商用车空气动力学附加装置减阻技术的研究及应用.pdf

机械工程学报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第 47卷第 6期 2011 年 3 月 Vol.47No.6 Mar.2011 DOI10.3901/JME.2011.06.107 商 用 车 空 气 动 力 学 附 加 装 置 减 阻 技 术 的 研 究 及 应 用 * 王新宇 1, 2 王登峰 1 范士杰 2 付强 2 1. 吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室长春130025； 2. 中国第一汽车集团公司技术中心长春130011 摘要减小商用车的风阻是实现车辆节能降耗的一个重要途径。以某商用实际产品车为例，综合运用计算流体力学 Computational fluid dynamics, CFD分析与风洞试验相结合的方法对影响商用车风阻的各种因素进行研究，包括导流罩各种 状态对风阻的影响、驾驶室与货箱间距对风阻的影响、侧防护板对风阻的影响等，并分析其减阻机理。研究结果表明，对于 带货箱的商用车，合理采用各种气动减阻措施，可大幅度减小风阻，有效地实现节能降耗。提出的减阻措施已在产品中得到 实际应用，证明了其减阻节能效果的有效性。 关键词商用车计算流体力学分析减阻节能风洞试验 中图分类号U461.1 Research and Application ofAerodynamic Drag Reduction Devices on Commercial Vehicle WANGXinyu1, 2WANG Dengfeng1FANShijie2FU Qiang2 1. State Key LaboratoryofAutomotive Dynamic Simulation, Jilin University, Changchun 130025; 2. RD Center FAW, Changchun 130011 AbstractReducing aerodynamic drag of commercial vehicle is an important way to realize energy saving and consumption reduction for vehicle. Hereby, all kinds of factors influencing the aerodynamic drag of commercial vehicle are researched by using computational fluid dynamics CFD analysis and wind tunnel test, including the influence of dome style, distance between cabin and loading plat, and side aprons. According to the above research, the drag reducing mechanism is analyzed. The research results indicate that using various aerodynamic drag reduction measures properly on commercial vehicle with loading plat can reduce aerodynamic drag significantly, and realize energy saving and consumption reduction effectively. All the proposed drag reduction measures are practically used in the products, andtheir effectivenessof drag reduction andenergy saving is validated. Key wordsCommercial vehicleComputational fluid dynamicsCFD analysisDrag reductionEnergy saving Wind tunnel test 0前言* 节能降耗一直是汽车研发的一个重要发展方 向与研究课题，而汽车的气动阻力风阻是汽车行 驶阻力的重要组成部分，尤其是在汽车高速行驶时 更为突出。对于在高等级公路上行驶的商用车，若 气动阻力系数降低 30， 可降低油耗达 10以上[1]。 由此可见，降低风阻对节能的重要意义。 随着国内高速公路和物流业的迅速发展，带有 *国家高技术研究发展计划 63 计划，6和吉林省科技发 展重大6资助项目。3收到初稿，收到修 改稿 专用货箱的中重型商用车在运输中的地位逐步上升 并成为主力[2-4]， 其减阻问题对于降低运输成本愈加 重要[5-9]。本文以某商用车为研究对象， 以空气动力 学 方 法 为 基 础 ， 综 合 运 用 计 算 流 体 动 力学 Computational fluid dynamics, CFD数值模拟与风 洞试验相结合的方法，对商用车的多种减阻方式及 各种影响因素进行了深入系统研究，紧密结合产品 车的实际情况，注重实际应用效果与机理分析。理 论上采用 Fluent 软件对整车空气动力学性能进行了 CFD 仿真计算；试验上在国内最大的风洞试验基地 进行了实车风洞试验，并在北京航天空气动力技术 研究院进行了比例模型风洞试验。通过综合研究得 8200 AA110104 2008 00720100 2820100928 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报第 47 卷第 6 期期 108 到了各种因素对降低风阻的影响及规律性，并在产 品生产实际中得到应用，产生了良好的效果。 1导流罩对商用车风阻的影响 1.1CFD 分析原理 基于有限体积法进行 CFD 分析求解时， 采用均 化的流体力学方程组进行三维流场分析，可得到速 度场、压力场、温度场分布结果，以及气动六分力 值。 在汽车研发中， CFD 数值分析方法在外形优化、 降低风阻及内流分析、热流分析等领域得到广泛应 用， 目前已有多种商用 CFD 软件可供选用，其精度 可以满足工程应用要求，多有论著，不再赘述。本 文以汽车外部气流为分析介质， 采用非结构化网格， 分析目的是为获得汽车在各状态下的气动阻力变化 情况。对于不可压缩流体，忽略其体积力时均化的 控制方程如下。 运动方程 2 d1 d v vp tρρ 1 连续性方程 0vi2 式中v流场速度 P 流场压力 流体动力粘性系数 ρ空气密度 拉氏算符 本次计算采用了 Realizable k-ε湍流模型， Realizable k-ε 湍流模型可用于各种不同类型的流动 模拟，包括旋转均匀剪切流、有喷射和混合流的自 由流、管道内流动、边界层流动，以及带有分离的 流动， 很适合汽车外部流场的模拟。 在 Realizable k-ε 中关于 k和 ε 的输运方程为 t i ijkj k kku txxx ρρ σ bMkk GGYSρ ε3 t 1 i ijj uCS txxx ε ε ε ρ ερ ερ σ 2 213b CCC GS kkv εεε εε ρ ε 4 式中ui空气流动速度 Μt空气粘性系数 G层流速度梯度产生的湍流动能 Gb浮力产生的湍流动能 YM在可压缩湍流中， 过渡的扩散产生 的波动 C1,C2,C1ε,C3ε常量 σk, σε方程的湍流Prandtl数 Sk, Sε用户自定义的参数 上述方程构成封闭的方程组，用网格对计算域 的流场和研究对象进行离散，并求解这一方程组， 就可以得到流场的速度分布和压力分布。 1.2分析过程与结果 研究对象为某带货箱的商用载货汽车如图1所 示。货箱顶部离地高度为4 m，驾驶室与货箱间距 为1 m，整车长度为9.8 m。整车CFD分析模型包 含了来自实际产品数据库的驾驶室、底盘与机舱、 集装箱、实用化导流罩以及遮阳罩和后视镜等外部 附件，见图2。采用了正切割体网格与多层边界层 网格。考虑到对称性，在分析中沿纵对称面取一半 以节省计算资源。采用FLUENT软件进行数值模 拟，建立被试车型的k-ε湍流模型，风向沿汽车x 轴，风速为30 m/s。 图 1某带货箱的重型载货汽车 图 2整车 CFD 分析模型 导流罩共设计了6种不同方案进行对比。其中 图3a、3b为前窄后宽，高度不同上端距货箱顶部 分别为300 mm、100 mm。图3c、3d分别为图3a、 3b加侧导流罩。 图3e、3f为前后等宽， 高度不同上 端距货箱顶部分别为300 mm、100 mm，无侧导流 罩，不同导流罩方案如图3所示。 图4、5分别为图3a、3b方案分析结果的流场 速度分布云图。 由图4可见， 由于图3a导流罩高度与货箱顶部 相差较多，气流未能顺畅流过导流罩，而在车头与 k 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 月 2011年 3月王新宇等商用车空气动力学附加装置减阻技术的研究及应用 109 货箱之间的空隙处下沉，冲击到货箱前部后在顶部 重新加速并产生脱体。 在尾部也产生了较大的尾涡。 从图5中可以看出， 由于图3b导流罩高度与货箱相 近，气流能够比较顺畅地流到货箱上部，从而减小 阻力。说明导流罩高度接近货箱高度者较好。 ab cd ef 图 36 种不同导流罩方案 图 4图 3a 对称面速度场云图 图 5图 3b 对称面速度场云图 限于篇幅略去其他结果的图形，而将数值分析 结果整理于表1。从表1中可见，导流罩具有明显 的减阻作用， 其中在图3基础上增加侧导流罩的图 表 1不同导流罩时阻力系数 CFD 计算结果 方案风阻系数 Cd 无导流罩1.040 图 3a 0.734 图 3b0.726 图 3c 0.720 图 3d0.700 图 3e 0.755 图 3f0.745 3d方案效果最好，减阻可达32.7。前窄后宽的形 式较前后等宽图3e、图3f效果更好。 1.3比例模型风洞试验 为验证CFD分析的结果，同期进行了1/7模型 风洞试验，其模型比例根据风洞支撑条件对轴距的 要求确定。整车外形及6种不同的导流罩方案与 CFD分析一致，以便验证。试验在北京“中国航天 空气动力技术研究院”3 m 3 m风洞进行。模型为 树脂制成，试验风速为30 m/s，横向摆角为0 本文 中横向摆角是指汽车纵对称面与气流方向的夹角。 模型安装于汽车试验专用地板上。其中原车及加装 如图3c所示的导流罩后在风洞中安装照片见图6、 图7，限于篇幅略去其余方案的照片。各车顶导流 罩试验模型如图8所示。 图 6原车试验现场图 7图 3c 试验现场 图 8各车顶导流罩试验模型 1/7模型风洞试验与CFD数值计算结果对比情 况如表2所示。 表 2模型风洞试验与 CFD 计算结果对比情况 方案 计算风阻 系数Cd1 试验风阻 系数Cd2 相对误差 e/ 无导流罩1.0401.15810.2 图 3a 0.7340.65811.6 图3b0.7260.6806.8 图 3c 0.7200.7281.1 图3d0.7000.6429.0 图 3e 0.7550.7204.9 图3f55 b 0.740.709.1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报第 47 卷第 6 期期 110 从表2中可以看出① 模型风洞试验的结果 与CFD分析结果吻合较好， 风阻系数的最大相对误 差不超过12；② 导流罩高度接近货箱高度者的 图3b的结果好于图3a；③ 前窄后宽的形式较前后 等宽图3e、3f效果更好；④ 加装侧导流罩图3d 后可提高减阻效果， 相对于带货箱无导流罩的情形， 减阻最高可达到44％，而导流罩图3c试验结果由 于导流罩模型误差导致偏大。 由于此车型驾驶室高度与货箱高度相差较大， 故导流罩的减阻效果十分明显。 1.4实用工程化设计与实车风洞试验 比例模型试验证明了CFD分析与实测结果的 一致性，但为了实际应用于产品车，还须对导流罩 进行实用化的工程设计。以上述图3d导流罩方案 为基础，设计了与新型驾驶室外形匹配的实用化导 流罩图9， 为了最终确认该附加装置以及其他因素 对减小风阻的实际效果，对实际应用的导流罩及其 他影响因素进行了实车风洞试验。 图 94 m 高货箱带全导流罩 试验对象为某新型商用车，在四川绵阳的中国 空气动力研究与发展中心8 m 6 m风洞内进行了实 车试验。该风洞是一座开路式、闭口、串列双试验 段大型低速风洞，试验在安装了车辆试验专用地板 之后的第二试验段中进行。 试验风速为25～35 m/s， 方向平行于地面及车辆纵向对称面。 试验对象为高顶牵引车＋货箱，驾驶室顶部导 流罩高度为可调节式，含车顶导流罩和侧导流罩两 部分。货箱高度为标准型4 m和加高型4.5 m两种 情形。下面通过试验研究不同导流罩对风阻系数的 影响，为遵守企业对产品数据管理的限制要求，下 文的试验结果数据均以相对值表示，但不影响问题 讨论和结果对比与评价。 1无导流罩时货箱对风阻系数的影响。分别 对不带货箱的牵引车和带货箱而不带任何导流罩的 情形进行了测力试验。以前者阻力系数为a，则后 者阻力系数为1.3457a。 结果表明， 带货箱时若不加 导流罩，由于货箱前立面高出驾驶室且无任何减阻 措施，使风阻大大增加，阻力系数较无货箱增加了 34.57。 2全导流罩对风阻系数的影响。全导流罩是 指同时加装车顶导流罩与侧面导流罩图9， 在横向 摆角为0时将其与不带导流罩的状态进行了对比 试验，得到的相对阻力系数结果如表3所示。 表 3有无导流罩时风阻系数对比 状态无导流罩全导流罩 风阻系数Cdb0.811b 结果表明，由于车顶导流罩将驾驶室上部的气 流导向货箱顶部，避免气流对货箱前立面的直接冲 击，侧面导流罩可避免气流卷入驾驶室后的空隙产 生涡流，两者同时发挥作用可有效地减小气动阻力 达18.9％。 3侧导流罩对风阻的影响。为考查侧面导流 罩对风阻系数的影响，在横向摆角为10时，对有 无侧面导流罩的两种情形进行了测力试验。摘掉侧 面导流罩的情形参见图10。 有无侧导流罩时的阻力 系数的相对试验结果如表4所示。 图 104m 高货箱未带侧面导流罩 表 4有无侧导流罩时风阻系数对比 状态无侧导流罩有侧导流罩 风阻系数 Cdc0.980c 结果表明，侧导流板可将侧面气流导向货箱侧 面，从而减小来流对货箱前立面两侧的冲击，在横 向摆角为10时可降低气动阻力达2％。 4导流罩高度对风阻系数的影响。在汽车实 际运输过程中常有货箱加高的情况，为了考察在横 向摆角为0时，货箱由4 m高加至4.5 m与其相匹 配的不同高度导流罩对风阻系数的影响，进行了下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 月 2011年 3月王新宇等商用车空气动力学附加装置减阻技术的研究及应用 111 面两项试验① 导流罩后端高度保持为4 m，与标 准货箱等高，参见图11；② 导流罩升高，其延长 面与4.5 m的加高货箱顶部相切如图12所示。 图 114.5 m 高货箱导流罩高度 4m 图 124.5 m 高货箱导流罩延长面与加高货箱相切 试验结果如表5所示。结果表明，当货箱加高 时，将导流罩同步升高是十分必要的，当导流罩延 长面与加高货箱顶部相切时，相对于导流罩保持不 动可使整车阻力减少17.9％。 表 5导流罩高度对风阻系数影响对比 状态导流罩高度 4 m延长面相切 风阻系数Cdd0.821d 5烟流试验。对带有导流罩的试验车进行了 单管烟流试验，并记录了影像资料，参见图13。 图 3单管烟流试验 烟流试验结果直观地显示了导流罩的减阻作 用。在驾驶室顶面的气流光滑平顺，贴近驾驶室顶 面及车顶导流罩表面流动，具有与其外形一致的形 状，车顶导流罩将气流平顺地导向货箱上方，减小 因气流直接冲击货箱前立面引起的气动阻力；在驾 驶室侧面上部，气流也比较光滑平顺；气流在带有 侧导流板时被导向货箱侧面，不对货箱侧面突出部 分造成直接冲击，有利于减小气动阻力；驾驶室侧 面的后视镜对气流造成明显的干扰，气流在后视镜 后方产生涡脱落区；在驾驶室与货箱之间的间隙中 气流产生涡旋运动，流动紊乱；在货箱尾部，气流 形成尾涡，使货箱下部气流被向上卷起。 2其他因素对风阻的影响 以下内容均为实车风洞试验的研究结果，试验 对象与地点与第1节相同。 2.1货箱与驾驶室间距对风阻的影响 试验时分别取3个不同货箱与驾驶室后围间距 如表6所示，其中最小间距为350 mm，试验工况 的风速为35 m/s，横向摆角为0，试验车带有全部 导流罩图9， 试验得到的相对阻力系数结果见表6。 表 6三种货箱与驾驶室后围间距对风阻系数影响 间距 l/mm 3508501 280 风阻系数 Cde1.013e1.005e 以上三个阻力系数绝对值的方均根误差是 0.003 9，未超过阻力系数的试验精度0.0041。说明 在横向摆角为0、带导流罩情况下，货箱与驾驶室 间距变化对风阻的影响较小，在试验误差范围内。 其升力系数随着间距的增大由正升力变为负升力， 说明增大间距会影响上部气流的流畅性从而使上部 负压减小。 2.2侧防护板的影响 在试验风速为35 m/s、横向摆角为0时对有无 侧防护板如图9中前后车轮之间的侧防护板对风 阻影响进行了试验研究，结果如表7所示。 表 7有无侧防护板时风阻系数对比 状态有侧防护板无侧防护板 风阻系数 Cdf1.020f 可见若拆除侧防护板， 可使阻力系数增加2％。 因此侧防护板除了具有防护作用，还兼有整流减阻 作用，可防止气流卷入车底冲击底盘部件及车轮而 导致空气阻力增加。 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报第 47 卷第 6 期期 112 3结论 本文在简介了空气动力学原理的基础上，通过 综合运用CFD数值模拟、 比例模型风洞试验和实车 风洞试验相结合的方法，对商用车多种空气动力学 附加装置的减阻效果及其他影响因素进行了CFD 分析和试验。 1对于带有货箱的商用车，加装导流罩可以 起到明显的减阻作用。导流罩高度应接近货箱高度 以尽量减小气流对货箱前立面的冲击。前窄后宽导 流罩比前后等宽的形式更好。随驾驶室与货箱高度 差的不同，加装全导流罩减阻效果可达18.9％～44 ％。当货箱加高时，应将导流罩同步升高，可使整 车阻力减少17.9％。在气流方向与车速方向不一致 时，侧导流罩有明显的减阻作用。 2在横向摆角为0、带导流罩的情况下，货 箱与驾驶室间距的变化对风阻系数的影响很小。 3侧防护板除了具有防护作用，还有整流减 阻作用。 本文实车风洞试验中的导流罩图9已经被用 户在杭州广州间的长途运输中实际使用，根据用 户的反馈，在时速90 km/h、载重50 t情况下，可 实现节油3.47 L/100 km。 参考文献 [1]傅立敏.汽车空气动力学[M].北京机械工业出版社, 1998. FULimin.Vehicleaerodynamics[M].Beijing ChinaMachinePress,1998. [2] 范士杰， 王开春. 国产新型轿车空气动力特性的三维仿 真计算[J]. 汽车工程, 2000，225293-295. FANShijie,WANGKaichun.3-DComputational simulationonaerodynamiccharacteristiesofa China-madecar[J].AutomotiveEngineering,2000, 225293-295. [3] 任金东，王登峰，王善坡，等. 适合重型商用车人机设 计的数字人 体模型研究[J].机械 工程学报，2010, 46269-75. REN Jindong, WANG Dengfeng, WANG Shanpo, et al. Research on digital human model system used for heavy commercial vehicle ergonomic design[J]. Journalof Mechanical Engineering, 2010,46269-75. [4] 何忆斌, 谷正气, 吴军, 等. 三方程在汽车外流场仿真 计算中的应用[J]. 机械工程学报， 2008, 441 184-189. HE Yibin, GU Zhengqi, WU Jun, et al. Application of three-equation turbulence model in numerical simulation of vehicle external flow field[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2008,441184-189. [5] ENGLARR J.Advancedaerodynamic devicesto Improve the perance, economics, handling and safety of heavy vehicles[R].SAE，2001-01-2072,2001. [6] CHUNG J, LEE J, SUNG B. Wind tunnel test of an unmannedaerialvehicle[J].JournalofMechanical Science and Technology, 2003,175776-783. [7] WOOD R M, BAUER S X S. Simple and low-cost aerodynamic drag reduction devices for tractor-trailer trucks[R].SAE, 2003-01-3377, 2003. [8] WOODRM.Impactofadvancedaerodynamic technology on transportation energy consumption[R]. SAE,2004-01-1306, 2004. [9] KIM C, CHUNG J. Aerodynamic analysis of tilt rotor unmannedaerialvehiclewithcomputationalfluid dynamics[J].JournalofMechanicalScienceand Technology,2006, 204561-568. 作者简介王新宇，男，1971 年出生，博士研究生。研究方向为汽车系 统动力学与控制。 E-mailwxy_cs 王登峰通信作者，男，1963 年出生，教授，博士研究生导师。研究方 向为汽车系统动力学与控制。 E-mailcaewdf 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m