一种大型货车车尾改装节能方案的探究

来源:用户上传      作者: 李景

　　摘要：大型货车是形状不规则的非流线型结构，其尾部为突然截尾式，气动阻力较大，通过改善客车尾部的钝头结构，不但可以降低油耗，还可以提高货车高速行驶的稳定性。文章利用有限元分析软件Ansys对改装前后的货车进行模拟分析，结果表明，通过优化货车尾部的结构形状，可以有效地提高货车的气动特性，从而更加节能。
　　关键词：非流线型；降低油耗；有限元分析；优化气动特性
　　中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）20-0095-02
　　空气动力学指标是货车最重要的参数之一，它对货车的动力性、经济性、操纵稳定性等有着极其重要的影响。随着燃油价格的上涨和节能减排的要求，现今车身的设计将气动性能指标作为出发点，可见，提高气动特性对降低货车的燃油率和提高节能指标有着非常重大的作用。货车正常行驶时，尾部会形成漩涡，消耗大量的能量，可以通过改变货车尾部形状，阻碍漩涡的形成，从而降低油耗。
　　1 气动阻力及其对货车性能的影响
　　1.1 气动阻力
　　气动阻力是货车在行驶的过程中，由于车身上部和下部结构差异所导致的上下气流的不同而形成的直接阻碍了汽车运行的压强差。气动阻力由三部分组成，它们分别是摩擦阻力、形状阻力和诱导阻力。形状阻力主要与边界层流态和脱体尾涡的出现等因素有关，是既不由粘性力，也不由升力直接引起的那部分阻力。压差阻力主要取决于车身前方阻止气流前进的压力与车身尾部的压力差。气动阻力构成中，85%为压差阻力，其余15%为摩擦阻力。压差阻力的91%来自车身后部，9%来自车身前端。
　　1.2 气动阻力对货车性能的影响
　　货车在行驶过程中和周围空气发生相对运动，空气就会对货车产生一个力，将这个力进行分解，可以得到升力、侧向力和阻力。当车速在100km/h时，发动机80%的动力用来克服气动阻力，此时，若将空气动力学性能提高10%，油耗就会降低4%～5%。重量轻的汽车，特别是重心靠后的货车，对前轮的升力特别敏感，为避免重心偏移产生翻车现象，在设计阶段应充分考虑升力的影响。气动阻力的主要影响因素为迎风投影面积和气动阻力系数，研究表明，减小气动阻力系数，能有效减小气动阻力，从而明显降低油耗。
　　2 货车流场有限元分析
　　2.1 条件设定
　　由流体力学可知，当马赫数Ma<0.3时，流体所受的压力不足以压缩流体，仅会造成流体的流动，在此状况下，流体密度不会随压力而改变，此种流场称为亚音速流（Subsonic flow），流场可视为不可压缩流场。因车速与音速相比相对较小，即马赫数较小，因此模型可以简化为不可压缩流体处理。货车运行过程中的流动雷诺数为106量级或更大，所以货车绕流模型可以当作湍流来处理。
　　2.2 网格划分
　　利用Ansys中的flotran模块将模型划分为fluid 141单元，由于网格在很大程度上决定着模拟结果的精度，建模过程中，在敏感区域网格划分较密，远离车身的其他部位网格划分较疏，采用自动划分的方法。
　　2.3 现象观察
　　图1
　　从图1中可观察到，尾部气流比较紊乱，有两个逆向的漩涡，在离尾部一段距离后，漩涡逐渐消失。
　　3 漩涡现象解释
　　由伯努利方程可知，流速大的地方压强较小，流速小的地方，压强较大。货车底部压强较大，流速较小，由于货车的侧面比较光滑，流速较高，压强低。这样，底部的气流向上运动，与侧面的气流相叠加，就会形成一对旋向相反的螺旋流。货车在高速行驶时，前围直接冲击前方气流，使得货车的一部分动能转化为压力能，形成正压区，尾部涡系的存在，使其成为负压区。
　　4 漩涡对货车运行性能的影响
　　货车前后两部分压强分布不对称就会形成压差阻力，压差阻力很大程度上取决于尾部漩涡区域大小及其内部的压强大小，尾涡区域越大，压差阻力就越大，反之就越小。而尾涡区的大小又取决于分离点的位置，流线体的分离点接近物体尾部，从而有较小的尾涡区，但厢式货车的压差阻力很大，一般占总的气动阻力的80%以上。压差阻力越大，货车的气动系数也越大，货车的能耗增加。货车尾部由于气体的粘性消耗，漩涡逐渐消失，大尺度漩涡的形成和消散使得气流的能耗增加，也会增加气动阻力，从而增加货车的能耗。同时，车尾后顶缘附近出现的由于气流分离产生的负压还会影响货车的升力，从而影响货车行驶的稳定性。
　　5 车尾改装优化
　　将货车截尾式尾部改装成光滑的流线走势，能有效减小涡流。
　　图2
　　要改善货车的气动性能，就必须控制尾部漩涡的强度，减弱它的湍流程度，降低气流的湍流能量消耗，可以减小气动阻力，降低油耗。通过多次试验可知，三角形、双弧形等结构都可以有效减少漩涡的产生。
　　6 结语
　　本文通过对货车钝头式尾部产生的漩涡进行了详细的分析和解释，通过对不同形状的货车尾部流场进行有限元模拟分析，得出通过优化货车尾部的结构及形状，不仅能改善汽车的动力性、提高汽车的燃料经济性，而且也能提高汽车的操纵稳定性，保证行车安全。
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　　作者简介：李景（1992―），男，浙江台州人，武汉大学本科在读学生，研究方向：机械设计制造及其自
　　动化。
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