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应用计算流体动力学的商用车辆空气动力学减阻方法

2019-05-14 00:23:40·  来源：AutoAero  作者：蒋永欣  
　
空气动力阻力占高速公路上卡车燃油消耗的50-60%。传统风洞试验的局限性迫使研究人员对阻力进行研究，并对减小阻力的计算方法进行研究。由于更严格的标准和环保的
空气动力阻力占高速公路上卡车燃油消耗的50-60%。传统风洞试验的局限性迫使研究人员对阻力进行研究，并对减小阻力的计算方法进行研究。由于更严格的标准和环保的方法，卡车制造商已经开始投资更多的发展卡车空气动力学。本文在欧洲条件下对欧洲车辆进行了评价。减阻主要是通过几何变化来实现的。压力阻力，卡车低速行驶时的主要阻力是由物体的形状产生的。使流线型车身更坚固，因为它会影响它的用途。因此，添加一些组件就可以满足需求。并对这些几何变化进行了分析，得出了能够提供减阻特性的较好的几何形状。工况包括切除后视镜，增加侧裙，优化屋顶偏转整流罩。分析个体表现，并综合分析。在所有几何变化中计算了减阻效果。在不久的将来，制造商可以使用更好的几何形状来达到世界各国政府强制执行的规范和条例。

CFD分析考虑的卡车是一辆三轴牵引车，附加一辆在欧洲道路上行驶的三轴半挂车。这辆卡车经过几何清理，做成了封闭模型。几何清理是为了使一些表面光滑，以允许棱柱层从表面的卡车延伸出。几何形状的改变是必要的，如排除雨刷，以减少在网格创建过程中的复杂性。封闭几何定义了受外部气流影响的完全连接。几何清理是在西门子NX的帮助下完成的。然后在堵塞小于5%的情况下对计算域进行建模。按照SAE J2966的建议进行了设置。



入口与卡车前部之间的距离: 3 L （L为卡车长度）
出口与卡车后部之间的距离: 5 L
计算域宽度 : 12 W （W为卡车的宽度）
计算域高度: 6 H （H为卡车的高度）
基础模型采用 15m × 3.1 m × 3 m 规格。 0 度模型的正面投影面积为 9.175 m2 。

在卡车周围使用 HyperMesh  创建表面网格，在表面网格的基础上使用 Star-CCM+ 开发体网格。细胞总数约为 1 亿。总单元格大小保持如下 :

在计算域的各个区域上考虑的网格大小为：
牵引车（车头）网格：3-10 mm
挂车（车后部分包括货箱）网格：10-30 mm
道路网格：10-200 mm
侧壁面网格:200 mm
进出口网格：200 mm


将考虑以下求解设置；
Space - Three dimensional （空间-三维）
Motion - Stationary （运动-静止的）
Time - Steady （时间-稳态）
Material - Air （材料-空气）
Equation of state - constant density （状态方程-恒密度）
Viscous - Turbulent （粘性-湍流）
Viscous model - RANS - SST Menter k-ωturbulence model*

k-epsilon模型(可实现的和RNG)很难收敛。k-ω具有较强的收敛性和较低的残差振荡。考虑实验验证，可以研究物理的清晰灵敏度。在当前的论文我们已经考虑了——k-ω模型。

稳态模拟为流场的一般特性提供了有用的见解。设定了确定速度、质量和压力残差期望极限的收敛参数，交互监测车辆阻力系数收敛，收敛到小于1x10E-4。车辆阻力系数计算采用正面表面积9.175m2。研究了车体周围的流动结构，以及不同位置的压力、速度和涡量分布。考虑和比较了阻力系数(阻力、升力和侧向力)。正面压力是产生压力阻力的主要因素之一。额叶前部的区域压力进行了研究。如下图为货车正面区域压力分布图以及卡车两侧和顶部形成的流动分离情况。


屋顶偏转整流罩

从仿真结果中可以看出，对偏导器和牵引车表面的流动进行边界层分离分析，如图所示，边界层分离的原因有确定的点。为了减小顶板的分离，对顶板偏转角进行了修正。由于这一分析处理的是公路阻力，这种偏转器的变化考虑到节能和减阻只有在公路驾驶中才能观察到。修正后的模型与基础模型相比，边界层在拖车区域重新附着的时间要早得多，如下图所示。因此，必须考虑和设计长时间运行的车辆的速度。考虑到世界各地的速度制度，屋顶偏转板必须相应地设计，以支持速度，在卡车将行驶更长的时间。由于这种变化是在一定的速度范围内有效地建模的，所以阻力值可能会随着高速公路和城市条件的不同而不同。


对车顶导流板进行了改进，减小了边界层的分离。在修正后的模型上，与基线模型相比，边界层在拖车区域重新附着的时间要早得多。

移除侧后视镜


拆卸侧镜可使一辆8级货车每年节省约938升燃油。通过考虑有侧镜和无侧镜的情况进行了分析。从仿真结果中可以看出减阻效果的潜在改善。压力值在镜子的正面和背面被探测，如图所示。在镜子的下游部分形成的尾迹是总阻力的主要贡献者。下表显示了去除侧镜后得到的阻力差。另外，提供一个气动镜是一个不错的选择。最近几天，随着电子产品的出现，用相机代替镜子，并在卡车的a柱上显示，提供了一个现实的一面镜子的替代。如果现行规定改为允许可视范围和红外范围的摄像机，这一规定可以在所有卡车上实施。


尾后侧流区减小


如图13所示，可以清楚地观察到一个强的再循环区域，流向后尾迹区域的气流从机罩下部流动，导致尾迹湍流。如图13所示，在离开低压区的区域，拖车后部的流动被分离。为了减少低压区，流动分离是最小的提供额外的尾部到后方。额外的尾翼被添加到拖车的顶部和两侧，如图14所示。

从图15和图16可以看出，尾迹的加入导致尾迹区域和尾迹尺寸减小。尾区进一步扩大，尾迹减小，阻力增大。


结论

这些附加设备单独提供了很好的减阻效果。这些装置组合后减阻效果较好，减阻率为24.6%。这些改变的卡车几何形状可以大大减少燃料消耗。进一步增加更多的装置可以减少卡车的阻力。这些增加可以提高汽车的初始成本，但从长远来看，在减少驾驶所需的燃料方面是一项很好的投资车里。本文为今后的研究提供了一种方法论。世界各地的制造商已经开始设计新的方法来遵守更严格的标准，并决定走环保之路。
 
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