商用车列队行驶之数据分析篇

研究内容

运送货物的牵引车队决定在燃油经济性技术方面投资时需要考虑各种因素。牵引车在平坦的高速上行驶时有超过一半的能量输出用来克服气动阻力。牵引车队也需要考虑有效的车辆间隔以获得最小的气动阻力。



越来越多的研究表明了车辆互联系统在封闭道路和公共高速路的成功。研究人员调查了在封闭道路行驶的不同车辆间隔距离、车速和车辆自重，结果表明领头车辆减少油耗在2.7%到5.3%左右，尾部车辆油耗减少了2.8%到9.7%。以36英尺的间隔距离在公共高速路测试燃油经济性，结果表明领头车减少油耗4.5%，尾部车辆减少油耗10%。

每个队列车辆之间都有相同的间隔距离，本次研究中主要采用5米和9米两种间隔距离，另外单一车辆的间隔理解为有效的无限间隔。通过现有技术已经可以对9米间隔队列进行测试，但是5米间隔的队列测试要求更先进的车辆互联技术和主动安全性能。较小的间距也会被用来确定是否有额外节省燃油的好处（减少气动阻力和可接受的换热器冷却流），所以实现一个更灵活的间隔对良好的燃油经济性有重要意义。

试验车辆的空气动力学优化

本研究以四辆牵引车配置进行评估以了解装配单独空气动力学装置（如侧裙和尾部导流板）对队列行驶性能的影响。第一辆原始尺寸车是沃尔沃VNL 670标准53英尺长牵引车，第二辆车添加了标准7米长侧裙，第三辆车配置了改进的侧裙，前整流罩连接到牵引车前面和一个标准的尾部导流板，最后一辆车配置了相同的前整流罩、改进的侧裙和尾部导流板，并且装有完全覆盖第二和第三轴轮胎的整流罩。如下图所示：



列队行驶车辆阻力分析

下图是四辆车各自的归一化的阻力，假设为独立行驶的一辆车（没有列队，相对于车辆1阻力的归一化）。



如上图所示，独自行驶的车辆模拟中，车辆2比车辆1降低了9%的阻力，车辆3比车辆1减少了21%，车辆4比车辆1减少了26%，这些阻力的减少归因于空气动力学性能的提高。



非列队车辆各自归一化阻力和每三车一队列的平均阻力

由上图所示，从单一行驶车辆到9米间隔的队列行驶获得了很大的减阻效益，到5米间隔列队时，得到了额外减阻效益的临界值。另一个有趣的现象是，配置更多空气动力学装置的车辆（车辆3和车辆4）相比于没有或很少配置空气动力学装置的车辆（车辆1和车辆2）列队行驶时更有优势。

为了去除车身多孔介质对阻力的影响，下面的图表为列队行驶车辆表面阻力（不包括多孔介质）。值得注意的是配置更多气动装置的车辆3和4的表面阻力明显小于配置更少气动装置的车辆1和2。



最后，车辆3和4在列队行驶中表现如此之好的原因是这些车辆延长了车身长度，因此减小了车辆后部与紧随其后的车辆前鼻之间的有效间距。如此意味着5米间隔的队列实际接近于4米，9米间隔的队列实际接近于8米。
下图与上图很像，但在这种情况下，所有数值都被单一车辆1的阻力归一化。



由上图结果所示，列队车辆1与没有列队但加装气动装置的车辆3具有类似的减阻效益。
再看各个车辆，下面图表显示了每一个配置车辆在各种列队位置下的阻力（所有都是经过单一车辆1的阻力归一化）。



上图证明了并不是所有车辆都表现一致，在队列中的相对位置对车辆阻力有较大影响。一般来说，领头车辆具有最大的阻力，其次是尾随车辆，中部位置车辆阻力最小。可以预见的是N+2的队列长度将对领头和尾随车辆产生类似的影响，而中间的N辆车行为表现将和中部车辆一样，因此可以进一步减少整个队列的平均阻力。
本研究中测得，以9米间隔距离和65km/h的速度列队行驶时，领头车辆节省燃油4.06%，尾部车辆节省燃油7.53%。

列队行驶车辆表面压力分析

对于流体分析，两个重要特征与列队行驶车辆的气动减阻有关，这些特征是降低迎风速度，减少车前部气流正压区和后部压力。下图所示，已配置气动装置的车辆2（装有侧裙）的表面压力，显示了单车行驶和以5米间隔列队行驶，包括领头车、中部车和尾部车辆。



车辆2单车行驶的表面压力图

如上图所示，单车行驶时车辆2 的表面压力图，车前部有典型的较高正压区，以及车身后部相对较低负压，这两个区域与单车总阻力有关。



车辆2列队行驶时在领头位置时表面压力

由上图注意到由于领头车的自由流的流动条件，车前部仍然存在典型的正压区域（如单一行驶车辆）。



车辆2列队行驶时在中间位置时表面压力

由上图注意到，车前正压区已经减少，特别是接近车辆中心线的位置如前格栅和前防风玻璃中心，这将显著减少中部车辆的阻力。



车辆2以5米间隔列队行驶在尾部位置时的表面压力

再次注意到类似于中部车辆前方较高正压区已经减小，从而牵引车阻力减小。另一方面，队列尾部车辆后面没有其他车辆跟随其尾流会增加，因此类似于单一车辆行驶，牵引车尾部压力减小。这些都导致了阻力的增加。

由上图注意到，当车辆与后方车辆行驶很近时，可以减少前格栅和前挡风玻璃的风压，从而减少正压区。

总结

研究证实了列队行驶车辆队列间隔为9米时，可以显著地减少气动阻力，当间隔从9米减小到5米时减阻效果更明显。单一牵引车配置改进的空气动力学装置队列行驶可以显著减少气动阻力。另外，加装和没有加装侧裙的牵引车（车辆1和2）在以9米间隔列队行驶获得的气动减阻类似于装有改进的气动装置的牵引车（车辆3和4）非列队行驶的减阻水平。目前，将列队行驶应用于货运物流的情况还比较复杂，但是这项研究为我们更好地理解列队行驶并将其作为燃料节约技术所面临的挑战提供了信息帮助。