基于聯接式通道的廂式貨車減阻性能仿真研究

許建民，龔曉巖，鄭慶杰，宋 雷

（廈門理工學院 機械與汽車工程學院 廈門 361024，中國）

近年來全球能源緊缺，節約能源與我們的日常生活息息相關。在生產和生活都離不開的運輸業中，重型廂式貨車的能源消耗一直占據較高比例。減小重型廂式貨車的能量消耗即降低行駛時的空氣阻力一直以來是本行業的研究熱點。在相關法律法規要求下，尋找既能不大幅度改變廂式貨車形狀和載貨量又能減小廂式貨車阻力的方法是本行業的研究目標之一。

為減小廂式貨車行駛時的空氣阻力，以往學者在廂式貨車上添加氣動減阻附件，比如駕駛室導流罩[1-4]、側裙板以及尾部導流板等[5-8]，來減少車輛行駛時受到的空氣阻力，雖然達到了減少廂式貨車空氣阻力的效果，但是添加部分減阻附件的同時很大程度改變了車輛原有的形狀和尺寸，因此相關氣動減阻裝置目前仍不能較好的應用于車輛。另外有學者[9-11]對現有車輛部件進行結構參數優化從而達到減小車輛阻力的效果，但這些減阻方法的可優化之處越來越少，相關領域進入了發展瓶頸期。還有學者[12-14]仿生自然界生物對車輛進行氣動減阻設計，將車輛外表進行非光滑處理達到減阻的效果，但此方法會使車輛的制造成本大量增加。此外有學者[15-19]將飛機上的渦流發生器運用到車輛上進行減阻設計，取得減小阻力的效果，但低速行駛時渦流發生器的存在會使車輛的行駛阻力增加。另外還有學者[20]將車輛的尾氣和減阻結合起來，達到了較好的減阻效果，但此方法距離生產應用仍需要一定的時間。因此目前迫切需要能夠減小車輛行駛時的氣動阻力，同時不會大幅度改變車輛本身形狀和尺寸的減阻方式。

為了不大幅度改變車身形狀和尺寸并且能夠減小廂式貨車空氣阻力，本文參考國外相關研究[21]，提出將車輛側面的高壓區和尾部的低壓區相聯接，即在廂式貨車側面和尾部進行打孔建立側面和尾部的聯接式通道，從而達到減小阻力的效果。并以重型廂式貨車為研究對象，在廂式貨車的尾部建立聯接式通道，通過對聯接式通道的進出口形狀、尺寸大小、位置和內部形狀進行仿真分析，探究得到一種新型的廂式貨車減阻模型，同時探究這種聯接式通道模型在側風環境下的氣動特性。

1 仿真模型的建立以及仿真方法確定

1.1 模型建立

圖1 GTS 模型尺寸及模型示意圖

1.2 流體動力學基本理論

流體的流動，需要遵循3 大守恒定律。車輛周圍流體的流動需要滿足質量、動量、能量守恒方程[23]。

質量守恒方程為

其中：ρ是密度，不可壓縮流體中它為定值；t是時間；u、v、w是速度在x、y、z方向的分量。因在數值模擬中，常將流體假設為不可壓縮流體，則ρ為常數，式(1)可寫為

動量守恒方程，實際上就是牛頓第二定律。方程為：

其中：μ為動力粘度，Su、Sv、Sw為動量守恒方程的廣義源項。

能量守恒方程為

其中：Cp是比熱容，T是溫度；k是流體的傳熱系數；ST是流體的粘性耗散項。

2015－2016 年我院兒科門診治療呼吸系統疾病的口服用藥使用分析 ……………………………………… 李 晶等（2）：191

1.3 邊界條件設置

采用計算流體動力學軟件進行仿真分析?？紤]到側風，因此設置計算域入口距離車頭3 倍車長，計算域出口距離車尾7 倍車長；側面入風口距離車側面5 倍車寬，側面出口距離車身側面10 倍車寬；計算域高度為5 倍車高[24]。阻塞比為車輛的正投影面積/計算域的入口面積，為1.25%：滿足阻塞比要求。計算域如圖2 所示。為達到較好的仿真效果，對車身表面設置棱柱層，無量綱數壁面距離Y+值設置為30，第1層網格高度計算得1 mm，棱柱層設置為3 層，增長率為1.2。車輪與地面接觸地方進行拉伸處理，車輪接地處以及流體域的網格劃分如圖3 所示。

圖2 外流場計算域

圖3 車輪接地處以及流體域網格圖

1.4 仿真方法設置

采用FLUENT 軟件，選取穩態定常條件，選用Realizable k-ε 湍流模型。計算域的入口選擇速度為25 m/s，無側風環境時速度方向垂直于來流入口壁面；計算域的出口壓力選擇相對大氣壓0 表壓；計算域的側壁面和頂部壁面采用無滑移壁面，底部采用滑移地面，速度與入口邊界速度相同。數值求解采用二階迎風格式和基于壓力耦合方程組的半隱式(semi-implicitmethod for pressure linked equations, SIMPLE)算法。

2 尾部通道式減阻結構設計及分析

2.1 通道進出口形狀設計及分析

為了提高廂式貨車尾部的壓力，一般采用被動減阻或者主動減阻方式，但是被動減阻方式改變了車輛的尺寸和形狀，主動減阻需要額外的能量源。為了避免大幅度改變廂式貨車的形狀和尺寸以及不再引入額外的能量源，綜合考慮主被動減阻方式，選取被動減阻的方式同時結合主動減阻的原理，即在廂式貨車的尾部通過打孔將車輛側面的氣流引入到車輛尾部，將側面的高壓區與尾部的低壓區聯接起來，能夠提高尾部低壓區的壓力[21]。為進一步探究不同形狀聯接式通道產生的減阻效果，分別設計了四邊形、六邊形、橢圓和圓形4 種通道進出口形狀，圖4 是四邊形通道效果圖和氣流流經通道的示意圖，圖5 是聯接通道內部的網格示意圖。為使所設計的各種進出口形狀大小盡量一致，四邊形和六邊形的外接圓半徑、橢圓的1/2 長軸和圓形的半徑取值相同。在形狀設計中，側面進風口和尾部的出風口形狀和大小相一致，廂式貨車左右兩邊設計一致。

圖4 四邊形通道模型圖及氣流流經通道示意圖

圖5 聯接式通道網格示意圖

將原始模型劃分3 種不同數量的網格進行網格無關性驗證，對粗網格、中網格、細網格進行相同環境下的仿真計算，得到的氣動阻力因數(Cd)分別為0.518 8、0.507 5、0.507 0?？梢?，相對于中網格來說，細網格的網格數量增加但Cd降低程度小，還會增加計算資源；中網格的Cd為0.507 5，與GTS 模型的試驗結果0.508誤差為0.1%，在允許范圍內；因此選擇中網格進行后續研究。表1 是原始模型和各種減阻模型的Cd，由表可知在所設計的幾種形狀通道中四邊形通道的減阻效果最好。

表1 各模型的氣動阻力因數(Cd)

圖6 是原始模型和各種通道模型的壓力云圖對比。廂式貨車氣動阻力主要由前面正壓區和尾部的負壓區構成，由圖可知聯接式通道模型對廂式貨車前面的正壓區幾乎無影響，而廂式貨車的尾部負壓區都有所增大。聯接式通道模型尾部區域中，負壓為-154.545 ～ -90.909 Pa 的低壓區全部消失，負壓為-90.909 ～ -82.051 Pa 的低壓區面積減小，其中四邊形通道模型的淺綠色低壓區面積縮小最多，印證了四邊形聯接式通道模型的減阻效果最好。

圖6 廂式貨車壓力云圖

2.2 通道進出口尺寸設計及分析

進口和出口的尺寸大小決定了側面氣流到達尾部的流通量，不同的氣流流通量對車輛尾渦產生不同的影響?；跍p阻效果最好的四邊形聯接式通道模型設計進口、出口尺寸不同共5 種連接式通道模型。圖7 是設計的四邊形通道結構尺寸示意圖，車身側面進風口外接圓半徑設置為R1，車身尾部出風口外接圓半徑設置為R2，車輛左右兩側的通道參數設置相同。

圖7 四邊形通道尺寸示意圖

表2 是四邊形通道進、出口尺寸設置及其對應模型的氣動阻力系數。由表可知當尾部出風口和進風口尺寸相同時，氣動減阻效果最好。當進出風口尺寸不同時，氣動減阻效果一般。圖8 是廂式貨車的湍動能(Et)云圖，Et的大小表示能量耗散的多少，圖中顏色越靠近色標的右側表明能量耗散越多，即產生的氣動阻力越大。模型2 中湍動能29～34 m2/s2的區域顯著減小，湍動能23～29 m2/s2的區域面積也有所縮小，并且明亮區域的中心位置距離廂式貨車尾部更遠，說明在廂式貨車尾部發生的能量耗散減弱，廂式貨車受到的氣動阻力變小。

表2 各模型的參數設置和其氣動阻力因數

圖8 廂式貨車湍動能云圖

2.3 通道進出口位置設計及分析

氣流從不同位置的通道通過會對尾渦產生不同的影響，為探究最佳的進出口位置，通過改變進出風口的位置設計了5 種不同的聯接式通道模型。圖9 是進出口位置尺寸示意圖。其中D1是側面進風口到車輛尾部的距離，D2是尾部出風口到車輛側面的距離，車輛左右兩邊的通道參數設置一致。

圖9 進出口位置尺寸示意圖

表3 是進出口不同位置的參數設置及其對應模型的氣動阻力系數，從表中可以看出當側面進風口位置固定時，隨著出風口位置遠離側面時，Cd先變小后變大；而當出風口位置固定時，側面進風口的位置距離尾部越近Cd越小。

表3 進出口不同位置設計及對應模型的氣動阻力因數

圖10 是流經廂式貨車表面的氣流在尾部的速度流線圖。從圖中可以看出模型1 中有側面氣流經過聯接式通道到達尾部區域。與原始車輛相比模型1 的尾部上半區域的渦流消失，下部區域的尾渦遠離車輛尾部，尾渦四周氣流的旋轉程度有所減弱，即形成的渦核減弱。同時下部區域的氣流流動更加平緩，上部氣流和下部氣流的混合點遠離車輛尾部，改善了氣流流動。

圖10 廂式貨車尾部速度流線圖

圖11 是廂式貨車尾部壓力云圖，可以看出打孔模型1 尾部的壓力云圖低壓區-90 ～ -100 Pa 消失，說明此處壓力升高，一定程度上提高了尾部的壓力，從而降低了車輛前后的壓差阻力。

圖11 廂式貨車尾部壓力云圖

2.4 通道內部形狀設計及分析

氣流在通道內通過不同的流動路徑會在出風口處以不同的形態進入車輛尾渦，為探究最佳的通道形式設計了4 種通道。分別是以進出口中心連線的直線型通道，以進出口中心為橢圓的長短軸端點的1/4 橢圓通道，以及基于橢圓通道建立的強彎曲通道和弱彎曲通道。圖12 是通道模型的透視圖，車輛左右兩側設置相同的通道。

圖12 直線型和1/4 橢圓型通道透視圖

表4 是各種通道的Cd，可以看出直線型通道的Cd最小，減阻效果最好。

表4 各模型的氣動阻力因數

Q準則能夠更準確地識別渦結構，Q準則定義為[25]

其中：Ω是旋轉張量；S是應變張量。Q＞0，即說明此處存在漩渦。圖13 是以Q準則提取的車輛尾渦等值面圖，可以看出直線模型的尾部大渦遠離車輛并且形狀變小，靠近車輛尾部區域破碎形成較小的尾渦，減小了車輛大尾渦的強度，從而改善了尾部的氣流流動狀態，降低了車輛行駛時的氣動阻力。

圖13 Q 準則提取的原始車輛與直線型通道模型渦量等值面圖比較

3 側風環境下聯接式通道模型的氣動特性分析

3.1 側風工況設置

當廂式貨車行駛在側向風環境時，由于貨廂側面面積比較大會使廂式貨車的受力情況和在無側風環境行駛時存在較大差異。為探究新型聯接式通道減阻模型在側風環境的氣動特性，選取合成側風法對廂式貨車進行仿真探究。假設側風時廂式貨車的前面和左側面為迎風面，廂式貨車的后面和右側面是背風口。車速(v)保持25 m/s 不變，通過改變合成速度（vsyn）的大小來改變側風風速(vcross)大小，具體設置如表5 所示，其中α為偏角。

3.2 側風環境下聯接式通道模型仿真分析

圖14 是側風環境下廂式貨車的Cd以及車輛原始模型的側向力因數與聯接式通道模型的側向力因數的差值(ΔCs)。由圖14a 可知隨著側向風風速(vcross)的增加，原始車輛模型和聯接式通道模型Cd都是呈現出先增加后減小的趨勢，這與文獻[24]結論相一致。同時可以看出在有側向風和無側向風環境下，通道模型的減阻效果都比原始模型的減阻效果好，其中在無側向風環境下通道模型的Cd減小率為2.62%，在側向風環境下通道模型的平均氣動阻力因數減小率為3.47%。從14b 可以看出在大部分側向風風速下聯接式通道模型的側向力系數要小于原始模型，說明廂式貨車的聯接式通道大部分情況能夠改善車輛的側向穩定性。

圖14 側風環境下廂式貨車模型氣動阻力因數以及與原始模型與通道模型側向力因數的差值

選取廂式貨車尾部距離車身尾部12 mm 和距離車底25 mm 處的一條直線進行壓力分析，該直線在圖15a 中用紅色直線顯示。為更好說明聯接式通道模型的減阻效果，選取一種較低的vcross和3 種較高的vcross進行詳細對比分析，圖15b—圖15e 是該直線受到的壓力(ptail)曲線圖,其中wcar為車輛寬度?？梢钥闯鲭S著vcross的增加，原始模型和聯接式通道模型車身尾部ptail都越來越低，并且在每種側風風速下聯接式通道模型的尾部ptail都要高于原始模型，說明打孔模型通過尾部的聯接式通道提高了廂式貨車尾部區域的壓力，從而減小了廂式貨車的氣動阻力。

圖15 距車尾12 mm 和車底25mm 處的壓力曲線

圖16 是距離廂式貨車底部25 mm 平面處的速度流線圖，其中圖16a 為原始模型無側風速度流線圖，其余為通道模型有側風速度流線圖。從中可以看出，在不同側向風風速下聯接式通道模型的尾部都存在2 個大尾渦A 和B。氣流流經聯接式通道后和側面氣流混合形成了小尾渦C 和D，并且旋轉方向與大尾渦A 和B的方向相反，一定程度上削弱了大尾渦A 和B。同時原始車輛兩側的渦A 和渦B 對稱分布，當存在側向風時，小尾渦C 和D 的存在使得大尾渦A 和B 遠離車輛尾部。隨著側風風速的增加，流經聯接式通道的氣流和大尾渦A 和B 的回流氣流混合在車輛背風側形成了小于尾渦C 的小尾渦E，小尾渦E 一定程度削弱了小尾渦C 的作用。隨著側風風速的增加，尾渦A 和B 都靠近車輛尾部，同時背風側尾渦A 不斷變弱，迎風側尾渦B 不斷增強，同時流經聯接式通道的氣流增多，誘發的小尾渦C 和D 相應變大，對尾渦A 和B 的削弱作用增強。

圖16 距車底面25 mm 平面處的速度流線圖

進一步，對原始模型以及上述幾種側風環境下聯接式通道模型在距車底面25 mm 處水平截面的壓力做了計算分析，如圖17 所示。結果發現：原始模型無側向風時(見圖17a)壓力對稱分布；隨著側向風風速的增大，通道模型車輛上表面、車輛尾部以及車輛背風側的低壓區逐漸變大，車輛的側向壓差阻力變大，車輛的側向力變大，穩定性降低(見圖17b—17d)。

圖17 距車底面25 mm 平面處的壓力云圖

4 結 論

為降低廂式貨車在行駛時的氣動阻力，減小廂式貨車的能源消耗,基于GTS 車輛模型探究了聯接式通道基本參數如進出口形狀、進出口的尺寸大小、進出口的位置,以及通道內部的形狀對廂式貨車減阻效果的影響。

1) 建立的聯接式通道模型，能夠使廂式貨車側面的氣流通過聯接式通道進入車輛尾渦區，將廂式貨車側面的高壓區和尾部的低壓區連接起來，從而提高了尾部低壓區的壓力。

2) 通過對不同模型進行仿真，最終得到減阻效果最好的模型，即四邊形形狀、進出口尺寸一致、位置在進風口距離尾部36 mm 和出風口距離側面39 mm 處、直線型內部通道，氣動阻力因數(Cd)為0.494 2，側面氣流能夠較好地通過此減阻模型到達廂式貨車尾部，改善尾部的氣流流動。

3) 隨著側風風速的增加，原始模型和聯接式通道減阻模型的Cd都呈現先增加后減小的趨勢。但用聯接式通道模型所有側風環境下都具有較好的減阻效果，側風環境下聯接式通道模型Cd減小3.47%，既使無側風環境下也減小了2.62%。聯接式通道減阻方式可以提高車輛尾部低壓區的壓力，改善尾部的尾渦狀態，從而減小車輛的氣動阻力，減少廂式貨車行駛時的能量消耗。