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商用車空氣動力學(xué)減阻技術(shù)——CFD仿真與風(fēng)洞試驗研究

2020-01-17 16:29:14·  來源：中國汽研汽車風(fēng)洞技術(shù)  作者：王慶洋  
　
原創(chuàng)王慶洋中國汽研汽車風(fēng)洞技術(shù)今天中重載卡車是石油消耗大戶，據(jù)統(tǒng)計，我國占汽車總量 13.9%的重型卡車卻消耗了汽車消耗石油總量的 49.2%，而且世界各國卡車的
中重載卡車是石油消耗大戶，據(jù)統(tǒng)計，我國占汽車總量 13.9%的重型卡車卻消耗了汽車消耗石油總量的 49.2%，而且世界各國卡車的能耗都還在增長，預(yù)計到 2040 年，全球重型卡車能耗將增加 65%，成為世界主要經(jīng)濟(jì)體交通運輸業(yè)中最大 CO 2 排放源。因此中重載卡的減阻降耗變得十分重要和迫切。本期特邀中國汽研汽車風(fēng)洞中心王慶洋博士介紹牽引車-拖車形式的重卡空氣動力學(xué)減阻技術(shù)。
作者簡介
 
王慶洋：
    
2018年畢業(yè)于清華大學(xué)航天航空學(xué)院并取得博士學(xué)位，現(xiàn)任中國汽研汽車風(fēng)洞中心空氣動力學(xué)工程師；長期從事動力學(xué)與控制、空氣動力學(xué)以及風(fēng)洞實驗技術(shù)的相關(guān)研究工作，已發(fā)表國內(nèi)外雜志會議學(xué)術(shù)論文10余篇，獲得實用新型專利1項，發(fā)明專利1項。
 
1、研究背景
由于不同的國家法律法規(guī)對商用車長度定義不同（美國計算貨箱長度，中國和歐洲計算整車長度，如圖1），為了追求更多的有效載重空間，中國商用車主要以平頭卡車為主，而美國商用車以長頭卡車為主，這就意味著中國的商用車具有更多的減阻優(yōu)化空間。
 圖1 中國、美國與歐洲商用車車長定義的不同
 
另一方面，對于商用車，國家對于油耗要求愈發(fā)嚴(yán)格。2019年7月1日開始實施的新國標(biāo)“重型商用車輛燃料消耗量限值”GB 30510-2018要求：“自2019年7月1日起，企業(yè)可通過變更擴展對油耗進(jìn)行整改，2021年7月1日前，企業(yè)應(yīng)完成油耗整改工作。整改時，應(yīng)對產(chǎn)品油耗的變化情況進(jìn)行說明。若對產(chǎn)品進(jìn)行配置優(yōu)化，須提供相關(guān)優(yōu)化措施的詳細(xì)說明。”新國標(biāo)的具體要求見表1，相比舊國標(biāo)GB 30510-2014，不同設(shè)計載重的商用車百公里油耗均要求降低15%以上。
表1 半掛牽引車燃料消耗量限值
 
表2 空氣動力學(xué)減阻與燃油經(jīng)濟(jì)性
 
那么從空氣動力學(xué)減阻的角度會給商用車燃油經(jīng)濟(jì)性帶來多大的提升呢？已有研究表明，如表2所示，當(dāng)車速96kph時，空氣阻力減小2%燃油經(jīng)濟(jì)性便可以提升1%[1]，大膽估算一下，如果僅從空氣動力學(xué)優(yōu)化角度入手，理想車速96kph，氣動減阻30%，則可以達(dá)到降低15%的百公里油耗國標(biāo)要求，且中國的平頭卡車具有更多的氣動減阻空間，因此，從空氣動力學(xué)角度來提升商用車燃油經(jīng)濟(jì)性無疑應(yīng)是一種行之有效的方法。
中國汽研汽車風(fēng)洞中心近期在CFD仿真和風(fēng)洞試驗方面，進(jìn)行了牽引車-拖車形式的重卡空氣動力學(xué)減阻技術(shù)研究。

2 重卡減阻技術(shù)CFD仿真研究
 
2.1 三維數(shù)字模型的獲取
 
我們選取市場上常見的某型平頭重卡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（擴展閱讀：CAERI風(fēng)洞 | 一文了解汽車正投影面積精確測量神器），如圖2所示。獲取整車點云數(shù)據(jù)后，進(jìn)行適當(dāng)簡化并逆向建模得到重卡的基準(zhǔn)數(shù)字模型如圖3所示。后續(xù)基準(zhǔn)模型的CFD計算和風(fēng)洞試驗研究均是基于圖3中所示模型開展的?；鶞?zhǔn)模型（baseline model）的車長L=16.4m，車寬W=2.4m，車高H= 4.2m，正投影面積A=10.2 m2（平方米）。
圖2 某型平頭重卡的實車三維掃描
圖3 建立的基準(zhǔn)三維數(shù)字模型
 
2.2 減阻設(shè)計方案與CFD仿真結(jié)果
 
根據(jù)該車的特征，我們針對牽引車頂部、牽引車和拖車間隙處及拖車尾部三個氣動敏感區(qū)域設(shè)計了10種不同氣動附件，分別如圖4，圖5和圖6所示。經(jīng)過CFD仿真研究（來流風(fēng)速100kph，雷諾數(shù)Re=U∞L/v=3.1×10^7），確定了5種有效氣動附件，氣動減阻效果如表3和圖7所示。此款車的baseline模型的阻力系數(shù)CD為0.705，RF-B和GAP-C減阻氣動附件最為有效，獨立氣動附件減阻率可達(dá)25.2%和15.0%。
圖4 牽引車區(qū)域氣動附件
 
圖5 牽引車和拖車間隙區(qū)域氣動附件
 
圖6 拖車尾部區(qū)域氣動附件
 
表3 不同種氣動減阻方案CFD減阻效果比較
（Θ：減阻率，無偏航，U∞=100kph）
 
 
圖7 不同種氣動減阻方案減阻率比較
 
我們也考察了這5種氣動附件的組合減阻率，組合減阻方案（Combine）如圖8所示，CFD仿真阻力系數(shù)0.512，減阻率可達(dá)27.4%。為了進(jìn)一步優(yōu)化減阻氣動附件，我們參數(shù)化了圖8中所示的5種氣動附件，利用單目標(biāo)多變量優(yōu)化算法，進(jìn)一步優(yōu)化減阻附件造型，獲得減阻最優(yōu)方案（Opt-Combine），減阻率可達(dá)30.1%。這些數(shù)據(jù)表明，對于市場上這類不良空氣動力學(xué)造型的卡車有著巨大的氣動減阻空間。有關(guān)CFD仿真的設(shè)置請見附錄1，如需獲得更多有關(guān)本文CFD仿真研究的細(xì)節(jié)，讀者可以參閱文獻(xiàn)[2]。
圖8 多種氣動附件的組合減阻方案
 
3 縮比模型風(fēng)洞試驗研究
我們在美國ARC公司的40%縮比模型風(fēng)洞對上述有效氣動附件進(jìn)行了1/8縮比模型風(fēng)洞試驗，縮比模型車長L=2053.4mm，車寬W=306.9mm，車高H=524.6mm，阻塞度3.4%，如圖9所示，ARC風(fēng)洞信息參見附錄2。
圖9  ARC模型風(fēng)洞試驗現(xiàn)場圖
 
baseline，組合減阻方案（Combination of Aero Devices）和最優(yōu)化組合減阻方案（Combination of Opt Aero Devices）的風(fēng)阻系數(shù)雷諾數(shù)掃略結(jié)果見圖10，可以推斷隨著風(fēng)速繼續(xù)增加，CD值應(yīng)更趨于穩(wěn)定，但由于ARC風(fēng)洞最大風(fēng)速限制，本次試驗選取風(fēng)洞最大風(fēng)速180kph作為基準(zhǔn)測試風(fēng)速，雷諾數(shù)Re = 6.9×10^6，即模型風(fēng)洞試驗與CFD仿真雷諾數(shù)相比差1個數(shù)量級。由于試驗和仿真雷諾數(shù)差別較大，本文二者不做定量比較，只進(jìn)行定性分析。
圖10 風(fēng)阻系數(shù)CD雷諾數(shù)掃略結(jié)果
 
3.1 風(fēng)洞試驗與CFD仿真的比較
 
表4給出了不同減阻方案風(fēng)洞試驗減阻結(jié)果，baseline的CD = 0.785，與CFD結(jié)果類似，仍舊是RF-B獨立附件減阻率最優(yōu)，22.5%，組合減阻方案（Combine）減阻率29.3%，最優(yōu)化組合減阻方案（Opt-Combine）減阻率30.1%，也考察了后視鏡對于整車阻力的影響，去除后視鏡后（No Mirrors），減阻率0.1%，即說明對于重卡這種不良空氣動力學(xué)造型的車型，后視鏡的阻力貢獻(xiàn)可能并不大。
表4 不同種氣動減阻方案風(fēng)洞試驗減阻效果比較
（Θ：減阻率，無偏航，U∞=180kph）
 
CFD仿真和試驗結(jié)果的CD值比較如圖11所示，不同工況，試驗結(jié)果均比仿真結(jié)果大，相差8%～10%左右，由于仿真和試驗的模型尺寸差別較大，且雷諾數(shù)差別也較大，本文不進(jìn)行CD絕對值的比較，而重點考察仿真和試驗的減阻率的差別，如圖12所示，不同減阻方案的仿真和試驗的減阻率差別較小，除GAP-C方案外，均在2%左右，由于GAP-C方案處于牽引車和貨箱之間的間隙區(qū)域，這個位置流動復(fù)雜，湍流效應(yīng)強，這可能是仿真和試驗差別較大的原因。因此，在定性分析的程度上，仿真和試驗起到了相互驗證的作用。
 
此外，對于SETV（Side Edge Turning Vane），值得注意的是試驗結(jié)果與仿真結(jié)果相反，即起到了增阻的作用，但由于SETV的阻力系數(shù)控制效果本來就不明顯（小于1%），無法判斷仿真和試驗二者孰對孰錯，但可以確定的是SETV在本文的研究中沒有起到明顯的減阻作用。SETV在業(yè)內(nèi)也有討論可以起到清潔車門和門把手的作用，即SETV可以增強車門附近表面流體流動的速度脈動，更容易帶走灰塵等污染物，這些流動控制方法的物理機制中國汽研汽車風(fēng)洞中心也正在研究，研究的試驗結(jié)果也會在后續(xù)發(fā)布。
圖11 CFD仿真和試驗結(jié)果的CD值比較
 
圖12 CFD仿真和試驗結(jié)果的減阻率的比較
 
3.2 偏航角對風(fēng)阻系數(shù)的影響
 
本文也研究了偏航角β對不同種方案的風(fēng)阻系數(shù)的影響，如圖13所示?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著β的增加，不同方案的風(fēng)阻系數(shù)均增加，即側(cè)風(fēng)的存在會增大CD值，這是符合客觀事實的，且對于最優(yōu)化組合減阻方案（Combination of Opt Aero Devices），在β角較大時，相比普通減阻方案（Combination of Aero Devices）減阻效果更明顯。我們也單獨研究了側(cè)裙板在有側(cè)風(fēng)存在時（如圖14），對風(fēng)阻系數(shù)的影響，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)β=0°時，側(cè)裙板的減阻效果不明顯，但是對于β角較大時，側(cè)裙板的減阻效果則體現(xiàn)出來，當(dāng)β=9°時，側(cè)裙板減阻率可達(dá)6%。這說明對于中國沿海、東北、西北等存在較強側(cè)風(fēng)的地區(qū)，長途運輸?shù)闹乜☉?yīng)安裝側(cè)裙板，以達(dá)到提高燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。
圖13 風(fēng)阻系數(shù)CD與偏航角β的關(guān)系
 
圖14 風(fēng)洞試驗中側(cè)裙板的安裝
 
4 小結(jié)
中國的商用車在空氣動力學(xué)減阻方面有著巨大的潛力，這可以直接體現(xiàn)到提高燃油經(jīng)濟(jì)性上。本文的研究表面，相對于不良?xì)鈩油庑蔚闹乜ɑ鶞?zhǔn)模型，仿真和試驗結(jié)果均表明最大空氣動力學(xué)減阻率可達(dá)近30%，即燃油經(jīng)濟(jì)性可以提升近15%（根據(jù)表2數(shù)據(jù)折算），這是十分可觀的，若再加上輕量化和低滾阻輪胎的減阻效果，相信中國商用車的燃油經(jīng)濟(jì)性會大幅度提升。中國汽研汽車風(fēng)洞中心也會進(jìn)一步深入研究，將研究成果實用化、產(chǎn)品化，直接服務(wù)于中國商用車燃油經(jīng)濟(jì)性的提升。
 
致 謝
 
感謝中美清潔能源聯(lián)合研究中心（CERC）項目“提高中載及重載卡車能效關(guān)鍵技術(shù)”課題的支持，感謝重慶理工大學(xué)賴晨光教授團(tuán)隊的支持。
參考文獻(xiàn)
[1] Wood R M, Bauer S X S. Simple and low-cost aerodynamic drag reduction devices for tractor-trailer trucks. SAE transactions, 2003: 143-160.
[2] 王慶洋, 黃文鵬, 賴晨光, 朱習(xí)加, 王勇. 基于氣動附件的重卡空氣動力學(xué)減阻研究. 汽車工程, 2019. (已錄用)
附錄1 CFD仿真設(shè)置部分參數(shù)
本文使用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 模型，邊界條件設(shè)定如下（附表1）。計算雷諾數(shù)Re=U∞L/v=3.1×10^7，其中v為空氣的運動粘度系數(shù)。
附表1  邊界條件設(shè)置
 
附錄2 美國ARC 40%縮比模型風(fēng)洞信息
附圖1 美國ARC模型風(fēng)洞實物圖
 
附表2 美國ARC模型風(fēng)洞信息
 

 
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