集装箱半挂运输车气动特性的数值仿真及改进.pdf

2 0 1 0年 第 3 2卷 第 5期 汽车工程 Au t o mo t i v e En g i n e e r i ng 2 01 0 0 81 集装箱半挂运输车气动特性 的数值仿真及改进 米 汪孛 ， 谷正气 ， 贾新建 ， 姜乐华 ， 彭亚美 1 ．湖南大学汽车车身先进制造 国家重点实验 室， 长沙4 1 0 0 8 2 ； 2 ．国防科 学技术 大学指挥军官基础教育学院， 长沙4 1 0 0 7 3 [ 摘要] 为降低车身的气动阻力， 文中应用 C F D软件对某款集装箱半挂运输车简化模型进行数值仿真， 以揭 示车身周围空气流动的机理。首先分析了原车型的车身周围流场的流动特性 ， 然后加装导流罩并研究改变其圆角 半径和驾驶室与集装箱的间距对整车气动阻力系数的影响规律。 关键词 集装箱半挂运输车 ； 气动阻力系数 ； C F D； 导流罩 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n a n d I mp r o v e me n t o f t h e Ae r o d y n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c s o f S e mi t r a i l e r Co n t a i n e r T r u c k Wa n g B e i ，G u Z h e n g q i ， J i a Xi n j i a n ， J i a n g L e h u a P e n g Y a me i 1 ． Hu n a n U n i v e r s i t y ， S t a t e K e y L a b o r a t o r y ofA d v a n c e d D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n gf o r V e h i c l e B o d y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 ； 2 ． C o l l e g e o fB a s i c E d u c a t i o n f o r C o mm a n d i n g O f fic e r s ，N a t i o n a l U n i v e r s i t y ofDef e n s e T e c h n o l o g y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 7 3 [ A b s t r a c t ] F o r r e d u c i n g t h e a e r o d y n a m ic d r a g o f v e h i c le b o d y ， a n u m e ri c a l s i m u l a t io n o n t h e s i m p l i fi e d mo d e l f o r s e mi t r a i l e r c o n t a i n e r t r u c k i s c o n d u c t e d b y u s i n g C F D s o f t wa r e t o r e v e a l t h e me c h a n i s m o f a i r fl o w a r o u n d v e h i c l e i n t h i s pa p e r ．Th e flo w c h a r a c t e r i s t i c o f t h e e x t e r na l flo w fie l d a r o u n d t h e o rig i n a l t ru c k i s a n a l y z e d．The n c a b r o o f f a i rin g i s a d d e d，a n d t h e l a w o f h o w t h e c h a n g e s o f t h e r a di us o f f a i r i n g a n d t h e g a p b e t we e n c a b a n d c o n- t a i n e r a f f e c t t h e a e r o d y na mi c d r a g c o e ffi c i e n t o f v e h i c l e i s s t ud i e d． Ke y wor ds s e mi - t r a i l e r c o nt a i ne r t r uc k；a e r od y na mi c dr a g c o e ffi c i e nt ；CFD ；c a b- r o o f f a i r i ng 日 『J吾 研究表明 当车速超过 7 0 k m ／ h时， 气动力是影 响汽车性能 的主 要 因素之 一_ l I 2 。相对 于轿 车而 言， 载货汽 车具有 较 大 的气动 阻力。当车 速超 过 9 0 k m ／ h时 ， 大型载货汽车 的燃油 消耗大 约有 6 5 ％ 用于克服气动阻力。通过改进外形 ， 一辆大型载货 汽车的气动阻力系数可下降 5 0 ％， 提高燃油效率 2 5％ _ 3 J 。因此 ， 本文中所研究 的集装箱半挂运输车 的减阻问题具有重要的现实意义。 随着计算机及计算技术的发 展， 数值仿 真取得 了迅猛的进步 ， 作为空气动力学研究 的辅助手段 ， 它 不仅能模拟部分实验结果 ， 替代部分实验环节 ， 而且 不受实验环境、 实验器材、 流场品质等客观因素的影 响。所以对半挂运输 车进行数值仿真很有意义 H ， 通过数值仿真得到运输车的附加装置结构参数的改 变与空气动力学特性的规律 ， 从 中得 出气动特性最 优时所对应的结构参 数 ， 可作为改进运输车阻力系 数的理论指导 。 文中主要使用 C F D软件对某款集装箱半挂运 输车进行数值仿真 ， 结合模型的速度场 和压力场 的 分布， 分析 了原车型气动特性。进而在该车型上增 加空气动力学附加装置导流罩 J ， 研究导流罩 的圆角半径和驾驶室与货箱之间的间距等参数 的变 化对气动阻力系数的影响， 以揭示气流 的变化规律 ， 并重点分析 了气动阻力降 幅最大的运输车 的流场 特性 。 汽车车身设计制造国家重点实验室开放基金 3 0 8 1 5 0 0 5 、 国家 8 6 3计划项 目 2 0 0 7 A A 0 4 Z 1 2 2 和湖南省科技攻关计划 重点项 目 O 6 F J 2 0 0 1 资助。 原稿收到日期为2 0 0 9年 7月 1 4日， 修改稿收到日期为2 0 0 9年9月4日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汪孛， 等 集装箱半挂运输车气动特性的数值仿真及改进 3 8 9 1 数值仿真计算 1 ． 1 基本方程和湍流模型 汽车车速一般远低于声速 ， 汽车空气动力学属 于低速空气动力学 ， 因而汽车周 围流场可视为三维 不可压缩黏性等温流场口 ] ， 由于汽车外形复杂 ， 其周 围气流容易引起分离 ， 所 以应按湍 流处理 。文 中选 用 R e l i z a b l e k - 8湍流模型进行数值模拟。 湍流计算 的基本控制方程为三维不可压缩雷诺 时均 N a v i e r S t o k e s 方程 ， 其控制方程如下 1 连续方程 O u ／ O x 0 1 2 动量方程 去 [ 詈 ] 一 塑Oxj c 2 【 I JJ 一 一 式中 “ 、 “ 是平均速度分量， 、 为坐标分量， P是 流体微元体上的压力， 。 是湍流有效黏性系数。 在对 N a v i e r S t o k e s 方 程进 行 雷诺 时均 化处 理 时， 引进了新的变量项u 雷诺应力项 ， 为使方 程组封闭 ， 对雷诺 应力做 出某种假定 。标 准 k - 8模 型在时均应变率特别大时 ， 有可能导致负的正应力 ， 为使流动符合湍流 的物理定律 ， 对 正应力进行 了数 学约束 。R e l i z a b l e k - 8模型中， 关于 k和 的输运方 程如下 。 湍流动能 k方程 毒 I t- I -- k l G k - p 8or a a a 【 ＼ ／ ，J 3 湍流动能耗散率 8方程 去 [ It o丝 l1 a x；J1 a t a x ； a x L 2 J D c 1 E 8- p C 2 4 k √∞ ￡ 式中 P为流体密度 ， 为因平均速度梯度引起的湍 流动能 k的产生项 ， G 筹 O x i]1 O x i 湍流有效黏性系数 由以下公式计算 叩 2 E q E q 2 f O x j 豢 。 s ； ⋯ 。 s ； Q -2 8 ； n n 一 式中 n 是从角速度为 的参考系中观察到的时均 转动速率张量。文献[ 6 ] 建议取以下值 1 ． 0， 1 ． 2， C2 1 ． 9， Ao4． 0o 风阻模型中近壁 面形变非常大 ， 众多有旋流在 附近区域生成 ， 压力梯度变形很大， 所 以选用稳态的 R e l i z a b l e k - 8 J 。结合壁面函数的使用 ， 比较适 合汽 车外流场的数值计算。 1 ． 2 模型建立 所模拟的基本车型是国外某款集装箱半挂运输 车， 由于 目前计算机硬件条件的限制 ， 对该车模型做 了适当的简化 ， 去掉 了门把手、 雨刮器等 ， 拖车底部 采用了平滑处理 。用相应的简化模型来模拟轮胎花 纹、 轮毂、 后桥、 车架、 后视镜等复杂结构， 并整体采 用 了 1 3缩 比模型进行数值模拟。简化模型如 图 1 所示， 根据流体力学相似原理， 数值仿真中模型的雷 诺数要与实 际情 况的雷诺数相 等。由实 验理论得 知 J ， 雷诺数有一个 自 模区， 当模型试验的雷诺数超 过某一数值时， 气动力基本保持不变。美国汽车工 程师学会 推荐 的汽车模 型试验 的雷诺数 应不小于 0 ． 71 0 ， 日本专家建议的 自模雷诺数为 0 ． 51 0 。 。 本文 中使用的模 拟风速为 3 0 m ／ s ， 特征长度取最大 轴距 ， 模型的雷诺数为 7 ． 91 0 。因此 ， 可采用本文 的缩 比模型对实车进行模拟。 图 1 集装箱半挂运输车简化模型 5 1 1 ．3 网格划分及边界条件设置 Ⅱ it it ； p c “ ／ 8 ； 1 I C 1 m ax 3 ， ； 计算域外轮廓为一长方体， 汽车模型在长方体 的某个区域。入 口距模 型前 端 3倍 车长 ， 出 口距模 型后端6 倍车长， 总高度为 5 倍车高， 总宽度为 7 倍 车宽。采用 O C T R E E方法在整个计算域生成非结构 化空间网格， 车身表面拉伸出与其平行的三棱柱网 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 9 0 汽车工程 2 0 1 0年 第 3 2卷 第5期 格 ， 在计算敏感 区域使 用密度盒 ， 以达到局部细化 、 提高计算精度 的 目的。同时 ， 为 了避免模 型局部变 化所导致的网格变化 的影响 ， 在不同情况下模型 的 相同区域设置相同的网格大小。每次模拟生成的整 车总网格数约为 2 8 0万个 j 。 仿真过程 中， 设 置 人 口边 界均 匀 流 速 u3 0 m／ s ， 湍流强度为 0 ． 5 ％ ； 出口压力 P0 相对于大气 压 ； 考虑到汽车底部对气流的影 响， 设 置地板为滑 移地面 ， 速度与来流方向速度相同， 12 , 3 0 r n ／ s 。车身 设置为固壁无滑移壁面边界 ， 计算域左右及上表面 设置为滑移壁面边界。 2 C F D仿真结果分析 通过 F l u e n t 软件求解可得 出该车的气动阻力系 数 c 为 0 ． 8 1 2 5 。从 图 2车身表面压力 云图可看 出 ， 该车前脸上部存在一个较大的正压区 ， 集装箱前 部高过车头的台阶同样存在一个正压区， 车头前脸 下部与侧 面由于流速较高 ， 气流发生分离 ， 产生了负 压区， 且压力梯度较 大。从图 3车身前部速度 流线 及速度云图可以看 出， 驾驶室后 面与集装箱 的间隙 处气流速度较低 ， 驾驶室后面产生了一个大尺度漩 涡， 气流在此处能量损失较大。集装箱顶部由于直 接暴露于来流空气 中， 同样有气流分离现象 ， 且 台阶 拐角不远处存在一个回流。从 图4车身尾部速度流 图2 车身表面的压力云图 图 3 车身前部对称面速度流线及速度云图 线及速度云 图可看 出， 由于底部气流的压力高于顶 部的压力 ， 从底部冲出的气流在压差作用下 向上翻 卷 ， 形成 了一个尺度较大的漩涡。 ●■圈龋豳隧岛淘一 州 嘶 d ． 5 1 0 佰 釉 驾 ∞ 3 6 4 o 4 5 ∞ 髓 图4 车身尾部对称面速度流线及速度云图 3 气动阻力特性的改进 由以上分析可知 ， 通过加装附加装置可改善该 车的气动 阻力特性。文 中分 析了导流罩 圆角半径 、驾驶室与集装箱的间距 L等结构参数变化对气动 阻力系数 的影响 ， 并找出气动阻力最小所对应的 月 和 。最后 ， 考虑最佳的 R和 结合对气动阻力系 数 的影响。 3 ． 1 R对气动阻力系数的改进 图5为导流罩圆角半径示意图。图 6示出气动 阻力系数随导流罩圆角半径 R而变化的规律 。从图 6的曲线可看 出， 随着 圆角半径 的不断增大 ， 阻力系 数减少量逐渐下降。R5 0 0 ram时 ， 减少量最大 ； R 从 1 0 0 0～2 5 0 0 ra m下降趋势不太 明显 ； R从 3 0 0 0 ～ 3 5 0 0 ram减少量偏小。 图 5 导流罩 圆角半径示意 图 图7和图 8分别为加装导流罩后车身表面和对 称面的压力云图。从 图 7可 以看 出， 由于导流罩 的 存在， 原集装箱前面上部的正压区明显消失 ， 气流在 此处不发生分离 ， 只是在货箱右侧拐角处产生局部 裟 裟 ■隰 目图豳圈疆潮I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汪孛， 等 集装箱半挂运输车气动特性的数值仿真及改进 3 9 1 5 0 0 l 0 0 01 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 导流罩圆角半径R ／ mm 图 6 圆角半径变化对阻力系数 的影 响 鼹 一 图7 加导流罩后车身表面压力云图 R 5 0 0 ra m 图 8 对称 面压力 云图 R5 0 0 m m 高压区， 且压力梯度较小。 图 9为车身前部对称 面速度流线及速度云 图。 从图 9可见 ， 气流平顺地从导流罩 的上部流向车尾 ， 在间隙处 由于气流的剪切形成尾流 ， 但与原车型 图 3 相 比， 该漩 涡的尺度较小 ， 漩 涡 中心较原 车型上 移 ， 能量损失也较小 。因此 ， 间 隙处 的压力相对 较 图9 车身前部对称面速度流线 及速度云图 R 5 0 0 m m 小 ， 从而有效减小了压差阻力 ， 最终使得气动阻力系 数降低 。 图 1 O为车身尾部对称面速度流线及速度云 图。 从 图 1 0可见 ， 加装导流罩后 ， 尾涡的变化不太 明显 ， 这是由于导流罩离尾部距离较远 ， 对汽车尾部流场 影响不大。 图 1 0 车身尾部对称 面速度 流线 及速度云 图 R5 0 0 m m 3 ． 2 对气动阻力系数的改进 图 1 1和图 1 2分别为驾驶室与集装箱间隙示意 图和其间距变化对 气动阻力系数 的影 响。从 图 l 2 可看出 ， 随着 间隙 的逐渐增 大 ， 阻力系数 也逐渐变 大。 从 1 0 7 6 m m增大到 1 1 2 6 mm时， 这种增加 的 趋势尤为明显。 图 1 1 驾驶室与集装箱间隙示意图 4 ．o 3 ．0 2 ．O 1 ．0 0 ．O ．1 ． 0 ．2 ． O ．3 ． 0 ．4 O 一 5 ．0 8 5 0 9 5 0 l 0 5 0 l 1 5 0 1 2 5 0 驾驶室与集装箱间距L ／ m m 图 1 2 驾驶室 与集装箱 间距 变化 对阻力系数影响 图 1 3和图 l 4分别为车身表面压力和对称面的 压力云图。可 以看出 ， 相对于原车型 ， 压力分布的变 化不明显 ， 间距的减小并未有效地减少压差。 O 5 O 5 0 5 O 5 O 5 O 5 0 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 0 竿 舶 郴郴 珈 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 9 2 汽车工程 2 0 1 0年 第 3 2卷 第 5期 翼 图 1 3 车身表面压力云图 L8 7 6 r n m es l llll lllil ll Il lll l ill ll 图 1 4对称 面压力 图 L 8 7 6 m m 图 1 5为车身前部对称面速度流线及速度云 图。 由图可见 ， 驾驶室与集装箱间隙处 的流场 特性 明显 改善 ， 气流从驾驶室顶部流过 ， 由于受集装箱高出驾 驶室的台阶影响 ， 一部分气流越过 台阶向后流去 ， 由 于流速过高 ， 形成强烈的气流分离 ， 使集装箱迎风面 形成一个正压区。同时， 在台阶拐角不远处出现回 流， 形成漩涡； 另一部分气流由于集装箱的阻挡， 沿 着问隙向下流动。间距的减小使原先较大的剪切涡 分解成两个较小的漩涡。分别出现在驾驶室后面的 上方和下方。使得气流能量损失相对减小。因此 ， 阻力系数得到一定程度的降低 。 图 1 5 车身前部对称面速度流线 及速度云图 L 8 7 6 mm 图 1 6为车身尾部对称面速度流线及速度云图。 由图可见 ， 与原车型相比， 尾部流场变化不明显 。理 由同上， 由于驾驶室与集装箱 的间隙处离尾部距 离 较远 ， 间隙的改变对尾流影响不大。 3 ． 3 R和 结合对气动阻力系数的改进 图 1 6 车身尾部对称面速度流线 及速度云 图 L8 7 6 r n m 从上面的仿真结果分别取获得最小阻力系数的 尺 5 0 0 m m 和 L 8 7 6 m m 值进行综合数值模拟 ， 得 出 阻力系数相对于原车型的改变量 A C 为 一2 0 ． 5 9 ％ ， 明显优于每个参数单独变化的影响。 图 l 7为车身表面压力云 图。由图可见 ， 与 3 ． 1 节类似 ， 集装箱前部的正压区明显消失 ， 有效减小 了 压差阻力 。 图 1 7 车身表面压力云图 R5 0 0 mm， L8 7 6 m m 图 1 8为车身前部对称面速度流线及速度云图。 由图可见 ， 前方来流顺畅地绕过导流罩流向后方 ， 由 于间距较小 ， 驾驶 室与集装箱间隙处因气 流剪切作 用而产生空气回流现象 ， 未形成完 整的漩涡就 向后 图 1 8 车身前部对称面速度流线及速度 云 图 R5 0 0 mm， L 8 7 6 mm 口 g 菪 善 曩圈 幽黼 豳● 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0 V o 1 ． 3 2 N o ． 5 汪孛， 等 集装箱半挂运输车气动特性的数值仿真及改进 3 9 3 方流去。漩涡的消失使气流 的能量损耗减少 ， 阻力 系数得到进一步减小 。 图 1 9为车身尾部对称面速度流线及速度云图。 由图可见 ， 尾部流场相对于原车型并未有明显变化 ， 由于导流罩及间隙位置离尾部较远 ， 各个参数 的变 化对尾部流场的影响不大。 图 1 9 车身尾部对称面速度流线及速度 云 图 R 5 0 0 ra m， L8 7 6 m m 4 结论 1 原车型集装箱的前面形成 强烈的阻滞 区。 对整车的气动阻力影响较大。 2 加装导流罩后 ， 气动阻力随着导流罩 的半 径 尺的变小而减小 ， 最大的降幅为 1 9 ． 3 4 ％。 3 随着 驾驶 室与集装箱 的间距减小 ， 气动阻 力变小。最大降幅为4 ． 6 6 ％。 4 加装导流罩对气动阻力改进 的效果 明显优 于驾驶室与集装箱间距改变所产生的效果。 5 综合考虑导流罩的最佳圆角半径和驾驶室 与集装箱的最佳间距 ， 优于单个参数改变对气动阻 力的影响 ， 降幅为 2 0 ． 5 9 ％。 参考文献 谷正气 ． 汽 车空气动力学 [ M] ． 北京 人民交通出版 社 ， 2 0 0 5 2 5 5 5 ． Wo o d Ri c h a r d M ，Ba u e r S t e v e n X S．S i mp l e a n d L o w- c o s t Ae r o d y n a mi c D r a g R e d u c t i o n D e v i c e s f o r T r a c t o r - T r a i l e r T r u c k s [ C] ．S A E P a p e r 2 0 0 3一O13 3 7 7 ． 傅立敏 ． 汽车空气动力学 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． S u b r a t a R o y，P r a d e e p S fin v a s a n ． E x t e rn a l F l o w An a l y s i s o f a T r u c k f o r D r a g R e d u c t i o n [ C ] ．S A E P a p e r 2 0 0 0一O 13 5 0 0 ． 王靖宇 ， 胡兴军 ， 等． 导流罩对轻型货 车气动特性影响 的数值模 拟 [ j ] ． 吉林 大学学 报 工学版 ， 2 0 0 8， 3 8 1 1 21 6 ． 王福军 ． 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