重卡編隊(duì)行駛風(fēng)阻仿真分析與節(jié)油率計(jì)算

姜濤，石巖*，許佩佩，王敏，李耀

1.徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇 徐州 221000；2.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 210016

0 引言

世界總能源消耗中公路運(yùn)輸能源消耗約占14%，二氧化碳排放約占總排放的17%，商用車燃油消耗約占總?cè)加拖牡?7%[1]。因此，重卡等商用車的節(jié)能減排尤為重要。文獻(xiàn)[2]將新能源汽車和智能(網(wǎng)聯(lián))汽車列為制造業(yè)核心競爭力產(chǎn)品之一。智能(網(wǎng)聯(lián))汽車的發(fā)展將會(huì)衍生并促進(jìn)多種技術(shù)的發(fā)展，編隊(duì)行駛技術(shù)是其中之一。編隊(duì)行駛技術(shù)為重卡等商用車的節(jié)能減排提供了新的途徑，受到高校、科研機(jī)構(gòu)和車企的重視。李明達(dá)等[3]運(yùn)用格子玻爾茲曼方法研究了油罐車在列隊(duì)行駛下氣動(dòng)阻力的變化；郭景華等[4]提出了一種智能(網(wǎng)聯(lián))混合動(dòng)力汽車隊(duì)列的模型預(yù)測分層控制方法，有效提高了隊(duì)列的安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性和乘坐舒適性；邱志軍等[5]提出了網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下的高速公路輔助駕駛車輛編隊(duì)的評估方法；隗海林等[6]研究了側(cè)向風(fēng)及車間距對尾隨行駛貨車的影響。目前，對重卡編隊(duì)行駛的研究大多數(shù)集中在控制方法、評估策略或純仿真分析，基于理論-仿真-試驗(yàn)對重卡編隊(duì)行駛節(jié)油率的綜合分析幾乎沒有。本文中利用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)方法對重卡單車及車隊(duì)進(jìn)行氣動(dòng)阻力仿真分析，與單車風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，利用公式計(jì)算不同編隊(duì)單車節(jié)油率及車隊(duì)平均節(jié)油率。

1 單車CFD仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 控制模型

采用CFD方法對重卡單車及車隊(duì)進(jìn)行氣動(dòng)阻力仿真分析。重卡的行駛速度遠(yuǎn)低于聲速的1/3，因此，流場內(nèi)空氣可視為不可壓縮狀態(tài)[7]，控制方程選用三維不可壓縮納維-斯托克斯方程(N-S方程)。由于重卡掛車尾部、后視鏡后方等處會(huì)出現(xiàn)大的氣流分離區(qū)，故選用湍流模型進(jìn)行模擬[8]。

1.2 模型簡化與網(wǎng)格劃分

重卡風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，CFD仿真模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。模型處理時(shí)，簡化對風(fēng)阻因數(shù)影響較小的細(xì)節(jié)，如車架上的減重孔、電器管線路等。網(wǎng)格劃分規(guī)則為：駕駛室前進(jìn)氣格柵網(wǎng)格為1～2 mm；散熱系統(tǒng)(冷凝器、中冷器、散熱器、冷卻風(fēng)扇)網(wǎng)格為6～8 mm；后視鏡、補(bǔ)盲鏡等為4～8 mm；車門板、駕駛室后圍、頂蓋、底板、車架等為8～16 mm；遠(yuǎn)場邊界為200 mm；建立4層加密區(qū)域，邊界層設(shè)置3層網(wǎng)格，網(wǎng)格厚度設(shè)為1 mm，體網(wǎng)格約為1800萬個(gè)。

圖1 重卡風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

a) CFD模型 b) 網(wǎng)格劃分

1.3 單車風(fēng)洞試驗(yàn)

單車風(fēng)阻因數(shù)測試在某風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,CFD仿真風(fēng)阻因數(shù)與風(fēng)洞測試結(jié)果誤差為1.2%。試驗(yàn)件采用鋁合金結(jié)構(gòu)框架和塑料快成件制作而成，尺寸為實(shí)車的1/4，即長、寬、高分別約4.130、0.638、0.990 m；風(fēng)洞試驗(yàn)過程中，室內(nèi)溫度為17.5 ℃，空氣密度為1.197 kg/m3，風(fēng)速設(shè)置為90 km/h，橫擺角為0°；重卡壓力測點(diǎn)布置如圖3所示。沿車身長度方向的表面壓力因數(shù)CFD仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對比如圖4所示。

圖3 壓力因數(shù)測點(diǎn)布置 圖4 表面壓力因數(shù)CFD仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖4可知，CFD仿真表面壓力因數(shù)與風(fēng)洞測試結(jié)果吻合度較高，計(jì)算精度滿足工程要求。

2 編隊(duì)行駛仿真分析

2.1 風(fēng)阻系數(shù)與減阻率

2.1.1 兩車編隊(duì)行駛仿真

在單車CFD仿真模型的首車尾部新增跟隨車輛，跟車間距分別設(shè)置為5、10、20、30、40、45 m，采用與風(fēng)洞試驗(yàn)相同的試驗(yàn)條件與參數(shù)，分別計(jì)算不同跟車間距的首車和尾車風(fēng)阻因數(shù)及減阻率(單車風(fēng)阻系數(shù)和編隊(duì)狀態(tài)各位置車輛風(fēng)阻系數(shù)的差與單車風(fēng)阻系數(shù)之比)，兩車編隊(duì)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

a)風(fēng)阻因數(shù) b)減阻率

由圖5可知：1)編隊(duì)行駛有利于降低車隊(duì)車輛的風(fēng)阻因數(shù)，尤其是尾車的風(fēng)阻因數(shù)降幅較大；2)隨著跟車間距的增大，兩車的減阻率呈下降趨勢；3)跟車間距大于30 m，首車的風(fēng)阻因數(shù)逐漸與單車相當(dāng)，逐漸失去減阻效果；4)尾車行駛減阻受跟車距離影響較小，跟車間距為45 m時(shí)，尾車的風(fēng)阻因數(shù)比單車低0.1，依然具有較好的減阻效果。

2.1.2 三車編隊(duì)行駛仿真

采用與風(fēng)洞試驗(yàn)相同的試驗(yàn)條件與參數(shù)，跟車間距分別設(shè)置為5、10、20、30、40、45 m，計(jì)算不同跟車間距的首、中、尾車風(fēng)阻因數(shù)及減阻率，三車編隊(duì)計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

a)風(fēng)阻因數(shù) b)減阻率

由圖6可知：1)三車編隊(duì)行駛對首、中、尾三車均具備減阻效果，中車和尾車減阻效果均優(yōu)于首車；2)跟車間距大于20 m后，首車風(fēng)阻因數(shù)逐漸與單車持平；3)中車既受首車尾部低壓區(qū)域效應(yīng)，又受尾車前部的擠壓效應(yīng)，在跟車間距較小的情況下，其減阻率高于尾車，隨著跟車間距增大，中車減阻率略小于尾車。

2.2 壓力仿真

采用CFD對重卡車隊(duì)行駛過程中所受空氣壓力情況進(jìn)行仿真分析，壓力云圖如圖7所示。

a)兩車編隊(duì) b)三車編隊(duì)

由圖7可知，重卡車輛編隊(duì)行駛時(shí)，首車駕駛室前部出現(xiàn)大面積高壓區(qū)域，而兩車編隊(duì)的尾車及三車編隊(duì)的中、尾車駕駛室前部的高壓區(qū)域主要集中在后視鏡及附近區(qū)域，且面積遠(yuǎn)小于首車。

兩車編隊(duì)等壓圖如圖8所示。由圖8可知，前車尾部的氣流分離導(dǎo)致車輛后方出現(xiàn)大面積的低、負(fù)壓區(qū)域，因此跟隨車輛的駕駛室處于低壓區(qū)域，此時(shí)該車輛前、后壓差小，風(fēng)阻因數(shù)大幅度降低。

圖8 兩車編隊(duì)等壓圖

3 節(jié)油率計(jì)算

3.1 計(jì)算公式

假定編隊(duì)車輛以固定車速行駛，且行車路況平坦，短距離內(nèi)無較大坡度。編隊(duì)狀態(tài)下第i輛車節(jié)油率[3]

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；v為車輛速度，km/h；A為車輛正投影面積，m2；Cd為單車空氣阻力因數(shù)；M為最大設(shè)計(jì)質(zhì)量，t；f為滾動(dòng)阻力因數(shù)；Cd,i為編隊(duì)狀態(tài)下第i輛車風(fēng)阻因數(shù)，i=1,2,…,n。

本文中所研究重卡的設(shè)計(jì)總質(zhì)量為49 t，選用子午輪胎，滾動(dòng)阻力因數(shù)[9]

f=0.004 1+0.000 025 6v。

車隊(duì)平均節(jié)油率

3.2 編隊(duì)行駛節(jié)油率計(jì)算

假設(shè)行車速度為90 km/h，分別計(jì)算兩車、三車編隊(duì)狀態(tài)下各位置車輛節(jié)油率和車隊(duì)平均節(jié)油率，結(jié)果如圖9所示。

a)兩車編隊(duì) b)三車編隊(duì)

由圖9可知：1)重卡編隊(duì)行駛時(shí)，跟車間距小于40 m時(shí)，各位置車輛節(jié)油率大于0；2)隨著跟車間距的增大，節(jié)油率下降；3)首車節(jié)油率低于車隊(duì)其他位置車輛，跟車間距為40 m時(shí)，首車節(jié)油率為0；4)三車編隊(duì)的車隊(duì)節(jié)油率高于兩車編隊(duì)。

重卡編隊(duì)行駛可顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。假設(shè)重卡的油耗為32 L/(100 km)，平均年行駛里程為20萬km，柴油價(jià)格為6元/L，在三車編隊(duì)行駛、跟車間距為20 m狀態(tài)下，車隊(duì)單車每年節(jié)油可達(dá)5 081.6 L，節(jié)省油費(fèi)30 489.6元。

4 結(jié)論

1)一定跟車間距內(nèi)，重卡編隊(duì)行駛能夠有效降低風(fēng)阻因數(shù)，從而降低油耗。2)重卡編隊(duì)行駛時(shí)，跟車數(shù)量越多，車隊(duì)節(jié)油率越高，但相應(yīng)的控制策略難度將加大。3)跟車間距越小，節(jié)油效果越好，但是需要考慮安全性以及智能控制技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)程度。