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商用车空气动力学减阻技术——CFD仿真与风洞试验研究
2020-01-17 16:29:14· 来源：中国汽研汽车风洞技术 作者：王庆洋
原创王庆洋中国汽研汽车风洞技术今天中重载卡车是石油消耗大户，据统计，我国占汽车总量 13.9%的重型卡车却消耗了汽车消耗石油总量的 49.2%，而且世界各国卡车的
中重载卡车是石油消耗大户，据统计，我国占汽车总量 13.9%的重型卡车却消耗了汽车消耗石油总量的 49.2%，而且世界各国卡车的能耗都还在增长，预计到 2040 年，全球重型卡车能耗将增加 65%，成为世界主要经济体交通运输业中最大 CO 2 排放源。因此中重载卡的减阻降耗变得十分重要和迫切。本期特邀中国汽研汽车风洞中心王庆洋博士介绍牵引车-拖车形式的重卡空气动力学减阻技术。
作者简介
王庆洋：
2018年毕业于清华大学航天航空学院并取得博士学位，现任中国汽研汽车风洞中心空气动力学工程师；长期从事动力学与控制、空气动力学以及风洞实验技术的相关研究工作，已发表国内外杂志会议学术论文10余篇，获得实用新型专利1项，发明专利1项。
1、研究背景
由于不同的国家法律法规对商用车长度定义不同（美国计算货箱长度，中国和欧洲计算整车长度，如图1），为了追求更多的有效载重空间，中国商用车主要以平头卡车为主，而美国商用车以长头卡车为主，这就意味着中国的商用车具有更多的减阻优化空间。
图1 中国、美国与欧洲商用车车长定义的不同
另一方面，对于商用车，国家对于油耗要求愈发严格。2019年7月1日开始实施的新国标“重型商用车辆燃料消耗量限值”GB 30510-2018要求：“自2019年7月1日起，企业可通过变更扩展对油耗进行整改，2021年7月1日前，企业应完成油耗整改工作。整改时，应对产品油耗的变化情况进行说明。若对产品进行配置优化，须提供相关优化措施的详细说明。”新国标的具体要求见表1，相比旧国标GB 30510-2014，不同设计载重的商用车百公里油耗均要求降低15%以上。
表1 半挂牵引车燃料消耗量限值
表2 空气动力学减阻与燃油经济性
那么从空气动力学减阻的角度会给商用车燃油经济性带来多大的提升呢？已有研究表明，如表2所示，当车速96kph时，空气阻力减小2%燃油经济性便可以提升1%[1]，大胆估算一下，如果仅从空气动力学优化角度入手，理想车速96kph，气动减阻30%，则可以达到降低15%的百公里油耗国标要求，且中国的平头卡车具有更多的气动减阻空间，因此，从空气动力学角度来提升商用车燃油经济性无疑应是一种行之有效的方法。
中国汽研汽车风洞中心近期在CFD仿真和风洞试验方面，进行了牵引车-拖车形式的重卡空气动力学减阻技术研究。
2 重卡减阻技术CFD仿真研究
2.1 三维数字模型的获取
我们选取市场上常见的某型平头重卡牵引车以及配套封闭式货箱拖车，利用照相定位系统（CREAFORM MaxSHOT 3DNEXT System）和三维手持式扫描仪（CREAFORM Handyscan 3D Scanner 700）对实车进行三维扫描（扩展阅读：CAERI风洞 | 一文了解汽车正投影面积精确测量神器），如图2所示。获取整车点云数据后，进行适当简化并逆向建模得到重卡的基准数字模型如图3所示。后续基准模型的CFD计算和风洞试验研究均是基于图3中所示模型开展的。基准模型（baseline model）的车长L=16.4m，车宽W=2.4m，车高H= 4.2m，正投影面积A=10.2 m2（平方米）。
图2 某型平头重卡的实车三维扫描
图3 建立的基准三维数字模型
2.2 减阻设计方案与CFD仿真结果
根据该车的特征，我们针对牵引车顶部、牵引车和拖车间隙处及拖车尾部三个气动敏感区域设计了10种不同气动附件，分别如图4，图5和图6所示。经过CFD仿真研究（来流风速100kph，雷诺数Re=U∞L/v=3.1×10^7），确定了5种有效气动附件，气动减阻效果如表3和图7所示。此款车的baseline模型的阻力系数CD为0.705，RF-B和GAP-C减阻气动附件最为有效，独立气动附件减阻率可达25.2%和15.0%。
图4 牵引车区域气动附件
图5 牵引车和拖车间隙区域气动附件
图6 拖车尾部区域气动附件
表3 不同种气动减阻方案CFD减阻效果比较
（Θ：减阻率，无偏航，U∞=100kph）
图7 不同种气动减阻方案减阻率比较
我们也考察了这5种气动附件的组合减阻率，组合减阻方案（Combine）如图8所示，CFD仿真阻力系数0.512，减阻率可达27.4%。为了进一步优化减阻气动附件，我们参数化了图8中所示的5种气动附件，利用单目标多变量优化算法，进一步优化减阻附件造型，获得减阻最优方案（Opt-Combine），减阻率可达30.1%。这些数据表明，对于市场上这类不良空气动力学造型的卡车有着巨大的气动减阻空间。有关CFD仿真的设置请见附录1，如需获得更多有关本文CFD仿真研究的细节，读者可以参阅文献[2]。
图8 多种气动附件的组合减阻方案
3 缩比模型风洞试验研究
我们在美国ARC公司的40%缩比模型风洞对上述有效气动附件进行了1/8缩比模型风洞试验，缩比模型车长L=2053.4mm，车宽W=306.9mm，车高H=524.6mm，阻塞度3.4%，如图9所示，ARC风洞信息参见附录2。
图9 ARC模型风洞试验现场图
baseline，组合减阻方案（Combination of Aero Devices）和最优化组合减阻方案（Combination of Opt Aero Devices）的风阻系数雷诺数扫略结果见图10，可以推断随着风速继续增加，CD值应更趋于稳定，但由于ARC风洞最大风速限制，本次试验选取风洞最大风速180kph作为基准测试风速，雷诺数Re = 6.9×10^6，即模型风洞试验与CFD仿真雷诺数相比差1个数量级。由于试验和仿真雷诺数差别较大，本文二者不做定量比较，只进行定性分析。
图10 风阻系数CD雷诺数扫略结果
3.1 风洞试验与CFD仿真的比较
表4给出了不同减阻方案风洞试验减阻结果，baseline的CD = 0.785，与CFD结果类似，仍旧是RF-B独立附件减阻率最优，22.5%，组合减阻方案（Combine）减阻率29.3%，最优化组合减阻方案（Opt-Combine）减阻率30.1%，也考察了后视镜对于整车阻力的影响，去除后视镜后（No Mirrors），减阻率0.1%，即说明对于重卡这种不良空气动力学造型的车型，后视镜的阻力贡献可能并不大。
表4 不同种气动减阻方案风洞试验减阻效果比较
（Θ：减阻率，无偏航，U∞=180kph）
CFD仿真和试验结果的CD值比较如图11所示，不同工况，试验结果均比仿真结果大，相差8%～10%左右，由于仿真和试验的模型尺寸差别较大，且雷诺数差别也较大，本文不进行CD绝对值的比较，而重点考察仿真和试验的减阻率的差别，如图12所示，不同减阻方案的仿真和试验的减阻率差别较小，除GAP-C方案外，均在2%左右，由于GAP-C方案处于牵引车和货箱之间的间隙区域，这个位置流动复杂，湍流效应强，这可能是仿真和试验差别较大的原因。因此，在定性分析的程度上，仿真和试验起到了相互验证的作用。
此外，对于SETV（Side Edge Turning Vane），值得注意的是试验结果与仿真结果相反，即起到了增阻的作用，但由于SETV的阻力系数控制效果本来就不明显（小于1%），无法判断仿真和试验二者孰对孰错，但可以确定的是SETV在本文的研究中没有起到明显的减阻作用。SETV在业内也有讨论可以起到清洁车门和门把手的作用，即SETV可以增强车门附近表面流体流动的速度脉动，更容易带走灰尘等污染物，这些流动控制方法的物理机制中国汽研汽车风洞中心也正在研究，研究的试验结果也会在后续发布。
图11 CFD仿真和试验结果的CD值比较
图12 CFD仿真和试验结果的减阻率的比较
3.2 偏航角对风阻系数的影响
本文也研究了偏航角β对不同种方案的风阻系数的影响，如图13所示。可以发现随着β的增加，不同方案的风阻系数均增加，即侧风的存在会增大CD值，这是符合客观事实的，且对于最优化组合减阻方案（Combination of Opt Aero Devices），在β角较大时，相比普通减阻方案（Combination of Aero Devices）减阻效果更明显。我们也单独研究了侧裙板在有侧风存在时（如图14），对风阻系数的影响，可以发现当β=0°时，侧裙板的减阻效果不明显，但是对于β角较大时，侧裙板的减阻效果则体现出来，当β=9°时，侧裙板减阻率可达6%。这说明对于中国沿海、东北、西北等存在较强侧风的地区，长途运输的重卡应安装侧裙板，以达到提高燃油经济性的目的。
图13 风阻系数CD与偏航角β的关系
图14 风洞试验中侧裙板的安装
4 小结
中国的商用车在空气动力学减阻方面有着巨大的潜力，这可以直接体现到提高燃油经济性上。本文的研究表面，相对于不良气动外形的重卡基准模型，仿真和试验结果均表明最大空气动力学减阻率可达近30%，即燃油经济性可以提升近15%（根据表2数据折算），这是十分可观的，若再加上轻量化和低滚阻轮胎的减阻效果，相信中国商用车的燃油经济性会大幅度提升。中国汽研汽车风洞中心也会进一步深入研究，将研究成果实用化、产品化，直接服务于中国商用车燃油经济性的提升。
致 谢
感谢中美清洁能源联合研究中心（CERC）项目“提高中载及重载卡车能效关键技术”课题的支持，感谢重庆理工大学赖晨光教授团队的支持。
参考文献
[1] Wood R M, Bauer S X S. Simple and low-cost aerodynamic drag reduction devices for tractor-trailer trucks. SAE transactions, 2003: 143-160.
[2] 王庆洋, 黄文鹏, 赖晨光, 朱习加, 王勇. 基于气动附件的重卡空气动力学减阻研究. 汽车工程, 2019. (已录用)
附录1 CFD仿真设置部分参数
本文使用STAR-CCM+进行稳态求解，数值计算湍流模型选择标准Realizable 模型，边界条件设定如下（附表1）。计算雷诺数Re=U∞L/v=3.1×10^7，其中v为空气的运动粘度系数。
附表1 边界条件设置
附录2 美国ARC 40%缩比模型风洞信息
附图1 美国ARC模型风洞实物图
附表2 美国ARC模型风洞信息
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