摘要

貨車(chē)是內(nèi)陸地區(qū)運(yùn)輸貨物最重要、最靈活的方式之一。在巴西等國(guó)家，經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常依賴于卡車(chē)運(yùn)輸。為了降低貨運(yùn)價(jià)格，除了路線優(yōu)化外，卡車(chē)制造商開(kāi)始關(guān)注車(chē)輛的空氣動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)，以提高能源利用效率，減少油耗和排放。

考慮到世界上只有很少的風(fēng)洞設(shè)施能夠測(cè)試帶拖車(chē)的整車(chē)，為了改善這些車(chē)輛的空氣動(dòng)力學(xué)性能，使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬來(lái)評(píng)估整車(chē)系統(tǒng)成為最佳解決方案。本文對(duì)一輛滿載卡車(chē)進(jìn)行CFD評(píng)估，重點(diǎn)在于卡車(chē)和拖車(chē)的設(shè)計(jì)，評(píng)估不同的車(chē)身風(fēng)格，以及評(píng)估裝配在車(chē)輛上的外部空氣動(dòng)力部件的性能。  

結(jié)果顯示為基礎(chǔ)滿載卡車(chē)和概念設(shè)計(jì)在阻力系數(shù)增量方面的比較，以及基礎(chǔ)情況和最佳情況在阻力性能方面的圖像比較。這項(xiàng)工作希望在不損失載貨能力的情況下，結(jié)合卡車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)和額外的改進(jìn)，為卡車(chē)拖車(chē)提供一個(gè)優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)，指出空氣動(dòng)力學(xué)增量不能作為一個(gè)簡(jiǎn)單的因素相加。 

簡(jiǎn)介

汽車(chē)是內(nèi)陸運(yùn)輸人員和貨物的最重要方式之一。它們主要分為兩類(lèi)不同的乘用車(chē)，轎車(chē)及商用車(chē)，和公路卡車(chē)。美國(guó)出版商Ward’s的估計(jì)顯示，2016年全球汽車(chē)保有量約為13億輛，是1960年的11倍。在2016年的汽車(chē)總數(shù)中，約27%為商用車(chē)。一些國(guó)家將貨物和旅客運(yùn)輸?shù)闹饕糠旨性诠飞?，如巴西?8%， 澳大利亞占53%。考慮到巴西，該國(guó)75%的產(chǎn)品主要通過(guò)卡車(chē)進(jìn)行公路運(yùn)輸。

對(duì)于全卡車(chē)的風(fēng)洞試驗(yàn)，考慮到拖車(chē)，世界上只有少數(shù)設(shè)施，如荷蘭的DNW風(fēng)洞和美國(guó)的國(guó)家全尺寸空氣動(dòng)力學(xué)綜合研究中心（NFAC）艾姆斯研究中心可以實(shí)現(xiàn)。另一種解決方案是使用CFD模擬來(lái)評(píng)估整車(chē)的氣動(dòng)性能，因?yàn)閿?shù)值域可以用足夠大的尺寸進(jìn)行離散，以避免堵塞效應(yīng)。計(jì)算模擬可以在項(xiàng)目的早期階段進(jìn)行，避免在高級(jí)階段進(jìn)行成本高昂的變更，還可以提供一個(gè)可靠的工具，用于評(píng)估提議的外部零件和幾何形狀變更，而無(wú)需原型制造。CFD與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合，提供了空氣動(dòng)力學(xué)敏感性方面關(guān)鍵區(qū)域的指南，通過(guò)引導(dǎo)工程師研究更有效的空氣動(dòng)力學(xué)解決方案，提高了試驗(yàn)效率。 

HYV?RINEN(2015)的研究提出了在三種不同條件下使用配備拖車(chē)的卡車(chē)在封閉風(fēng)洞中針對(duì)開(kāi)放道路條件進(jìn)行測(cè)試時(shí)的堵塞效應(yīng)的虛擬評(píng)估，結(jié)果表明不同的力分布、流動(dòng)特征和阻力系數(shù)比較兩種情況時(shí)的結(jié)果。我們可以得出的主要結(jié)論是，如果不遵守堵塞條件，即使是風(fēng)洞測(cè)試也可能會(huì)減輕流動(dòng)效應(yīng)。PATTEN等人的報(bào)告中總結(jié)了用于評(píng)估和開(kāi)發(fā)配備拖車(chē)的卡車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)特性的技術(shù)。人。（2012）。實(shí)驗(yàn)設(shè)施在優(yōu)點(diǎn)和改進(jìn)點(diǎn)以及CFD模擬和其他方法方面進(jìn)行了介紹和討論。該研究在風(fēng)洞方面提供了很好的參考，但CFD方法隨著時(shí)間的推移而進(jìn)步，并在更可靠的時(shí)間內(nèi)提供了比2012年提出的更好的結(jié)果。由于尺寸限制，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)性學(xué)術(shù)研究都是使用比例模型進(jìn)行的，一個(gè)有趣的例子是SHUKRI和AKRAM(2013)所做的工作，他們對(duì)卡車(chē)的1/30比例模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以評(píng)估行為根據(jù)襟翼和車(chē)輛偏航情況，在拖車(chē)后部添加襟翼顯示出大約20%的阻力改進(jìn)。作者進(jìn)行的CFD結(jié)果也顯示出與實(shí)驗(yàn)良好的相關(guān)性。

圖1. 1.本研究中評(píng)估的卡車(chē)的開(kāi)源幾何形狀。從上到下：短面卡車(chē)牽引車(chē)(1)；加長(zhǎng)面卡車(chē)牽引車(chē)(2)；加長(zhǎng)面舊設(shè)計(jì)卡車(chē)牽引車(chē)(3)；具有擴(kuò)展面概念設(shè)計(jì)的卡車(chē)牽引車(chē)(4)。

方法論我們使用相同的雷諾平均納維-斯托克斯方法，詳細(xì)介紹了BUSCARIOLO等人的工作。替換流體守恒定律方程上的標(biāo)量變量，再加上適當(dāng)?shù)男薷?，我們得到了描述流體運(yùn)動(dòng)及其性質(zhì)的Navier-Stokes方程，并考慮了不可壓縮的等溫牛頓流動(dòng)（密度和粘度是常數(shù)）。為了用CFD進(jìn)行這項(xiàng)研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬風(fēng)洞，施加在入口上并考慮用于測(cè)試的速度是卡車(chē)在高速公路上行駛的真實(shí)路況。還考慮了在出口處應(yīng)用的輪胎-地板界面和大氣壓力邊界條件的移動(dòng)地面模擬。對(duì)于風(fēng)洞壁，應(yīng)用對(duì)稱邊界條件，測(cè)試斷面的湍流強(qiáng)度約為0.6%，類(lèi)似于控制良好的風(fēng)洞。對(duì)于每種情況，表面網(wǎng)格被離散化，平均卡車(chē)表面尺寸為10毫米，并對(duì)關(guān)鍵區(qū)域（如鏡子、柱子和格柵）進(jìn)行了一些改進(jìn)。對(duì)于體積網(wǎng)格，考慮到卡車(chē)的細(xì)化框以及大多數(shù)外部組件的尾流和棱鏡邊界層，平均單元數(shù)達(dá)到約3000萬(wàn)個(gè)。使用帝國(guó)學(xué)院集群上的軟件Star-CCM+執(zhí)行模擬，運(yùn)行足夠的時(shí)間使解決方案在穩(wěn)態(tài)情況下達(dá)到物理收斂。

圖2. 平面Y=0mm的短面卡車(chē)的網(wǎng)格細(xì)節(jié)仿真結(jié)果

表1. 評(píng)估的所有載荷工況的阻力系數(shù)增量匯總考慮表1中的結(jié)果，可以得出這樣的結(jié)論：設(shè)計(jì)的發(fā)展改進(jìn)了當(dāng)前卡車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)和效率。我們還可以得出結(jié)論，擴(kuò)展面樣式提供了更平滑的氣流過(guò)渡，并且趨勢(shì)顯示空氣動(dòng)力學(xué)性能至少提高了19%。

圖3.  評(píng)估的卡車(chē)表面上的流線速度輪廓：短面卡車(chē)牽引車(chē)(1)；加長(zhǎng)面卡車(chē)牽引車(chē)(2)；加長(zhǎng)面舊設(shè)計(jì)卡車(chē)牽引車(chē)(3)；具有擴(kuò)展面概念設(shè)計(jì)的卡車(chē)牽引車(chē)(4)。

比較圖三所示不同設(shè)計(jì)的流動(dòng)剖面，可以確定短面車(chē)輛(1)駕駛室后面的強(qiáng)烈再循環(huán)區(qū)，主要由駕駛室和拖車(chē)之間的間隙產(chǎn)生，導(dǎo)致負(fù)對(duì)阻力的影響。我們還觀察到具有更好空氣動(dòng)力學(xué)性能的卡車(chē)(2和4)與基礎(chǔ)情況相比，流動(dòng)過(guò)渡更平緩，駕駛室后面的再循環(huán)區(qū)更小。舊設(shè)計(jì)的卡車(chē)(3)在駕駛室后部呈現(xiàn)出清晰的渦流，主要是由于沒(méi)有導(dǎo)流板和與拖車(chē)的凈距離而產(chǎn)生的。這些幾何特征導(dǎo)致機(jī)艙末端的固定分離點(diǎn)具有低壓梯度，從而增加了渦流的強(qiáng)度并損害了空氣動(dòng)力學(xué)性能。到達(dá)卡車(chē)(3)上的拖車(chē)的水流也有一個(gè)分離氣泡，從開(kāi)始到拖車(chē)長(zhǎng)度的四分之一，這在其他卡車(chē)上沒(méi)有注意到，主要是由于駕駛室的設(shè)計(jì)阻止了這種分離的發(fā)生。

圖4. 評(píng)估的卡車(chē)表面上按速度著色的尾流輪廓：短面卡車(chē)牽引車(chē)(1)；加長(zhǎng)面卡車(chē)牽引車(chē)(2)；加長(zhǎng)面舊設(shè)計(jì)卡車(chē)牽引車(chē)(3)；具有擴(kuò)展面概念設(shè)計(jì)的卡車(chē)牽引車(chē)(4)。

比較每種車(chē)身樣式提取并按速度著色的尾流輪廓，我們注意到與基線情況相比，設(shè)計(jì)(2)和(4)具有更好空氣動(dòng)力學(xué)性能的表面也具有更小的湍流尾流區(qū)域。盡管(4)在車(chē)輪和卡車(chē)-拖車(chē)過(guò)渡處有較大的尾流，但后視鏡尾流有顯著減少。我們確認(rèn)了舊卡車(chē)設(shè)計(jì)(3)中卡車(chē)-拖車(chē)過(guò)渡的流動(dòng)分離預(yù)測(cè)，不僅在頂部，而且在橫向過(guò)渡上，再加上長(zhǎng)的車(chē)輪尾流，有助于增加阻力。所呈現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)使我們得出結(jié)論，較小的尾流尺寸可以提高阻力系數(shù)性能。

圖5.評(píng)估的卡車(chē)表面靜壓輪廓：短面卡車(chē)牽引車(chē)(1)；加長(zhǎng)面卡車(chē)牽引車(chē)(2)；加長(zhǎng)面舊設(shè)計(jì)卡車(chē)牽引車(chē)(3)；具有擴(kuò)展面概念設(shè)計(jì)的卡車(chē)牽引車(chē)(4)。圖5顯示了靜態(tài)壓力的輪廓，與大部分正面區(qū)域作為停滯點(diǎn)的短工作面(1)相比，考慮擴(kuò)展工作面的卡車(chē)具有更平滑的流動(dòng)過(guò)渡。正面部分的表面和空氣動(dòng)力學(xué)特征補(bǔ)償了短面(1)恢復(fù)了遠(yuǎn)場(chǎng)流的一些阻力性能。老款面設(shè)計(jì)(3)在拖車(chē)上有很強(qiáng)的滯留感，沒(méi)有任何空氣動(dòng)力裝置進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)論隨著排放和燃油經(jīng)濟(jì)性要求不斷提高，空氣動(dòng)力學(xué)正成為商用和貨運(yùn)車(chē)輛行業(yè)的熱門(mén)研究領(lǐng)域，旨在達(dá)到理想的項(xiàng)目性能。其中最重要的商用車(chē)輛是卡車(chē)，負(fù)責(zé)將貨物運(yùn)往內(nèi)陸。優(yōu)化卡車(chē)性能也直接影響公司和司機(jī)的利潤(rùn)。由于尺寸限制，世界上很少有風(fēng)洞設(shè)施能夠測(cè)試卡車(chē)，因此CFD模擬提供了合適的替代空氣動(dòng)力學(xué)評(píng)估。本研究提出了對(duì)整輛卡車(chē)的評(píng)估，重點(diǎn)關(guān)注卡車(chē)和拖車(chē)的設(shè)計(jì)，評(píng)估四種不同的車(chē)身樣式，并使用計(jì)算模擬評(píng)估組裝在車(chē)輛上的外部空氣動(dòng)力學(xué)部件的性能。短面卡車(chē)被認(rèn)為是參考的基準(zhǔn)模型。比較不同表面和車(chē)身樣式的結(jié)果表明，擴(kuò)展面(2)和擴(kuò)展面概念設(shè)計(jì)(4)車(chē)身樣式的風(fēng)阻系數(shù)性能比短面好20%左右，這主要是由于從車(chē)輛表面到流道的平滑過(guò)渡。拖車(chē)。舊設(shè)計(jì)的卡車(chē)，雖然也呈現(xiàn)出最初的平穩(wěn)過(guò)渡，但空氣動(dòng)力學(xué)性能比基線差41%，這可以通過(guò)客艙后面的強(qiáng)烈渦流和拖車(chē)上方的分離氣泡來(lái)證明。在比較基線模型上的概念性航空促成因素時(shí)，主要發(fā)現(xiàn)是將再循環(huán)區(qū)減小到最小尺寸，從而將阻力提高5%。我們還得出結(jié)論，湍流尾流是阻力性能的一個(gè)指標(biāo)，一旦這些特征與混沌流動(dòng)行為相關(guān)聯(lián)，具有較大尾流的車(chē)輛通常具有較差的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

我們要強(qiáng)調(diào)的要點(diǎn)之一是，一旦流動(dòng)物理受到整個(gè)連續(xù)體的影響，不同空氣動(dòng)力學(xué)部件和表面變化的空氣動(dòng)力學(xué)增量不能作為簡(jiǎn)單的因素總和相加。

進(jìn)一步的工作可能會(huì)考慮評(píng)估不同卡車(chē)樣式的空氣動(dòng)力學(xué)促成因素，旨在提高整體性能并評(píng)估制動(dòng)系統(tǒng)的熱性能，因?yàn)橐恍┙ㄗh考慮關(guān)閉輪襯區(qū)域并偏轉(zhuǎn)車(chē)身底部的流動(dòng)。由于短面案例的尾流相似，因此對(duì)后尾流控制進(jìn)行研究會(huì)很有趣。

文章來(lái)源：Jagdeo, S. and Senthilkumar, S., "Improving the Fuel Economy of Truck by Reducing Aerodynamics Drag - 3D CFD Study," SAE Technical Paper 2020-28-0383, 2020, https://doi.org/10.4271/2020-28-0383.