基于仿生导流罩的厢式货车减阻研究∗

许建民

(1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，厦门 361024； 2.福建省客车及特种车辆研发协同创新中心，厦门 361024)

前言

随着全社会对汽车燃油节能和废气排放控制的重视，节能减排已成为目前汽车行业面临的巨大挑战。由于空气阻力是汽车行驶阻力的重要组成部分，特别当汽车在高速行驶状态，空气阻力会随着汽车行驶速度的平方成正比而急剧增大。由于厢式货车经常处于高速行驶状态，如果其空气阻力系数降低30%，则燃油消耗可降低10%左右[1]。因此降低厢式货车的空气阻力对于货车的节能减排具有重要的现实意义。在货车驾驶室顶部、货车尾部和底部分别安装各种气动减阻装置可减少空气阻力[2－4]。由于驾驶室导流罩可将气流从驾驶室前部平顺地引导至货厢顶部和侧面，从而具有较好的减阻效果[5]。目前，驾驶室导流罩已经成为厢式货车的主要减阻装置之一。近年来，不少学者对各种导流罩的减阻机理进行了深入的研究。Hyams和Choi[6－7]等人分别就货车前部扰流板对货车气动特性的影响进行了研究。Martini[8]等人研究了驾驶室侧部导流板对货车气动特性的影响。文献[9]～文献[11]中对厢式货车导流罩的造型进行了优化设计，并研究了导流罩对货车气动特性的影响。Kim[12－13]等人研究了驾驶室顶部导流罩和侧部导流罩的减阻效果。Mosaddeghi[14]等人提出了多种货车减阻装置，并分析了其减阻效果。文献[15]和文献[16]中研究了货车底部导流减阻装置对货车气动特性的影响。

以上研究重点关注的是各种导流罩对货车气动阻力系数的影响，而关于将仿生学技术运用到货车导流罩的设计和优化的研究尚不多见。本文中以某厢式货车为研究对象，首先基于计算流体动力学理论和气动减阻技术，设计了与厢式货车相匹配的6款驾驶室导流罩结构，对未加装导流罩的厢式货车原始模型和加装6款导流罩的货车模型分别进行气动特性数值模拟，研究它们的减阻效果，找出具有最佳减阻效果的导流罩，分析导流罩的减阻机理和减阻策略。然后在其减阻规律的基础上，依据仿生减阻理论，另外设计了一款模仿海豹头部形状的仿生导流罩，安装在厢式货车上进行空气动力学分析，验证其减阻效果。最终使货车原始模型的气动阻力系数有大幅度降低，具有明显的减阻效果。

1 原始导流罩设计与流场分析

1.1 几何清理

基于某国产厢式货车模型，设计了6款驾驶室导流罩，旨在降低货车气动阻力。为节省计算资源，该货车几何模型简化了对厢式货车外流场影响不大的部分装置，包括货车底部排气系统、前后桥、发动机、后视镜和门把手等部件。由于CFD数值模拟对网格有特殊要求，为了后续网格的顺利划分，对原始货车模型进行了适当的几何清理(如封闭缝隙等)和棱边倒圆。为便于对比减阻效果，6款导流罩虽结构参数不同，但安装位置相同，图1为厢式货车原始模型和安装6种导流罩的货车模型。

1.2 计算域与边界条件

图1 货车模型

根据经验，取5倍车长、4倍车宽、3倍车高的长方体作为数值模拟的计算区域，如图2所示。计算域采用六面体网格。图3为计算域的网格划分结果。假设空气为不可压缩流体，对厢式货车原始模型和6种安装导流罩模型的外流场进行稳态数值模拟，湍流模型选用标准k-ε模型，将计算域入口设置为速度入口，速度为50 m/s，方向沿x轴，另外两个垂直于气流运动方向的速度设为0；将出口边界设置为压力出口，且相对压强设为0；计算域上下左右表面和模型外表面均设为固定壁面边界条件。采用有限体积法对控制方程进行离散，使用SIMPLE算法进行数值模拟。

图2 厢式货车的原始模型

图3 计算域的网格划分结果

1.3 计算结果分析

1.3.1 气动阻力系数分析

货车气动阻力系数CD为

式中：FD为空气阻力；A为货车正投影面积；v为货车速度；ρ为空气密度。

本文中分析了7种货车模型的气动阻力系数(1款未加导流罩的原始货车模型和加装6款导流罩后的货车模型)。计算得到的各货车模型的气动阻力系数见表1。本次设计的6款导流罩对货车的气动减阻效果比较明显，其中减阻效果最好的是导流罩4(阻力系数降低30.7%)，减阻效果比较差的是导流罩6(阻力系数降低15.1%)。

表1 不同货车模型的气动阻力系数

1.3.2 导流罩外流场特性分析

图4 货车前部中心对称面的速度轨迹图

图4 为货车前部中心对称面的速度轨迹图，图5为货车前部x-y平面速度分布轨迹图。货车行驶过程中，气流首先与驾驶室正迎风面相冲击，由于货车前部的阻挡，一部分气流向上流向驾驶室顶面进而到达货厢顶面，一部分气流向下流向货车底部，还有另一部分气流流向货车侧面。导流罩的作用是将向上气流平顺地引导至货厢顶部和货厢侧面，从而减弱气流对货厢突出部分的冲击，使气流最大限度地在货厢顶部和侧面平稳流动。由图4可知，未安装导流罩的驾驶室顶部与货厢前部之间形成了较大的气流低速区域，并且在货厢顶部和侧面形成了明显的气流分离。驾驶室与货厢之间的间隙部位的气流速度较低，驾驶室后面产生了复杂的气流漩涡，气流在该部位的能量损失较大。安装导流罩之后的驾驶室顶部气流比较平顺，导流罩的导流效果比较明显。由于导流罩6是一种导流片结构，驾驶室顶部没有封闭，该导流片过早使气流产生了分离，使驾驶室顶部与侧面气流汇合，因而在驾驶室顶部出现了比较复杂的紊流。由图5可知，未加装导流罩的驾驶室顶部两个侧面均出现了比较明显的漩涡，说明气流在侧面产生了严重的气流分离。导流罩2和4的侧面导流效果比较明显，没有出现气流分离，两个侧面气流比较平顺。而导流罩1，3和5的侧面导流效果一般，出现了明显的气流分离，侧面气流不平顺，驾驶室顶部侧面出现了大的气流漩涡。

图5 货车前部x-y平面速度分布轨迹图

图6 为货车前部压力分布云图。由图可知：7种货车模型车身表面压力分布区别较大，且其正前部均出现了高压区；无导流罩模型和安装导流罩2的货车模型的驾驶室顶部与前风窗的拐角处均出现了负压区，且无导流罩模型的压力分布变化较大，说明两模型在该拐角处产生了气流分离；对于无导流罩货车模型，高于驾驶室的部分货厢存在大面积的正压区，说明气流在这里受到货厢突出部分的阻挡；而安装了导流罩的其余货车模型的驾驶室顶部均未出现大面积的正压区。整体而言，无导流罩货车模型前部压力梯度变化大，安装导流罩的货车模型沿导流罩曲面表现出良好的压力梯度，从而形成流线型流动，导流效果明显。

图6 货车前部压力分布云图

湍流动能可以表征货车外流场的不稳定流动特性，湍流动能大，意味着能量损耗大，导致货车阻力增加，图7为货车前部湍动能分布云图。由图可知：未安装导流罩的货车模型在驾驶室正面和货厢周边近壁区域显示出强烈的湍流动能(见图7(a))，其高湍流动能是由货车前部的流动分离引起的非常不稳定的流动产生的；而如图7(b)和图7(g)所示，安装导流罩的货车模型周围的湍流动能显著减小；导流罩可有效延迟或抑制货车前面的流动分离，从而其湍流动能的强度显著降低。图8为货车中心对称面的湍动能分布云图。由图可知：未安装导流罩的货车模型和安装导流罩6的货车模型在货厢顶部、驾驶室与货厢之前的区域均出现了高湍流动能区域，说明该区域气流状态不稳定，存在压力波动；而安装导流罩1～5的货车模型只有在驾驶室前下部出现高湍流动能区域，驾驶室顶部和驾驶室与货厢之前的区域的湍动能大幅度减小。

图7 货车前部湍动能分布云图

2 仿生导流罩结构的设计与分析

2.1 仿生导流罩设计

前面6款驾驶室顶部导流罩主要考虑了与后面货厢高度的匹配。总结前面6种驾驶室顶部流场特性得知，导流罩均能将气流顺畅地引导至货厢顶部，但仍未能将气流顺利地引导至货箱侧面。为减弱气流对驾驶室迎风面的冲击，导流罩最好能同时将气流平顺地直接引导至货厢的顶部和侧面。该导流罩设计问题可从自然界的生物形态中得到答案，因为自然界的生物拥有了最佳形态结构以适应周围环境。一些海洋动物如海豹，其游动速度可高达10 m/s，说明它们的体表形态可显著减少流体阻力[17]。这是因为海豹具有三维流线形的体表形状，在流动过程中延迟了流动分离，从而减小了流动阻力[18]。物体，包括动物，其在液体和气体中的运动具有相似性。受到海豹头部形状的启发[19]，本文中设计了一款更加符合流场特性的仿生导流罩以减少厢式货车的气动阻力。该仿生导流罩上表面的曲面能与货厢顶部平面圆滑过渡，其侧壁能与货厢侧壁圆滑过渡。图9为新设计的仿生导流罩，图10为仿生导流罩安装在驾驶室顶部的效果图。

图8 货车中心对称面的湍动能分布云图

图9 仿生导流罩

图10 仿生导流罩的整车效果图

2.2 仿生导流罩CFD分析

图11 为仿生导流罩模型与货车原始模型中心对称面速度矢量图。图12为仿生导流罩模型与货车原始模型中心对称面压力分布图。由图可知：由于气流分离，货车原始模型的驾驶室顶部和货厢顶部的拐角处均存在负压区，并且在驾驶室与货厢之间形成旋转涡；而相对货车原始模型，仿生导流罩将驾驶室顶部气流平顺地引导至货厢顶部，未出现漩涡与气流波动，从而有效地减少货车的气动阻力。

图11 模型中心对称面速度矢量对比

图12 模型中心对称面压力分布对比

图13 为仿生导流罩模型与货车原始模型中心对称面湍动能对比。未安装导流罩的货车原始模型的驾驶室前下部、驾驶室与货厢之间的区域、货厢顶部和货车尾部均呈现出较大的湍动能。说明这3个位置均发生了气流分离。仿生导流罩货车模型的驾驶室顶部、驾驶室与货厢之间的区域、货厢顶部等区域的湍动能有显著下降，这是因为仿生导流罩对正面来流进行了导流过渡，有效抑制了驾驶室顶部的气流分离。因此，通过安装仿生导流罩可减少紊流波动引起的空气阻力。表2为安装仿生导流罩货车模型与货车原始模型的气动阻力系数对比。可以看出，仿生导流罩的气动阻力系数比货车原始模型减小31.1%，减阻效果显著。

图13 仿生导流罩模型与货车原始模型中心对称面湍动能对比

表2 安装仿生导流罩货车模型的气动阻力系数

3 结论

(1)基于货车气动减阻机理设计了6款驾驶室导流罩结构。分别从压力分布、速度分布和湍流动能分布等方面详细分析了6款导流罩结构对厢式货车气动特性的影响，总结了导流罩的减阻机理，获得具有最佳减阻效果的导流罩结构，其中最佳气动阻力系数降低了30.7%。

(2)利用仿生学原理，通过模仿海豹的头部形状，设计了一款仿生导流罩，其上表面和侧表面分别与货厢顶部和侧面平滑过渡。CFD分析结果表明，仿生导流罩模型的气动阻力系数比原始货车模型降低了31.1%，减阻效果非常明显。