通过CFD优化卡车拖车空气动力学设计

摘要

货车是内陆地区运输货物最重要、最灵活的方式之一。在巴西等国家，经济发展非常依赖于卡车运输。为了降低货运价格，除了路线优化外，卡车制造商开始关注车辆的空气动力学开发，以提高能源利用效率，减少油耗和排放。

考虑到世界上只有很少的风洞设施能够测试带拖车的整车，为了改善这些车辆的空气动力学性能，使用计算流体动力学（CFD）模拟来评估整车系统成为最佳解决方案。本文对一辆满载卡车进行CFD评估，重点在于卡车和拖车的设计，评估不同的车身风格，以及评估装配在车辆上的外部空气动力部件的性能。  

结果显示为基础满载卡车和概念设计在阻力系数增量方面的比较，以及基础情况和最佳情况在阻力性能方面的图像比较。这项工作希望在不损失载货能力的情况下，结合卡车空气动力学和额外的改进，为卡车拖车提供一个优化的几何结构，指出空气动力学增量不能作为一个简单的因素相加。 

简介

汽车是内陆运输人员和货物的最重要方式之一。它们主要分为两类不同的乘用车，轿车及商用车，和公路卡车。美国出版商Ward’s的估计显示，2016年全球汽车保有量约为13亿辆，是1960年的11倍。在2016年的汽车总数中，约27%为商用车。一些国家将货物和旅客运输的主要部分集中在公路上，如巴西占58%， 澳大利亚占53%。考虑到巴西，该国75%的产品主要通过卡车进行公路运输。

对于全卡车的风洞试验，考虑到拖车，世界上只有少数设施，如荷兰的DNW风洞和美国的国家全尺寸空气动力学综合研究中心（NFAC）艾姆斯研究中心可以实现。另一种解决方案是使用CFD模拟来评估整车的气动性能，因为数值域可以用足够大的尺寸进行离散，以避免堵塞效应。计算模拟可以在项目的早期阶段进行，避免在高级阶段进行成本高昂的变更，还可以提供一个可靠的工具，用于评估提议的外部零件和几何形状变更，而无需原型制造。CFD与风洞试验相结合，提供了空气动力学敏感性方面关键区域的指南，通过引导工程师研究更有效的空气动力学解决方案，提高了试验效率。 

HYVÄRINEN(2015)的研究提出了在三种不同条件下使用配备拖车的卡车在封闭风洞中针对开放道路条件进行测试时的堵塞效应的虚拟评估，结果表明不同的力分布、流动特征和阻力系数比较两种情况时的结果。我们可以得出的主要结论是，如果不遵守堵塞条件，即使是风洞测试也可能会减轻流动效应。PATTEN等人的报告中总结了用于评估和开发配备拖车的卡车的空气动力学特性的技术。人。（2012）。实验设施在优点和改进点以及CFD模拟和其他方法方面进行了介绍和讨论。该研究在风洞方面提供了很好的参考，但CFD方法随着时间的推移而进步，并在更可靠的时间内提供了比2012年提出的更好的结果。由于尺寸限制，大多数实验性学术研究都是使用比例模型进行的，一个有趣的例子是SHUKRI和AKRAM(2013)所做的工作，他们对卡车的1/30比例模型进行了实验研究，以评估行为根据襟翼和车辆偏航情况，在拖车后部添加襟翼显示出大约20%的阻力改进。作者进行的CFD结果也显示出与实验良好的相关性。

图1. 1.本研究中评估的卡车的开源几何形状。从上到下：短面卡车牵引车(1)；加长面卡车牵引车(2)；加长面旧设计卡车牵引车(3)；具有扩展面概念设计的卡车牵引车(4)。

方法论我们使用相同的雷诺平均纳维-斯托克斯方法，详细介绍了BUSCARIOLO等人的工作。替换流体守恒定律方程上的标量变量，再加上适当的修改，我们得到了描述流体运动及其性质的Navier-Stokes方程，并考虑了不可压缩的等温牛顿流动（密度和粘度是常数）。为了用CFD进行这项研究，设计了一个虚拟风洞，施加在入口上并考虑用于测试的速度是卡车在高速公路上行驶的真实路况。还考虑了在出口处应用的轮胎-地板界面和大气压力边界条件的移动地面模拟。对于风洞壁，应用对称边界条件，测试断面的湍流强度约为0.6%，类似于控制良好的风洞。对于每种情况，表面网格被离散化，平均卡车表面尺寸为10毫米，并对关键区域（如镜子、柱子和格栅）进行了一些改进。对于体积网格，考虑到卡车的细化框以及大多数外部组件的尾流和棱镜边界层，平均单元数达到约3000万个。使用帝国学院集群上的软件Star-CCM+执行模拟，运行足够的时间使解决方案在稳态情况下达到物理收敛。

图2. 平面Y=0mm的短面卡车的网格细节仿真结果

表1. 评估的所有载荷工况的阻力系数增量汇总考虑表1中的结果，可以得出这样的结论：设计的发展改进了当前卡车的空气动力学和效率。我们还可以得出结论，扩展面样式提供了更平滑的气流过渡，并且趋势显示空气动力学性能至少提高了19%。

图3.  评估的卡车表面上的流线速度轮廓：短面卡车牵引车(1)；加长面卡车牵引车(2)；加长面旧设计卡车牵引车(3)；具有扩展面概念设计的卡车牵引车(4)。

比较图三所示不同设计的流动剖面，可以确定短面车辆(1)驾驶室后面的强烈再循环区，主要由驾驶室和拖车之间的间隙产生，导致负对阻力的影响。我们还观察到具有更好空气动力学性能的卡车(2和4)与基础情况相比，流动过渡更平缓，驾驶室后面的再循环区更小。旧设计的卡车(3)在驾驶室后部呈现出清晰的涡流，主要是由于没有导流板和与拖车的净距离而产生的。这些几何特征导致机舱末端的固定分离点具有低压梯度，从而增加了涡流的强度并损害了空气动力学性能。到达卡车(3)上的拖车的水流也有一个分离气泡，从开始到拖车长度的四分之一，这在其他卡车上没有注意到，主要是由于驾驶室的设计阻止了这种分离的发生。

图4. 评估的卡车表面上按速度着色的尾流轮廓：短面卡车牵引车(1)；加长面卡车牵引车(2)；加长面旧设计卡车牵引车(3)；具有扩展面概念设计的卡车牵引车(4)。

比较每种车身样式提取并按速度着色的尾流轮廓，我们注意到与基线情况相比，设计(2)和(4)具有更好空气动力学性能的表面也具有更小的湍流尾流区域。尽管(4)在车轮和卡车-拖车过渡处有较大的尾流，但后视镜尾流有显著减少。我们确认了旧卡车设计(3)中卡车-拖车过渡的流动分离预测，不仅在顶部，而且在横向过渡上，再加上长的车轮尾流，有助于增加阻力。所呈现的发现使我们得出结论，较小的尾流尺寸可以提高阻力系数性能。

图5.评估的卡车表面静压轮廓：短面卡车牵引车(1)；加长面卡车牵引车(2)；加长面旧设计卡车牵引车(3)；具有扩展面概念设计的卡车牵引车(4)。图5显示了静态压力的轮廓，与大部分正面区域作为停滞点的短工作面(1)相比，考虑扩展工作面的卡车具有更平滑的流动过渡。正面部分的表面和空气动力学特征补偿了短面(1)恢复了远场流的一些阻力性能。老款面设计(3)在拖车上有很强的滞留感，没有任何空气动力装置进行优化。结论随着排放和燃油经济性要求不断提高，空气动力学正成为商用和货运车辆行业的热门研究领域，旨在达到理想的项目性能。其中最重要的商用车辆是卡车，负责将货物运往内陆。优化卡车性能也直接影响公司和司机的利润。由于尺寸限制，世界上很少有风洞设施能够测试卡车，因此CFD模拟提供了合适的替代空气动力学评估。本研究提出了对整辆卡车的评估，重点关注卡车和拖车的设计，评估四种不同的车身样式，并使用计算模拟评估组装在车辆上的外部空气动力学部件的性能。短面卡车被认为是参考的基准模型。比较不同表面和车身样式的结果表明，扩展面(2)和扩展面概念设计(4)车身样式的风阻系数性能比短面好20%左右，这主要是由于从车辆表面到流道的平滑过渡。拖车。旧设计的卡车，虽然也呈现出最初的平稳过渡，但空气动力学性能比基线差41%，这可以通过客舱后面的强烈涡流和拖车上方的分离气泡来证明。在比较基线模型上的概念性航空促成因素时，主要发现是将再循环区减小到最小尺寸，从而将阻力提高5%。我们还得出结论，湍流尾流是阻力性能的一个指标，一旦这些特征与混沌流动行为相关联，具有较大尾流的车辆通常具有较差的空气动力学性能。

我们要强调的要点之一是，一旦流动物理受到整个连续体的影响，不同空气动力学部件和表面变化的空气动力学增量不能作为简单的因素总和相加。

进一步的工作可能会考虑评估不同卡车样式的空气动力学促成因素，旨在提高整体性能并评估制动系统的热性能，因为一些建议考虑关闭轮衬区域并偏转车身底部的流动。由于短面案例的尾流相似，因此对后尾流控制进行研究会很有趣。

文章来源：Jagdeo, S. and Senthilkumar, S., "Improving the Fuel Economy of Truck by Reducing Aerodynamics Drag - 3D CFD Study," SAE Technical Paper 2020-28-0383, 2020, https://doi.org/10.4271/2020-28-0383.