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商用車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)減阻技術(shù)——CFD仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)研究

2020-01-17 16:29:14·  來(lái)源：中國(guó)汽研汽車(chē)風(fēng)洞技術(shù)  作者：王慶洋  
　
原創(chuàng)王慶洋中國(guó)汽研汽車(chē)風(fēng)洞技術(shù)今天中重載卡車(chē)是石油消耗大戶(hù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)占汽車(chē)總量 13.9%的重型卡車(chē)卻消耗了汽車(chē)消耗石油總量的 49.2%，而且世界各國(guó)卡車(chē)的
中重載卡車(chē)是石油消耗大戶(hù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)占汽車(chē)總量 13.9%的重型卡車(chē)卻消耗了汽車(chē)消耗石油總量的 49.2%，而且世界各國(guó)卡車(chē)的能耗都還在增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到 2040 年，全球重型卡車(chē)能耗將增加 65%，成為世界主要經(jīng)濟(jì)體交通運(yùn)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(guó)汽研汽車(chē)風(fēng)洞中心王慶洋博士介紹牽引車(chē)-拖車(chē)形式的重卡空氣動(dòng)力學(xué)減阻技術(shù)。
作者簡(jiǎn)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(guó)汽研汽車(chē)風(fēng)洞中心空氣動(dòng)力學(xué)工程師；長(zhǎng)期從事動(dòng)力學(xué)與控制、空氣動(dòng)力學(xué)以及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)的相關(guān)研究工作，已發(fā)表國(guó)內(nèi)外雜志會(huì)議學(xué)術(shù)論文10余篇，獲得實(shí)用新型專(zhuān)利1項(xiàng)，發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)。
 
1、研究背景
由于不同的國(guó)家法律法規(guī)對(duì)商用車(chē)長(zhǎng)度定義不同（美國(guó)計(jì)算貨箱長(zhǎng)度，中國(guó)和歐洲計(jì)算整車(chē)長(zhǎng)度，如圖1），為了追求更多的有效載重空間，中國(guó)商用車(chē)主要以平頭卡車(chē)為主，而美國(guó)商用車(chē)以長(zhǎng)頭卡車(chē)為主，這就意味著中國(guó)的商用車(chē)具有更多的減阻優(yōu)化空間。
 圖1 中國(guó)、美國(guó)與歐洲商用車(chē)車(chē)長(zhǎng)定義的不同
 
另一方面，對(duì)于商用車(chē)，國(guó)家對(duì)于油耗要求愈發(fā)嚴(yán)格。2019年7月1日開(kāi)始實(shí)施的新國(guó)標(biāo)“重型商用車(chē)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(guò)變更擴(kuò)展對(duì)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(shí)，應(yīng)對(duì)產(chǎn)品油耗的變化情況進(jìn)行說(shuō)明。若對(duì)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(shuō)明。”新國(guó)標(biāo)的具體要求見(jiàn)表1，相比舊國(guó)標(biāo)GB 30510-2014，不同設(shè)計(jì)載重的商用車(chē)百公里油耗均要求降低15%以上。
表1 半掛牽引車(chē)燃料消耗量限值
 
表2 空氣動(dòng)力學(xué)減阻與燃油經(jīng)濟(jì)性
 
那么從空氣動(dòng)力學(xué)減阻的角度會(huì)給商用車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)多大的提升呢？已有研究表明，如表2所示，當(dāng)車(chē)速96kph時(shí)，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(dòng)力學(xué)優(yōu)化角度入手，理想車(chē)速96kph，氣動(dòng)減阻30%，則可以達(dá)到降低15%的百公里油耗國(guó)標(biāo)要求，且中國(guó)的平頭卡車(chē)具有更多的氣動(dòng)減阻空間，因此，從空氣動(dòng)力學(xué)角度來(lái)提升商用車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性無(wú)疑應(yīng)是一種行之有效的方法。
中國(guó)汽研汽車(chē)風(fēng)洞中心近期在CFD仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)方面，進(jìn)行了牽引車(chē)-拖車(chē)形式的重卡空氣動(dòng)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(chǎng)上常見(jiàn)的某型平頭重卡牽引車(chē)以及配套封閉式貨箱拖車(chē)，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(duì)實(shí)車(chē)進(jìn)行三維掃描（擴(kuò)展閱讀：CAERI風(fēng)洞 | 一文了解汽車(chē)正投影面積精確測(cè)量神器），如圖2所示。獲取整車(chē)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)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(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)研究均是基于圖3中所示模型開(kāi)展的?；鶞?zhǔn)模型（baseline model）的車(chē)長(zhǎng)L=16.4m，車(chē)寬W=2.4m，車(chē)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(shí)車(chē)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(jì)方案與CFD仿真結(jié)果
 
根據(jù)該車(chē)的特征，我們針對(duì)牽引車(chē)頂部、牽引車(chē)和拖車(chē)間隙處及拖車(chē)尾部三個(gè)氣動(dòng)敏感區(qū)域設(shè)計(jì)了10種不同氣動(dòng)附件，分別如圖4，圖5和圖6所示。經(jīng)過(guò)CFD仿真研究（來(lái)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(dòng)附件，氣動(dòng)減阻效果如表3和圖7所示。此款車(chē)的baseline模型的阻力系數(shù)CD為0.705，RF-B和GAP-C減阻氣動(dòng)附件最為有效，獨(dú)立氣動(dòng)附件減阻率可達(dá)25.2%和15.0%。
圖4 牽引車(chē)區(qū)域氣動(dòng)附件
 
圖5 牽引車(chē)和拖車(chē)間隙區(qū)域氣動(dòng)附件
 
圖6 拖車(chē)尾部區(qū)域氣動(dòng)附件
 
表3 不同種氣動(dòng)減阻方案CFD減阻效果比較
（Θ：減阻率，無(wú)偏航，U∞=100kph）
 
 
圖7 不同種氣動(dòng)減阻方案減阻率比較
 
我們也考察了這5種氣動(dòng)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(dòng)附件，我們參數(shù)化了圖8中所示的5種氣動(dòng)附件，利用單目標(biāo)多變量?jī)?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(duì)于市場(chǎng)上這類(lèi)不良空氣動(dòng)力學(xué)造型的卡車(chē)有著巨大的氣動(dòng)減阻空間。有關(guān)CFD仿真的設(shè)置請(qǐng)見(jiàn)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(dòng)附件的組合減阻方案
 
3 縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究
我們?cè)诿绹?guó)ARC公司的40%縮比模型風(fēng)洞對(duì)上述有效氣動(dòng)附件進(jìn)行了1/8縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)，縮比模型車(chē)長(zhǎng)L=2053.4mm，車(chē)寬W=306.9mm，車(chē)高H=524.6mm，阻塞度3.4%，如圖9所示，ARC風(fēng)洞信息參見(jiàn)附錄2。
圖9  ARC模型風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(jiàn)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(yàn)選取風(fēng)洞最大風(fēng)速180kph作為基準(zhǔn)測(cè)試風(fēng)速，雷諾數(shù)Re = 6.9×10^6，即模型風(fēng)洞試驗(yàn)與CFD仿真雷諾數(shù)相比差1個(gè)數(shù)量級(jí)。由于試驗(yàn)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(yàn)與CFD仿真的比較
 
表4給出了不同減阻方案風(fēng)洞試驗(yàn)減阻結(jié)果，baseline的CD = 0.785，與CFD結(jié)果類(lèi)似，仍舊是RF-B獨(dú)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(duì)于整車(chē)阻力的影響，去除后視鏡后（No Mirrors），減阻率0.1%，即說(shuō)明對(duì)于重卡這種不良空氣動(dòng)力學(xué)造型的車(chē)型，后視鏡的阻力貢獻(xiàn)可能并不大。
表4 不同種氣動(dòng)減阻方案風(fēng)洞試驗(yàn)減阻效果比較
（Θ：減阻率，無(wú)偏航，U∞=180kph）
 
CFD仿真和試驗(yàn)結(jié)果的CD值比較如圖11所示，不同工況，試驗(yàn)結(jié)果均比仿真結(jié)果大，相差8%～10%左右，由于仿真和試驗(yàn)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(duì)值的比較，而重點(diǎn)考察仿真和試驗(yàn)的減阻率的差別，如圖12所示，不同減阻方案的仿真和試驗(yàn)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(chē)和貨箱之間的間隙區(qū)域，這個(gè)位置流動(dòng)復(fù)雜，湍流效應(yīng)強(qiáng)，這可能是仿真和試驗(yàn)差別較大的原因。因此，在定性分析的程度上，仿真和試驗(yàn)起到了相互驗(yàn)證的作用。
 
此外，對(duì)于SETV（Side Edge Turning Vane），值得注意的是試驗(yàn)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(lái)就不明顯（小于1%），無(wú)法判斷仿真和試驗(yàn)二者孰對(duì)孰錯(cuò)，但可以確定的是SETV在本文的研究中沒(méi)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(chē)門(mén)和門(mén)把手的作用，即SETV可以增強(qiáng)車(chē)門(mén)附近表面流體流動(dòng)的速度脈動(dòng)，更容易帶走灰塵等污染物，這些流動(dòng)控制方法的物理機(jī)制中國(guó)汽研汽車(chē)風(fēng)洞中心也正在研究，研究的試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)在后續(xù)發(fā)布。
圖11 CFD仿真和試驗(yàn)結(jié)果的CD值比較
 
圖12 CFD仿真和試驗(yàn)結(jié)果的減阻率的比較
 
3.2 偏航角對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響
 
本文也研究了偏航角β對(duì)不同種方案的風(fēng)阻系數(shù)的影響，如圖13所示。可以發(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(huì)增大CD值，這是符合客觀事實(shí)的，且對(duì)于最優(yōu)化組合減阻方案（Combination of Opt Aero Devices），在β角較大時(shí)，相比普通減阻方案（Combination of Aero Devices）減阻效果更明顯。我們也單獨(dú)研究了側(cè)裙板在有側(cè)風(fēng)存在時(shí)（如圖14），對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)β=0°時(shí)，側(cè)裙板的減阻效果不明顯，但是對(duì)于β角較大時(shí)，側(cè)裙板的減阻效果則體現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)β=9°時(shí)，側(cè)裙板減阻率可達(dá)6%。這說(shuō)明對(duì)于中國(guó)沿海、東北、西北等存在較強(qiáng)側(cè)風(fēng)的地區(qū)，長(zhǎng)途運(yùn)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(yàn)中側(cè)裙板的安裝
 
4 小結(jié)
中國(guó)的商用車(chē)在空氣動(dòng)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(duì)于不良?xì)鈩?dòng)外形的重卡基準(zhǔn)模型，仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明最大空氣動(dòng)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(guó)商用車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)大幅度提升。中國(guó)汽研汽車(chē)風(fēng)洞中心也會(huì)進(jìn)一步深入研究，將研究成果實(shí)用化、產(chǎn)品化，直接服務(wù)于中國(guó)商用車(chē)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(xiàng)目“提高中載及重載卡車(chē)能效關(guān)鍵技術(shù)”課題的支持，感謝重慶理工大學(xué)賴(lài)晨光教授團(tuán)隊(duì)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(lài)晨光, 朱習(xí)加, 王勇. 基于氣動(dòng)附件的重卡空氣動(dòng)力學(xué)減阻研究. 汽車(chē)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(jì)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(jì)算雷諾數(shù)Re=U∞L/v=3.1×10^7，其中v為空氣的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)。
附表1  邊界條件設(shè)置
 
附錄2 美國(guó)ARC 40%縮比模型風(fēng)洞信息
附圖1 美國(guó)ARC模型風(fēng)洞實(shí)物圖
 
附表2 美國(guó)ARC模型風(fēng)洞信息
 

 
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