某卡车外流场分析与优化

Equipment Manufacturing Technology No.01，2018

近年来，随着物流行业的快速发展，对快递的转运效率要求越来越高，很多卡车生产企业开发了一系列的重型快速物流车，该系列快速物流车的特点是车厢容积大（迎风面积达到8~12m2），平均车速达到了80~100km/h.当车速达到90km/h时，空气阻力占车辆总行驶阻力比重的1/3，这就意味着车辆在行车过程中消耗1/3的燃油用于克服空气阻力[1]。而物流行业因其行业特点对卡车的燃油经济性要求颇高。国内的一些卡车生产企业和研究机构纷纷开展如何降低重型载货车的整车空气阻力研究，如盛辉物流公司研究开发的挂车侧护裙已成功申请国家发明专利。

本文主要运用仿真分析的方法，对某重型快速物流车的车挂匹配进行数值模拟，得到整车风阻系数及详细的流场信息，并对该车的空气动力学性能进行优化分析，较大幅度的降低了整车的风阻系数，为该款车型的拖车、挂匹配设计优化提供参考依据。

1计算模型及边界条件

1.1理论基础

空气动力学遵循流体力学的三个基本方程，各基本方程如下：

（1）连续方程

div v=0（1）（2）动量方程

div（ρvv i-μeff grad v i）=əpəx i+div（μeffəvəx i）（2）

（3）能量方程

ə（ρT）

əT+div（ρvT）=div（T C p gradT）+S T（3）（4）湍流动能k方程

div（ρvk-Γkeff grad k）=G-ρε（4）（5）湍动能耗散方程

div（ρvε-Γkeff gradε）=εk（C1G-C2ρε）（5）其中，G=μkeff[2

3

i=1

∑əv iəx i()2+əuəy+əvəx()2 +əvəz+əwəy

()2+əwəx+əuəz()2]

式中：v为平均速度，v i为平均速度分量，x i为坐标分量，T为温度，K为流体传热系数，C P为比热容，S T为流体内热源及由于黏性作用流体机械能转化为热能的部分，k为湍流动能，ε为湍流动能耗散率，μkeff 为湍流有效黏性系数，ρ为空气密度，Γkeff表示湍流动能有效扩散系数，Γεeff表示湍动能黏性耗散有效扩散系数[2]。

对于空气而言，马赫数小于0.3的，均可认为不可压缩流动[3]。该车的车速仅为90km/h（25m/s），马赫数小于0.1，故可认为汽车外流场属于不可压缩空气的钝体绕流，通常不考虑能量方程求解。

1.23D几何模型

本文以国内某款重卡为计算模型，并确定了以下几个优化措施，如图1~图5所示。为了减小计算量，采取机舱封闭的方法（不考虑该车的内循环阻力），同时为了提高模型的网格质量，对一些对网格

某卡车外流场分析与优化

林长波，许恩永，冯高山，展新

（东风柳州汽车有限公司，广西柳州545005）

摘要：针对某重型卡车的主车、挂车匹配分析问题，本文采用CFD方法，对整车的外部气动阻力进行了计算分析。研究结果表明：车厢前端圆角化、加装合适高度的导流罩、挂车尾部扰流板及增加挂车侧护裙对降低整车风阻系数较为明显；

其中，车厢前端圆角化降阻效果最为明显，最大可达到15.6%。分析结果可为后续匹配设计提供参考依据。

关键词：外流场；气动阻力；匹配优化

中图分类号：TH12文献标识码：A文章编号：1672-545X（2018）01-0018-04收稿日期：2017-10-16

计划项目：广西科学研究与技术开发计划项目（桂科AC16380020）

作者简介：林长波（1978-），男，吉林农安人，工程师，研究方向：车辆结构设计。

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《装备制造技术》2018年第01期

质量影响较大且对流场影响较小的细节进行一定的简化处理，如车架和车轮等。

1.3网格模型

外流场，入口距整车前端距离为2.5倍车长，

出口距车尾为6倍车长，高度为5倍车高，左右各为2.5倍车宽，体网格采用Trimmer 网格，边界层为4层，近壁层厚度为1mm ，并在车尾、后视镜等区域进行局部加密，网格总数为3538万。

1.4湍流模型及边界条件

湍流模型选择Reliable k-e 模型，该湍流模型能较好的模拟了边界层的流动情况，在外流场的模拟计算中应用较为广泛[4]。

根据该车规划的经济车速为85~95km/h ，设置外流场入口边界为速度入口边界，出口边界为压力

出口边界，其中，入口速度V =90km/h ，出口相对压

力P ref =1013mbar ；整车表面采用非滑移壁面，

地面采用移动边界，速度与车速一致，即V 1=90km/h ，外

流场其余边界均设置为滑移边界。

2计算结果及分析

2.1阻力系数

图7为气动阻力系数的变化趋势。由此可见，方案一车厢前端面圆角化对降低风阻系数作用尤为明显，增加挂车尾部扰流板次之，而更换可调高导流罩及增加挂车侧护裙降阻作用并不十分明显；空气阻力与Cd 伊A 成正比，在整车正投影面积A 不变的情况下，故Cd 越大，空气阻力越大，能耗越高。

2.2流场分析

图8~图9为原车及车厢前端圆角化方案压力云图对比。原车状态车厢前端面形成的正高压区面积明显要比车厢前端圆角化方案大，是导致其风阻系

图1原

车

图2车厢前端圆角

化

图3可调高度导流

罩

图4尾部扰

流板

图5

侧护裙

图6网格模

型

图7气动阻力系数减小的效果

30.00%25.00%20.00%15.00%10.00%5.00%0.00%

15.60%

18.40%

25.40%

28.70%

车厢前端

圆角化

换装可调高导流罩

增加尾部扰流板

增加挂车侧护裙

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