基于不同裝貨量的皮卡車空氣動(dòng)力特性分析

劉婧

江鈴汽車股份有限公司 江西省南昌市 330200

1 引言

汽車空氣動(dòng)力學(xué)是研究汽車與周圍空氣在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)兩者之間相互作用力的關(guān)系及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，它屬于流體力學(xué)的一個(gè)重要部分[1，2]。隨著汽車行駛速度的提高，從汽車安全和節(jié)能角度考慮，汽車必須具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)特性，通過減小汽車空氣阻力來降低燃油消耗而節(jié)約能源、控制升力變化以保持良好的操縱穩(wěn)定性。

今年來，隨著多地皮卡進(jìn)城限制的取消，以及皮卡車型乘用化發(fā)展的趨勢(shì)，皮卡車的市場(chǎng)份額逐漸增加，但是皮卡作為風(fēng)阻較高的車型，其風(fēng)阻水平?jīng)]有得到足夠的重視，有關(guān)皮卡車外流場(chǎng)研究的文獻(xiàn)極少。

相對(duì)于SUV或者乘用車，皮卡車型的風(fēng)阻較高，這主要是由皮卡車的結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定的，皮卡上車體由駕駛室和貨箱兩部分組成，導(dǎo)致了流經(jīng)駕駛室的流場(chǎng)和貨箱處的氣流形成了兩個(gè)尾渦。而在車尾處這兩種流場(chǎng)相互作用導(dǎo)致車尾處的流場(chǎng)分布相對(duì)更復(fù)雜，一些從SUV和轎車獲取的經(jīng)驗(yàn)均無法應(yīng)用到皮卡車型。

以上研究是基于皮卡車型的設(shè)計(jì)狀態(tài)，沒有考慮到消費(fèi)者實(shí)際裝貨的情況，而在用戶實(shí)際使用過程中，會(huì)根據(jù)不同的需求選擇裝載貨物的方式，其對(duì)風(fēng)阻的影響仍不清楚。

2 流體動(dòng)力學(xué)建模及仿真

2.1 幾何模型

為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文分析中采用的模型為全尺寸的完整整車模型，模型總長(zhǎng)5443mm，總寬2172mm，總高 1820mm。模型包含了車輛的動(dòng)力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、白車身、開閉件、外飾、電氣系統(tǒng)和部分內(nèi)飾系統(tǒng)。僅僅簡(jiǎn)化了對(duì)外外流無影響的部分乘員艙內(nèi)飾。這樣使此模型非常具有代表性，分析結(jié)果對(duì)市面上大部分主流皮卡車均適用。

2.2 建模及邊界條件設(shè)定

參 考T/CSAE 112-2019乘 用 車 空 氣 動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)規(guī)范[3，4]，并結(jié)合皮卡車型的特點(diǎn)，本文所采用的計(jì)算域?yàn)檐嚽?倍車長(zhǎng)，車后8倍車長(zhǎng)，上部7倍車高，兩側(cè)7倍車寬。

為盡量降低網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，本分析面網(wǎng)格與幾何模型重合度要求達(dá)到97%以上，進(jìn)氣格柵、后視鏡、A柱等區(qū)域特別加密。

六面體網(wǎng)格具有網(wǎng)格數(shù)量少、質(zhì)量高、收斂快、計(jì)算時(shí)間少的優(yōu)點(diǎn)[5]，本次分析采用Trim網(wǎng)格，邊界層第一層控制厚度1mm，采用拉伸的三棱柱網(wǎng)格，同時(shí)對(duì)整車設(shè)置多個(gè)加密域，另外再單獨(dú)對(duì)進(jìn)氣格柵、后視鏡、A柱等區(qū)域特別加密。

為了與風(fēng)洞試驗(yàn)值對(duì)比，邊界條件設(shè)為：進(jìn)口100kph，出口為壓力出口，輪胎設(shè)置旋轉(zhuǎn)，車地區(qū)域地面參考風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)置成100kph移動(dòng)，其余地面設(shè)置成滑移地面。

2.3 貨箱貨物裝載情況對(duì)比

為充分對(duì)比不同的貨箱貨物裝載情況對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的影響，現(xiàn)對(duì)貨箱貨物裝載情況分成三大類十小類進(jìn)行計(jì)算。三大類分別是水平放置、前傾斜放置和后傾斜放置。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 不同裝載方式阻力對(duì)比

裝載方式對(duì)風(fēng)阻的影響比較大，如下圖1所示，在選取的10種裝載方式中，風(fēng)阻最大與最小相差4.3%。其中，水平裝載方式隨著裝貨量的增大阻力增大，當(dāng)裝貨量100%時(shí)，阻力下降到比空載時(shí)低，這種情況類似于在貨箱上增加蓋板。前傾裝載方式，隨著裝貨量的增加，阻力增大；后傾裝載方式，隨著裝貨量增加，阻力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，并且整體阻力較空載時(shí)小。

圖1 不同方案的風(fēng)阻系數(shù)

3.2 Y0截面速度云圖對(duì)比

3.2.1 水平裝載分析結(jié)果

圖2～圖6為水平裝載0-80%的Y0截面的速度云圖，從圖中可以看出，隨著裝載量的增大貨廂內(nèi)回流向駕駛室背面的氣流速度降低，貨廂尾板上方的分離氣流被推向遠(yuǎn)離車身，尾渦增大且上下不平衡，從而增大了風(fēng)阻。

圖2 水平-0%

圖6 水平-80%

但當(dāng)裝載量達(dá)到100%時(shí)，如下圖10所示，駕駛室后部及圍板后部的尾渦上下平衡，風(fēng)阻系數(shù)反而降至最低。

3.2.2 前傾裝載分析結(jié)果

隨著貨箱內(nèi)向前傾斜擺放貨物越來越多，風(fēng)阻系數(shù)越來越大。

圖7和圖8為50%、100%前傾裝載方式的Y0截面速度云圖，從駕駛室頂蓋過來的氣流對(duì)圍板前表面的沖擊增加，同時(shí)，靠近駕駛室背面的尾渦不規(guī)則，導(dǎo)致壓力恢復(fù)變差，造成風(fēng)阻增大。

圖7 前傾-50%

圖8 前傾-100%

3.2.3 后傾裝載分析結(jié)果

隨著貨箱內(nèi)向后傾斜擺放貨物越來越多，風(fēng)阻系數(shù)越來越小。如圖9和圖10所示，駕駛室后部形成比較規(guī)則的渦，有利于駕駛室背部的壓力恢復(fù)。

圖3 水平-20%

圖4 水平-40%

圖5 水平-60%

圖9 后傾-50%

圖10 后傾-100%

4 結(jié)語

本文研究了皮卡車貨箱三種不同裝載方式共10個(gè)方案的整車風(fēng)阻變化，發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

（1）水平裝載貨物時(shí)，滿裝或者接近滿裝時(shí)能獲得比較好的整車風(fēng)阻系數(shù)，較空裝時(shí)降低風(fēng)阻系數(shù)1.3%。

（2）后傾裝載貨物時(shí)，均能獲得較空裝時(shí)更好的整車風(fēng)阻系數(shù)。

裝載貨物方式不同，會(huì)影響到整車風(fēng)阻，然而客戶實(shí)際裝貨場(chǎng)景千差萬別，其對(duì)整車風(fēng)阻系數(shù)的影響仍需要進(jìn)一步研究。