基于仿生導(dǎo)流罩的廂式貨車減阻研究?

許建民

(1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廈門 361024； 2.福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，廈門 361024)

前言

隨著全社會對汽車燃油節(jié)能和廢氣排放控制的重視，節(jié)能減排已成為目前汽車行業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。由于空氣阻力是汽車行駛阻力的重要組成部分，特別當(dāng)汽車在高速行駛狀態(tài)，空氣阻力會隨著汽車行駛速度的平方成正比而急劇增大。由于廂式貨車經(jīng)常處于高速行駛狀態(tài)，如果其空氣阻力系數(shù)降低30%，則燃油消耗可降低10%左右[1]。因此降低廂式貨車的空氣阻力對于貨車的節(jié)能減排具有重要的現(xiàn)實意義。在貨車駕駛室頂部、貨車尾部和底部分別安裝各種氣動減阻裝置可減少空氣阻力[2－4]。由于駕駛室導(dǎo)流罩可將氣流從駕駛室前部平順地引導(dǎo)至貨廂頂部和側(cè)面，從而具有較好的減阻效果[5]。目前，駕駛室導(dǎo)流罩已經(jīng)成為廂式貨車的主要減阻裝置之一。近年來，不少學(xué)者對各種導(dǎo)流罩的減阻機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。Hyams和Choi[6－7]等人分別就貨車前部擾流板對貨車氣動特性的影響進(jìn)行了研究。Martini[8]等人研究了駕駛室側(cè)部導(dǎo)流板對貨車氣動特性的影響。文獻(xiàn)[9]～文獻(xiàn)[11]中對廂式貨車導(dǎo)流罩的造型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并研究了導(dǎo)流罩對貨車氣動特性的影響。Kim[12－13]等人研究了駕駛室頂部導(dǎo)流罩和側(cè)部導(dǎo)流罩的減阻效果。Mosaddeghi[14]等人提出了多種貨車減阻裝置，并分析了其減阻效果。文獻(xiàn)[15]和文獻(xiàn)[16]中研究了貨車底部導(dǎo)流減阻裝置對貨車氣動特性的影響。

以上研究重點關(guān)注的是各種導(dǎo)流罩對貨車氣動阻力系數(shù)的影響，而關(guān)于將仿生學(xué)技術(shù)運(yùn)用到貨車導(dǎo)流罩的設(shè)計和優(yōu)化的研究尚不多見。本文中以某廂式貨車為研究對象，首先基于計算流體動力學(xué)理論和氣動減阻技術(shù)，設(shè)計了與廂式貨車相匹配的6款駕駛室導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)，對未加裝導(dǎo)流罩的廂式貨車原始模型和加裝6款導(dǎo)流罩的貨車模型分別進(jìn)行氣動特性數(shù)值模擬，研究它們的減阻效果，找出具有最佳減阻效果的導(dǎo)流罩，分析導(dǎo)流罩的減阻機(jī)理和減阻策略。然后在其減阻規(guī)律的基礎(chǔ)上，依據(jù)仿生減阻理論，另外設(shè)計了一款模仿海豹頭部形狀的仿生導(dǎo)流罩，安裝在廂式貨車上進(jìn)行空氣動力學(xué)分析，驗證其減阻效果。最終使貨車原始模型的氣動阻力系數(shù)有大幅度降低，具有明顯的減阻效果。

1 原始導(dǎo)流罩設(shè)計與流場分析

1.1 幾何清理

基于某國產(chǎn)廂式貨車模型，設(shè)計了6款駕駛室導(dǎo)流罩，旨在降低貨車氣動阻力。為節(jié)省計算資源，該貨車幾何模型簡化了對廂式貨車外流場影響不大的部分裝置，包括貨車底部排氣系統(tǒng)、前后橋、發(fā)動機(jī)、后視鏡和門把手等部件。由于CFD數(shù)值模擬對網(wǎng)格有特殊要求，為了后續(xù)網(wǎng)格的順利劃分，對原始貨車模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膸缀吻謇?如封閉縫隙等)和棱邊倒圓。為便于對比減阻效果，6款導(dǎo)流罩雖結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，但安裝位置相同，圖1為廂式貨車原始模型和安裝6種導(dǎo)流罩的貨車模型。

1.2 計算域與邊界條件

圖1 貨車模型

根據(jù)經(jīng)驗，取5倍車長、4倍車寬、3倍車高的長方體作為數(shù)值模擬的計算區(qū)域，如圖2所示。計算域采用六面體網(wǎng)格。圖3為計算域的網(wǎng)格劃分結(jié)果。假設(shè)空氣為不可壓縮流體，對廂式貨車原始模型和6種安裝導(dǎo)流罩模型的外流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，將計算域入口設(shè)置為速度入口，速度為50 m/s，方向沿x軸，另外兩個垂直于氣流運(yùn)動方向的速度設(shè)為0；將出口邊界設(shè)置為壓力出口，且相對壓強(qiáng)設(shè)為0；計算域上下左右表面和模型外表面均設(shè)為固定壁面邊界條件。采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散，使用SIMPLE算法進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖2 廂式貨車的原始模型

圖3 計算域的網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.3 計算結(jié)果分析

1.3.1 氣動阻力系數(shù)分析

貨車氣動阻力系數(shù)CD為

式中：FD為空氣阻力；A為貨車正投影面積；v為貨車速度；ρ為空氣密度。

本文中分析了7種貨車模型的氣動阻力系數(shù)(1款未加導(dǎo)流罩的原始貨車模型和加裝6款導(dǎo)流罩后的貨車模型)。計算得到的各貨車模型的氣動阻力系數(shù)見表1。本次設(shè)計的6款導(dǎo)流罩對貨車的氣動減阻效果比較明顯，其中減阻效果最好的是導(dǎo)流罩4(阻力系數(shù)降低30.7%)，減阻效果比較差的是導(dǎo)流罩6(阻力系數(shù)降低15.1%)。

表1 不同貨車模型的氣動阻力系數(shù)

1.3.2 導(dǎo)流罩外流場特性分析

圖4 貨車前部中心對稱面的速度軌跡圖

圖4 為貨車前部中心對稱面的速度軌跡圖，圖5為貨車前部x-y平面速度分布軌跡圖。貨車行駛過程中，氣流首先與駕駛室正迎風(fēng)面相沖擊，由于貨車前部的阻擋，一部分氣流向上流向駕駛室頂面進(jìn)而到達(dá)貨廂頂面，一部分氣流向下流向貨車底部，還有另一部分氣流流向貨車側(cè)面。導(dǎo)流罩的作用是將向上氣流平順地引導(dǎo)至貨廂頂部和貨廂側(cè)面，從而減弱氣流對貨廂突出部分的沖擊，使氣流最大限度地在貨廂頂部和側(cè)面平穩(wěn)流動。由圖4可知，未安裝導(dǎo)流罩的駕駛室頂部與貨廂前部之間形成了較大的氣流低速區(qū)域，并且在貨廂頂部和側(cè)面形成了明顯的氣流分離。駕駛室與貨廂之間的間隙部位的氣流速度較低，駕駛室后面產(chǎn)生了復(fù)雜的氣流漩渦，氣流在該部位的能量損失較大。安裝導(dǎo)流罩之后的駕駛室頂部氣流比較平順，導(dǎo)流罩的導(dǎo)流效果比較明顯。由于導(dǎo)流罩6是一種導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)，駕駛室頂部沒有封閉，該導(dǎo)流片過早使氣流產(chǎn)生了分離，使駕駛室頂部與側(cè)面氣流匯合，因而在駕駛室頂部出現(xiàn)了比較復(fù)雜的紊流。由圖5可知，未加裝導(dǎo)流罩的駕駛室頂部兩個側(cè)面均出現(xiàn)了比較明顯的漩渦，說明氣流在側(cè)面產(chǎn)生了嚴(yán)重的氣流分離。導(dǎo)流罩2和4的側(cè)面導(dǎo)流效果比較明顯，沒有出現(xiàn)氣流分離，兩個側(cè)面氣流比較平順。而導(dǎo)流罩1，3和5的側(cè)面導(dǎo)流效果一般，出現(xiàn)了明顯的氣流分離，側(cè)面氣流不平順，駕駛室頂部側(cè)面出現(xiàn)了大的氣流漩渦。

圖5 貨車前部x-y平面速度分布軌跡圖

圖6 為貨車前部壓力分布云圖。由圖可知：7種貨車模型車身表面壓力分布區(qū)別較大，且其正前部均出現(xiàn)了高壓區(qū)；無導(dǎo)流罩模型和安裝導(dǎo)流罩2的貨車模型的駕駛室頂部與前風(fēng)窗的拐角處均出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)，且無導(dǎo)流罩模型的壓力分布變化較大，說明兩模型在該拐角處產(chǎn)生了氣流分離；對于無導(dǎo)流罩貨車模型，高于駕駛室的部分貨廂存在大面積的正壓區(qū)，說明氣流在這里受到貨廂突出部分的阻擋；而安裝了導(dǎo)流罩的其余貨車模型的駕駛室頂部均未出現(xiàn)大面積的正壓區(qū)。整體而言，無導(dǎo)流罩貨車模型前部壓力梯度變化大，安裝導(dǎo)流罩的貨車模型沿導(dǎo)流罩曲面表現(xiàn)出良好的壓力梯度，從而形成流線型流動，導(dǎo)流效果明顯。

圖6 貨車前部壓力分布云圖

湍流動能可以表征貨車外流場的不穩(wěn)定流動特性，湍流動能大，意味著能量損耗大，導(dǎo)致貨車阻力增加，圖7為貨車前部湍動能分布云圖。由圖可知：未安裝導(dǎo)流罩的貨車模型在駕駛室正面和貨廂周邊近壁區(qū)域顯示出強(qiáng)烈的湍流動能(見圖7(a))，其高湍流動能是由貨車前部的流動分離引起的非常不穩(wěn)定的流動產(chǎn)生的；而如圖7(b)和圖7(g)所示，安裝導(dǎo)流罩的貨車模型周圍的湍流動能顯著減??；導(dǎo)流罩可有效延遲或抑制貨車前面的流動分離，從而其湍流動能的強(qiáng)度顯著降低。圖8為貨車中心對稱面的湍動能分布云圖。由圖可知：未安裝導(dǎo)流罩的貨車模型和安裝導(dǎo)流罩6的貨車模型在貨廂頂部、駕駛室與貨廂之前的區(qū)域均出現(xiàn)了高湍流動能區(qū)域，說明該區(qū)域氣流狀態(tài)不穩(wěn)定，存在壓力波動；而安裝導(dǎo)流罩1～5的貨車模型只有在駕駛室前下部出現(xiàn)高湍流動能區(qū)域，駕駛室頂部和駕駛室與貨廂之前的區(qū)域的湍動能大幅度減小。

圖7 貨車前部湍動能分布云圖

2 仿生導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析

2.1 仿生導(dǎo)流罩設(shè)計

前面6款駕駛室頂部導(dǎo)流罩主要考慮了與后面貨廂高度的匹配?？偨Y(jié)前面6種駕駛室頂部流場特性得知，導(dǎo)流罩均能將氣流順暢地引導(dǎo)至貨廂頂部，但仍未能將氣流順利地引導(dǎo)至貨箱側(cè)面。為減弱氣流對駕駛室迎風(fēng)面的沖擊，導(dǎo)流罩最好能同時將氣流平順地直接引導(dǎo)至貨廂的頂部和側(cè)面。該導(dǎo)流罩設(shè)計問題可從自然界的生物形態(tài)中得到答案，因為自然界的生物擁有了最佳形態(tài)結(jié)構(gòu)以適應(yīng)周圍環(huán)境。一些海洋動物如海豹，其游動速度可高達(dá)10 m/s，說明它們的體表形態(tài)可顯著減少流體阻力[17]。這是因為海豹具有三維流線形的體表形狀，在流動過程中延遲了流動分離，從而減小了流動阻力[18]。物體，包括動物，其在液體和氣體中的運(yùn)動具有相似性。受到海豹頭部形狀的啟發(fā)[19]，本文中設(shè)計了一款更加符合流場特性的仿生導(dǎo)流罩以減少廂式貨車的氣動阻力。該仿生導(dǎo)流罩上表面的曲面能與貨廂頂部平面圓滑過渡，其側(cè)壁能與貨廂側(cè)壁圓滑過渡。圖9為新設(shè)計的仿生導(dǎo)流罩，圖10為仿生導(dǎo)流罩安裝在駕駛室頂部的效果圖。

圖8 貨車中心對稱面的湍動能分布云圖

圖9 仿生導(dǎo)流罩

圖10 仿生導(dǎo)流罩的整車效果圖

2.2 仿生導(dǎo)流罩CFD分析

圖11 為仿生導(dǎo)流罩模型與貨車原始模型中心對稱面速度矢量圖。圖12為仿生導(dǎo)流罩模型與貨車原始模型中心對稱面壓力分布圖。由圖可知：由于氣流分離，貨車原始模型的駕駛室頂部和貨廂頂部的拐角處均存在負(fù)壓區(qū)，并且在駕駛室與貨廂之間形成旋轉(zhuǎn)渦；而相對貨車原始模型，仿生導(dǎo)流罩將駕駛室頂部氣流平順地引導(dǎo)至貨廂頂部，未出現(xiàn)漩渦與氣流波動，從而有效地減少貨車的氣動阻力。

圖11 模型中心對稱面速度矢量對比

圖12 模型中心對稱面壓力分布對比

圖13 為仿生導(dǎo)流罩模型與貨車原始模型中心對稱面湍動能對比。未安裝導(dǎo)流罩的貨車原始模型的駕駛室前下部、駕駛室與貨廂之間的區(qū)域、貨廂頂部和貨車尾部均呈現(xiàn)出較大的湍動能。說明這3個位置均發(fā)生了氣流分離。仿生導(dǎo)流罩貨車模型的駕駛室頂部、駕駛室與貨廂之間的區(qū)域、貨廂頂部等區(qū)域的湍動能有顯著下降，這是因為仿生導(dǎo)流罩對正面來流進(jìn)行了導(dǎo)流過渡，有效抑制了駕駛室頂部的氣流分離。因此，通過安裝仿生導(dǎo)流罩可減少紊流波動引起的空氣阻力。表2為安裝仿生導(dǎo)流罩貨車模型與貨車原始模型的氣動阻力系數(shù)對比?？梢钥闯?，仿生導(dǎo)流罩的氣動阻力系數(shù)比貨車原始模型減小31.1%，減阻效果顯著。

圖13 仿生導(dǎo)流罩模型與貨車原始模型中心對稱面湍動能對比

表2 安裝仿生導(dǎo)流罩貨車模型的氣動阻力系數(shù)

3 結(jié)論

(1)基于貨車氣動減阻機(jī)理設(shè)計了6款駕駛室導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)。分別從壓力分布、速度分布和湍流動能分布等方面詳細(xì)分析了6款導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)對廂式貨車氣動特性的影響，總結(jié)了導(dǎo)流罩的減阻機(jī)理，獲得具有最佳減阻效果的導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)，其中最佳氣動阻力系數(shù)降低了30.7%。

(2)利用仿生學(xué)原理，通過模仿海豹的頭部形狀，設(shè)計了一款仿生導(dǎo)流罩，其上表面和側(cè)表面分別與貨廂頂部和側(cè)面平滑過渡。CFD分析結(jié)果表明，仿生導(dǎo)流罩模型的氣動阻力系數(shù)比原始貨車模型降低了31.1%，減阻效果非常明顯。