摘要

貨車是內(nèi)陸地區(qū)運(yùn)輸貨物最重要、最靈活的方式之一。在巴西等國家，經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常依賴于卡車運(yùn)輸。為了降低貨運(yùn)價(jià)格，除了路線優(yōu)化外，卡車制造商開始關(guān)注車輛的空氣動(dòng)力學(xué)開發(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)施能夠測試帶拖車的整車，為了改善這些車輛的空氣動(dòng)力學(xué)性能，使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬來評估整車系統(tǒng)成為最佳解決方案。本文對一輛滿載卡車進(jìn)行CFD評估，重點(diǎn)在于卡車和拖車的設(shè)計(jì)，評估不同的車身風(fēng)格，以及評估裝配在車輛上的外部空氣動(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)合卡車空氣動(dòng)力學(xué)和額外的改進(jìn)，為卡車拖車提供一個(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)簡單的因素相加。 

簡介

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

對于全卡車的風(fēng)洞試驗(yàn)，考慮到拖車，世界上只有少數(shù)設(shè)施，如荷蘭的DNW風(fēng)洞和美國的國家全尺寸空氣動(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模擬來評估整車的氣動(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，用于評估提議的外部零件和幾何形狀變更，而無需原型制造。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的卡車在封閉風(fēng)洞中針對開放道路條件進(jìn)行測試時(shí)的堵塞效應(yīng)的虛擬評估，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)洞測試也可能會減輕流動(dòng)效應(yīng)。PATTEN等人的報(bào)告中總結(jié)了用于評估和開發(fā)配備拖車的卡車的空氣動(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，他們對卡車的1/30比例模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以評估行為根據(jù)襟翼和車輛偏航情況，在拖車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.本研究中評估的卡車的開源幾何形狀。從上到下：短面卡車牽引車(1)；加長面卡車牽引車(2)；加長面舊設(shè)計(jì)卡車牽引車(3)；具有擴(kuò)展面概念設(shè)計(jì)的卡車牽引車(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試的速度是卡車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。對于風(fēng)洞壁，應(yīng)用對稱邊界條件，測試斷面的湍流強(qiáng)度約為0.6%，類似于控制良好的風(fēng)洞。對于每種情況，表面網(wǎng)格被離散化，平均卡車表面尺寸為10毫米，并對關(guān)鍵區(qū)域（如鏡子、柱子和格柵）進(jìn)行了一些改進(jìn)。對于體積網(wǎng)格，考慮到卡車的細(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3000萬個(gè)。使用帝國學(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的短面卡車的網(wǎng)格細(xì)節(jié)仿真結(jié)果

表1. 評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渡，并且趨勢顯示空氣動(dòng)力學(xué)性能至少提高了19%。

圖3.  評估的卡車表面上的流線速度輪廓：短面卡車牽引車(1)；加長面卡車牽引車(2)；加長面舊設(shè)計(jì)卡車牽引車(3)；具有擴(kuò)展面概念設(shè)計(jì)的卡車牽引車(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之間的間隙產(chǎn)生，導(dǎo)致負(fù)對阻力的影響。我們還觀察到具有更好空氣動(dòng)力學(xué)性能的卡車(2和4)與基礎(chǔ)情況相比，流動(dòng)過渡更平緩，駕駛室后面的再循環(huán)區(qū)更小。舊設(shè)計(jì)的卡車(3)在駕駛室后部呈現(xiàn)出清晰的渦流，主要是由于沒有導(dǎo)流板和與拖車的凈距離而產(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(3)上的拖車的水流也有一個(gè)分離氣泡，從開始到拖車長度的四分之一，這在其他卡車上沒有注意到，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. 評估的卡車表面上按速度著色的尾流輪廓：短面卡車牽引車(1)；加長面卡車牽引車(2)；加長面舊設(shè)計(jì)卡車牽引車(3)；具有擴(kuò)展面概念設(shè)計(jì)的卡車牽引車(4)。

比較每種車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)在車輪和卡車-拖車過渡處有較大的尾流，但后視鏡尾流有顯著減少。我們確認(rèn)了舊卡車設(shè)計(jì)(3)中卡車-拖車過渡的流動(dòng)分離預(yù)測，不僅在頂部，而且在橫向過渡上，再加上長的車輪尾流，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.評估的卡車表面靜壓輪廓：短面卡車牽引車(1)；加長面卡車牽引車(2)；加長面舊設(shè)計(jì)卡車牽引車(3)；具有擴(kuò)展面概念設(shè)計(jì)的卡車牽引車(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)展工作面的卡車具有更平滑的流動(dòng)過渡。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)場流的一些阻力性能。老款面設(shè)計(jì)(3)在拖車上有很強(qiáng)的滯留感，沒有任何空氣動(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)車輛行業(yè)的熱門研究領(lǐng)域，旨在達(dá)到理想的項(xiàng)目性能。其中最重要的商用車輛是卡車，負(fù)責(zé)將貨物運(yùn)往內(nèi)陸。優(yōu)化卡車性能也直接影響公司和司機(jī)的利潤。由于尺寸限制，世界上很少有風(fēng)洞設(shè)施能夠測試卡車，因此CFD模擬提供了合適的替代空氣動(dòng)力學(xué)評估。本研究提出了對整輛卡車的評估，重點(diǎn)關(guān)注卡車和拖車的設(shè)計(jì)，評估四種不同的車身樣式，并使用計(jì)算模擬評估組裝在車輛上的外部空氣動(dòng)力學(xué)部件的性能。短面卡車被認(rèn)為是參考的基準(zhǔn)模型。比較不同表面和車身樣式的結(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，這主要是由于從車輛表面到流道的平滑過渡。拖車。舊設(shè)計(jì)的卡車，雖然也呈現(xiàn)出最初的平穩(wěn)過渡，但空氣動(dòng)力學(xué)性能比基線差41%，這可以通過客艙后面的強(qiáng)烈渦流和拖車上方的分離氣泡來證明。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)增量不能作為簡單的因素總和相加。

進(jìn)一步的工作可能會考慮評估不同卡車樣式的空氣動(dòng)力學(xué)促成因素，旨在提高整體性能并評估制動(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)車身底部的流動(dòng)。由于短面案例的尾流相似，因此對后尾流控制進(jìn)行研究會很有趣。

文章來源：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.