算，阻力系數(shù)如表4所示。由表可見，GAP-B減阻效果不明顯，沒有起到有效的整流作用，GAP-D減阻約1.6%，在牽引車的后部起到導(dǎo)流作用，減弱了流動分離，如圖14所示，氣流流過牽引車后部兩側(cè)的流動分離現(xiàn)象減弱。

表4 牽引車和掛車間距區(qū)域氣動附件減阻效果

圖14 增加GAP-D后水平截面速度矢量分布（截面距離地面1.8 m）

從表4中可以看出，GAP-A和GAP-C減阻率約15%，其減阻機(jī)理類似。GAP-A利用導(dǎo)流板導(dǎo)流，占據(jù)空間較大，且會影響牽引車與掛車間的空間，而GAP-C對安裝空間要求小，其造型設(shè)計來源于海洋動物類流線造型，能起到很好的導(dǎo)流作用，并增強(qiáng)貨箱前部的下洗氣流，減弱氣流對貨箱的直接沖刷（圖8和圖15比較），降低貨箱前部壓力，同時對貨箱頂部的流動分離起到了很好的控制作用，與Baseline相比（圖8），圖15中的II區(qū)流動分離消失，但GAP-C對尾流控制無效，III區(qū)仍存在較強(qiáng)的附體回流渦。

2.4 掛車尾部區(qū)域減阻優(yōu)化

圖15 增加GAP-C后中截面速度矢量分布

研究表明，箱式重型貨車在高速行駛下，重型貨車尾部的流體狀態(tài)對整車的氣動阻力有很大影響。在貨箱頂部，Altaf等［13］分別研究了方形、橢圓形和三角形的單個尾部導(dǎo)流板在固定角度、不同長度的條件下對貨車氣動阻力的影響。結(jié)果表明，長度為0.12 m的橢圓形尾部導(dǎo)流板減阻效果最大，達(dá)11.1%。許建民、范健明等［14］設(shè)計了一種由4塊導(dǎo)流板構(gòu)成的尾部減阻裝置，并詳細(xì)探討了底部導(dǎo)流板長度和傾角對氣動阻力的減阻效果。本文中，流動在掛車尾部產(chǎn)生較大的分離回流區(qū)（圖6），這是產(chǎn)生阻力的較大原因。為了控制尾部流動，設(shè)計了兩種尾板，如圖16所示，并進(jìn)行整車CFD計算，阻力系數(shù)如表5所示。由表可見，WAKE-A附件減阻4.7%，WAKE-B增阻約10%。WAKE-A 3個尾板的傾角均為10°，起到導(dǎo)流作用，貨箱尾部的附體回流渦向后移動（圖17（a）和圖17（b）中的 III區(qū)域），背壓恢復(fù)，阻力減小，對應(yīng)的尾流分離區(qū)也明顯減?。▓D17（c）和圖17（d））。后續(xù)擬將選取長度和角度為變量，對WAKE-A進(jìn)行多變量優(yōu)化，深入研究WAKE-A減阻流場機(jī)理。

圖16 掛車尾部區(qū)域氣動附件

表5 掛車尾部區(qū)域氣動附件減阻效果

圖17 增加WAKE-A后拖車尾流結(jié)構(gòu)的改變

WAKE-B附件對于尾流結(jié)構(gòu)的影響如圖18所示，由于較大的曲率，流體在彎曲板的表面加速（圖18（a）），導(dǎo)致在彎曲板上形成較大的負(fù)壓區(qū)域，即相對于Baseline整車的背壓降低，則對應(yīng)的整車阻力系數(shù)增加，即大曲率彎曲尾板并不是有效的減阻方案。

圖18 增加WAKE-B后拖車尾流結(jié)構(gòu)的改變

2.5 組合氣動附件減阻

根據(jù)2.2、2.3和2.4節(jié)中的研究結(jié)果，選取有效的氣動附件 SETV、RF-B、GAP-C、GAP-D和WAKE-A進(jìn)行組合氣動附件減阻研究，模型如圖19所示。計算結(jié)果如表6所示，可以發(fā)現(xiàn)組合模型減阻率可達(dá)27.4%，優(yōu)于任何一種獨(dú)立氣動附件。組合模型的減阻率并不是幾種獨(dú)立氣動附件減阻率的疊加，氣動附件之間存在相互影響，應(yīng)存在一種最優(yōu)的幾何尺寸解集。后續(xù)擬采用單一目標(biāo)多變量優(yōu)化方法對最優(yōu)的減阻方案進(jìn)行研究，不在本文中進(jìn)行闡述。

圖19 多種氣動附件的組合模型

表6 組合氣動附件減阻

圖20給出了整車車身表面總壓力為0的等值面分布圖。與基準(zhǔn)模型比較，車身兩側(cè)的流動分離區(qū)明顯減小，基準(zhǔn)模型的車身側(cè)面分離區(qū)可到達(dá)貨箱后排輪胎區(qū)域（圖6），而增加組合氣動附件后，車身側(cè)面分離區(qū)減小到貨箱前排輪胎區(qū)域（圖20），且整車尾部回流區(qū)域明顯減小。這表明組合氣動附件在提升整車氣動性能上具有重要作用。

圖20 組合氣動附件模型車身表面總壓為0的等值面

累積力系數(shù)曲線是通過對模型表面分布的壓力和切向力在模型運(yùn)動方向上投影并積分得到的曲線，再進(jìn)行無量綱處理，得到的阻力系數(shù)發(fā)展曲線，累積力系數(shù)CD＿x定義如下：

式中：Fpx和Fτx為壓差阻力和摩擦阻力；px和τx為表面壓力和表面切應(yīng)力在流動方向上的分量；Sm為模型表面積；ρ為空氣密度；U∞為來流速度；A為正投影面積。

圖21為不同氣動附件工況下的累積力系數(shù)CD＿x發(fā)展曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)對于重型貨車有4個累積力系數(shù)突變點(diǎn)：A點(diǎn)由重型貨車的平頭特征導(dǎo)致，此處進(jìn)行氣動優(yōu)化的空間較?。籅點(diǎn)由牽引車頂部后方流動分離引起，C點(diǎn)由貨箱前部的流動分離導(dǎo)致，而D點(diǎn)則是由貨箱尾部上方的流動分離造成。因此，B、C和D位置是控制流動分離、實現(xiàn)氣動減阻的關(guān)鍵控制點(diǎn)。通過比較不同的氣動附件的累積力發(fā)展曲線可以發(fā)現(xiàn)，組合模型和RF-B附件在除貨箱尾部區(qū)域外，變化規(guī)律一致，由于組合模型尾板的作用，貨箱尾部累積力增長小于RF-B。RF-B和組合模型在B點(diǎn)的累積力增加要大于基準(zhǔn)模型，這是由于牽引車頭部整流罩受力導(dǎo)致此處局部阻力增加，但在C點(diǎn)RF-B和組合模型累積力反向減小，即表明氣動阻力此處累積極小，體現(xiàn)出RF-B的減阻效果。

圖21 不同氣動附件的累積力系數(shù)發(fā)展曲線

3 結(jié)論

（1）利用三維掃描技術(shù)建立了某型重型貨車的整車數(shù)字模型，進(jìn)行了空氣動力學(xué)仿真計算，確定了重型貨車空氣動力學(xué)減阻的敏感區(qū)間，對重型貨車氣動減阻設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。

（2）基于重型貨車氣動減阻敏感區(qū)間，設(shè)計了10種獨(dú)立的氣動減阻附件，仿真結(jié)果表明其中9種氣動附件具有減阻效果。分別從壓力分布、速度分布和渦結(jié)構(gòu)分布等方面分析了氣動附件的減阻機(jī)理，系統(tǒng)地對重型貨車氣動附件減阻問題進(jìn)行了研究。并設(shè)計了一種海洋動物仿生學(xué)減阻附件GAPC，該附件對安裝空間要求小，對牽引車與貨箱之間流動起到整流作用，減阻效果明顯，減阻率為15.0%。

（3）通過組合使用氣動附件，獲得了最佳的減阻方案，減阻率可達(dá)27.4%。后續(xù)擬采用單目標(biāo)多變量優(yōu)化技術(shù)，對氣動附件尺寸進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，獲取該型重型貨車的最優(yōu)減阻方案。