轻型卡车外流场数值模拟及优化研究

1 前言

轻型卡车行驶过程中，受到车身周围空气所产生的力的作用，速度越快，气动力越明显，轻型卡车空气动力特性对其动力性、燃油经济性、安全性等特性有直接的影响。空气阻力的理论研究精度难以保证，风洞试验耗费时间较长，成本也较高，随着基于计算流体动力学理论的发展和计算机性能的提升，运用流体软件对轻型卡车外流场数值模拟进而指导造型设计的方法较为普及，大大缩短了车型开发周期。采用CFD方法对某轻型卡车的外流场进行瞬态数值分析，得到轻型卡车车身表面压力、周边气流速度及整车风阻系数等，根据结果对模型进行多方案优化改进，并重点考察前保气坝、导流罩、后视镜、货厢结构改善对整车空气阻力的影响，研究风阻系数改变的机理，为整车造型的设计提供数据支撑，提升整车性能。

2 控制方程

研究者们通过大量实践和实验总结出了质量守恒、动量守恒和能量守恒这三大定律，在流体力学中有其独特的表现形式，构成了制约流体运动的基本方程组，对轻型卡车外流场进行数值模拟的过程也是对这些控制方程进行求解的过程。

连续方程：         （1）

动量方程：  （2）

能量方程：       （3）                                                    

式（2），u_i中的i取1,2,3分别代表x，y，z三个方向， z方向受到自身重力原因，为0，为。气体温度影响密度变化，故采用理想气体，气体状态方程如下：                                          
                          （4）    

式（4），P为压力，R_g为气体常数0.287J/(kg*K)。

3 计算模型

3.1 模型前处理

  采用有限元软件对轻型卡车几何数据进行模型前处理，提取驾驶室格栅、后视镜、导流罩、前后轮胎、冷却系统、管路等整车部件外表面特征，轻型卡车外流场分析几何模型见下图。将处理好的模型导入到流体软件，此轻型卡车周边建立13倍车长、8倍车宽、6倍车高的风洞模型，检查面网格质量并标记特征线。根据三维模型的结构，采用流体软件中多面体单元进行网格划分，最小网格尺寸1.5mm，面网格总数2098万，体网格总数3917万，整车网格划分模型如图1所示，计算时间步长7.092e-06s，数据平均段时长≥3s。

 轻型卡车外流场分析几何模型

3.2 边界条件

对整车风洞模型进行分层加密，并生成边界层以捕捉微小的流动特征，采用速度入口作为气流的入口边界，标准大气压作为出口边界，地面设置移动路面，牵引车轮辋设置真实转动，挂车轮辋设置切向壁面速度，前后轮各自建立独立旋转坐标系，采用沟槽胎加表面粗糙度的方式模拟轮胎，阻塞比约为2%。冷凝器、中冷器及散热器芯体设置为多孔介质，输入惯性及粘性阻尼系数，风扇设置特定转速，芯体阻尼拟合曲线见下图 ，其中a为冷凝器风速压降拟合曲线，b为中冷器风速压降拟合曲线，c为散热器风速压降拟合曲线。    

a)冷凝器风速压降拟合曲线

b)中冷器风速压降拟合曲线

c)散热器风速压降拟合曲线

 芯体阻尼拟合曲线图

3.3 工况参数    

计算轻卡行驶状态下的车身外表面压力分布、空气域速度场分布及整车风阻系数，尽可能减少轻卡前部的气流分离、正面冲击，寻求更小的风阻系数，工况输入参数如下表所示。

 工况输入参数表

4 计算分析

对轻型卡车进行外流场数值模拟，仿真分析得车身表面压力分布、车身附近流场分布及风阻系数等数据，研究局部结构参数导致的整车流线及流阻形成原因，为提出改进方案做铺垫。

查看流体软件计算结果，整车风阻系数为0.497，升力系数为-0.060，侧向力系数为0.004，整车风阻系数发展曲线见下图，高速气流冲击轻卡前脸，风阻系数急剧增加，前脸与顶部导流罩衔接较好，同时，在A柱弧度导流结构的作用下，风阻系数略降，驾驶室与货厢连接处，为气流空间骤变区，货厢本体具备导流特性，此处风阻系数增加后迅速减小。货厢长度段，风阻系数呈现较小的增加趋势，在货厢尾部，由于结构与气流空间的变化，风阻系数急剧增加，最终达到0.497。

 整车风阻系数发展曲线图

气流冲击到轻卡前脸中部，产生正压力，向四周逸散，压力梯度明显，且气流冲击了货厢前围部分区域，冲击了前桥等区域。货厢侧面及后围的背压恢复越快，对风阻系数越有利。整车整车车身表面压力见下图。   

  整车车身表面压力分布图

气流在前窗玻璃与车顶处、前保处存在气流分离，货厢尾部存在涡流区域。底盘气流冲击了前桥、板簧等增阻部件。增加前保气坝，可避免气流对机构件的冲击。气流冲击到后视镜，产生较小滞止区，后视镜本体起到导流作用，有效较低后侧的负压区域。货厢后部产生较大区域的零压包裹区域，为车体结构及气流空间的骤变，此处风阻系数会急剧增加，会有较多的涡流出现，增加风阻系数，货厢增加导流板后，会减缓这种影响，减小风阻系数。整车Y=0截面流线分布及速度云图见下图。

  整车Y=0截面流线分布及速度云图

综合本次计算结果，可得到如下推论，前保及货厢外形是影响整车阻力的主要因素，可采用仿真验证得到最优的结构匹配形式。在符合相关法律且不影响整车公告前提下，在货厢后部添加导流板，减小车后部形成尾涡流并使得涡流提前分离，降低车尾部负压；驾驶室前侧下端气流分离过慢，则可在前保下端增加导流板，改善机舱底部的气流状况，从而降低风阻；在气坝高度满足接近角的情况下，可增加气坝，优化气流方向，减小风阻等。

5 优化验证   

通过流场仿真分析对外后视镜、导流罩、导流板、前保、货厢等部件进行了一系列优化，验证了风阻系数的升降规律。优化方案是以原方案为基准进行结构改进，包括替换短车顶导流罩、增加气坝、前保下增加底部护板、货厢尾端增加导流板、左右后视镜移动、A柱弧度增加等。车体风阻系数分布计算结果如下表所示。

  车体风阻系数分布表

其中，低位驾驶室方案目的是减少气流对前轮及车底部件如悬架、油箱、排气管路的冲击，增加气坝后，气流对车底零部件的冲击减弱，车底前半部分尾流有所增加，从货箱后半部分开始，方案效果开始体现，尾流有所减少，整车尾流也有所减少，尾流上下的平衡性更好。增加气坝后，背压恢复更好。货箱尾部伸缩导流板方案中的导流板明显起到了引导气流的作用，整车尾流明显减小，增加货箱尾部导流板后，背压恢复更好。原方案与低位驾驶室方案速度对比见下图。

优化方案结果证实增加气坝、尾部导流、A柱弧度增加、前保弧度调整方案均有利于降低风阻，最佳方案降低风阻系数0.013；缩短导流罩、底部护板、后视镜位置、雾灯局部调整等方案会略微增加风阻系数。同时，通过增加底部气坝模拟低位驾驶室，气流对车底零部件的冲击减弱，尾流上下的平衡性更好，结果显示风阻系数降低0.008；货厢尾部长导流板可以更好的引导气流，结果整车风阻系数降低0.032。

6 结论

基于轻型卡车数模及流体力学理论建立外流场分析模型，根据行驶工况设置边界条件，计算此工况下车身外表面压力分布、外流场速度分布及整车风阻系数，并进行了前保气坝、后视镜、导流罩、A柱弧度及货厢导流板等部件的优化改进，通过模型及风阻系数对比找到改善规律，数值模拟与结构优化为轻卡造型开发提供技术支持，大大缩短开发周期，降低了成本。