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集装箱运输货车气动附加装置的优化研究 摘要 近年来，我国公路的建设日新月异，公路交通运输的水平得到了很大的发展。 集装箱运输货车作为公路运输的主要工具，发挥着越来越重要的作用。为了提高 运输效率，适应日益严格的节能减排政策以及促进环保，货车的空气动力学越来 越受到人们的重视。 风洞试验和数值模拟是目前研究汽车空气动力学气动特性的主要研究方法。 随着计算机技术的发展以及成本等因素的考虑，计算流体力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 方法被越来越多的应用到汽车的开发过程中。本文介绍 了汽车空气动力学发展历史和研究现状以及计算流体力学在汽车上的发展和应用 状况。采用c f d 方法对集装箱货车外流场进行研究，数值计算结果对于货车的设 计与开发具有一定的指导意义。 首先，在集装箱货车三维c a d 模型的基础上建立网格计算模型，运用c f d 软件f l u e n t 对货车在无侧风下行驶的外流场计算模拟。通过对集装箱货车外流场 的流态进行详细分析研究，探讨了集装箱货车外流场的流动特征和气动阻力之间 的关系，明确了产生气动阻力的主要原因，为后续减阻提供了参考依据。 接着，运用试验设计方法选取若干组试验点，基于响应面模型的基础上，建 立起阻力系数和升力系数与导流罩几何参数之间的数学函数关系，利用优化算法 对阻力系数函数得出最优解，与c f d 数值模拟结果相比较，误差在5 以内。结 合敏感性分析，分析出对整车气动阻力影响较为敏感的结构参数，对某款商用导 流罩进行气动优化设计，对实车中的导流罩设计具有指导意义。 随后，讨论了三种横摆角下数值模拟汽车的方法，基于标模的基础上与风洞 试验对比。经比较分析，本文选用方法3 对集装箱货车进行横摆角下数值模拟。 最后，根据集装箱货车外流绕流特点，在集装箱前部加装涡流扰流装置，并 探讨了该扰流装置几何参数对整车气动阻力的影响，为提升侧风环境中集装箱运 输货车气动阻力特性水平提供了参考依据。 关键词：集装箱货车：外流场：c f d ：导流罩：响应面：优化 n a b s t r a c t wl t nt h er a p l dp r o g r e s so nt h ec o n s t r u c t i o no f e x p r e s s w a yi no u rc o u n t 取t h e r o a dt 啪s p o r t a t l o nh a sg r e a td e v e l o p m e n t n o w a d a y s ，c o n t a i n e rs e m i t r a i l e rt m c k 。a s t n em a jo rt o o l1 nr o a dt r a n s p o r t a t i o n ，p l a y sa n i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e t oi m p r o v e t n e e m c l e n c yo “r a n s p o r t a t i o n ， a d a p tt h es t r i c t e rp o l i c i e so n e n e 唱y s a v i n ga n d e m l s s l o nr e d u c t l o n ，i ti sp a i dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n so nt h et m c ka e r o d v n a m i c s 上n e r ea r et w om a j o rm e t h o d su s e d i nv e h i c l ea e r o d y n a m i c s ，w h i c h a r ew i n d t u n n e it e s ta n dn u m e r i c a i s i m u l a t i o n w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dt a k i n gt h ec o s ti n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h em e t h o do f c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ( c f d ) i sm o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e dt ot h e p r o c e s so fa u t o m o b i l e ，s r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i ti s r e v i e w e dt h a tt h ed e v e l o p i n gh i s t o r ya n dt h e c u r r e n t s l t u a t l o no nr o a dv e h i c l ea e r o d y n a m i c sa n dc f d t h e e x t e r n a lf i e l do ft h et m c kw a s s l m u l a t e d b yt h ec f dm e t h o d t h er e s u l t o fn u m e r i c a l s i m u l a t i o np r o v i d e sa n i n s t r u c t i o nf b rt h et m c k d e s i g na n dr e s e a r c h a t 胁t ，g e n e r a t et h eg r i dc o m p u t a t i o n a lm o d e lo nt h eb a s i so ft h r e ed i m e n s i o n a l c a dm o d e lo ft h et m c k - n u m e r i c a l l ys i m u l a t et h ee x t e m a l6 e l do f t h et r u c kw i t h o u t c r o s s w l n dm a k l n gu s eo ft h ec f d s o f t w a r ef l u e n t t h ea i rf l o wi nt h ee x t e m a ln e l d o h et r u c k1 s a n a l y t i c a lr e s e a r c h e di nd e t a i l t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ef l o w c n a r a c t e 删1 co fe x t e r n a ln o wn e l do ft h et 九l c k a n dt h ea e r o d y n a m i cd r a gi s o n d l s c u s s l o n i h er e a s o nw b yt h ed r a gw a sp r o d u c e di s c l e a r i tp r o v i d e sr e f e r e n c e sf o r t h ef 0 l l o w i n gw o r ko fd r a gr e d u c t i o n 1n en e x t ，8 e i e c ts e v e r a le x p e r i m e n t a lp o i n t s u s i n gd e s i g no fe x p e r i m e n t ( d o e l b a s e do nt h er e s p o n s es u r f a c em e t h o d ( r s m ) ，t h e f u n c t i o nr e l a t i o n s h i pi se s t a b l i s h e d b e t w e e nc o e 所c i e n to fd r a ga n d1 i f ta n dt h en v e p a r a m e t e r s ，w h i c hr e f l e c lt h ec a br o o f i a l n n g ih eo p t l m i z a t i o ns o l u t i o nc a nb eo b t a i n e db ya l g o r i t h m t bc o m p a r e w i t ht h e r e s u l to fc f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h er e l a t i v ee r r o r i sl e s st h a n5 c o m b i n e dw i t h n e s e n s l t i v l t ya n l y s i s ，a n a l y z et h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r sw h i c ha r es i s i t i v et ot h e a e r o d y n a 咖cd r a go ft h et r u c k o p t i m i z i n gd e s i g nf o ra k i n do fc o m m e r c i a ic a br o o f 士a l n n g ，1 th a st h eg u i d i n gs e n s et ot h ec a br o o ff a i r i n go f t h er e a lt r u c k u n n e 彻o r e ，t h r e em e t h o d so fs i m u l a t i n gt h et r u c ki ny a w a n g l e sw e r ed i s c u s s e d 1 0c o m p a r ew l t ht h er e s u l to f w i n dt u n n e lt e s tb a s e do nt h es t a n d a r dm o d e l ，m e t h o d3 w a su s e df o rs i m u l a t i n gt h et r u c ki ny a w a n g l e si nt h i sp a p e r a t l a s t ，b a s e do nt h et m c k a e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fe x t e m a lf l o w ，t h ev o r t e x 集装箱运输货车气动附加装置的优化研究 t r a p p e dd e v i c ea d d e do nt h ef r o n to ft h et r a i l e r t h ei n f l u e n c eo nt h ea e r o d y n a m i c d r a gb yt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h a tw a sd i s c u s s e d i tp r o v i d e sr e f e r e n c e st h a t i m p r o v i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fd r a go f t h et 1 1 l c ki nc r o s s w i n d k e y w o r d s ：c o n t a i n e rs e m i t r a i l e rt r u c k ；e x t e r n a lf l o wf i e l d ；c f d ；c a br o o ff a i r i n g ； r e s p o n s es u r f a c em e t h o d ；o p t i m i z a t i o n 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，随着国家汽车产业规模不断扩大以及高速公路的飞速发展，使得我 国的汽车产业不断壮大。据中国汽车工业协会公布的数据，2 0 0 9 年以来，我国已 成为世界汽车产销第一大国，其中，2 0 0 9 年我国国产汽车产销量分别为1 3 7 9 1 万辆和1 3 6 4 4 8 万辆，同比增长4 7 5 7 和4 5 4 6 。2 0 1 0 年第一季度，产销量分 别为4 5 5 万辆和4 6 1 万辆。同比增长7 7 和7 2 。2 0 0 8 年底，我国公路通车总里 程达到3 7 3 0 5 2 万公里。其中，高速公路里程达6 0 3 0 2 公里，一级公路有5 4 2 1 6 公里。高速公路通车总里程稳居世界第二位。随着人们对货车的需求大量增加， 在公路交通运输中，厢式货车以及半挂运输车等商用汽车发挥着越来越重要的作 用。为了提高运输效益，高速公路上行驶的厢式货车时速在不断提高，可达8 0 9 0 k i n h 。汽车的气动特性在整车的综合性能中的地位已愈发凸显出来，它已成为 评价整车性能的重要指标之一。 汽车空气动力学直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性 和安全性。汽车的气动阻力与车速的平方成正比，且气动阻力消耗的功率又与车 速的立方成正比。因而通过汽车空气动力学研究来降低汽车气动阻力，提高发动 机燃烧效率，不仅可以提高汽车动力性，而且还可以改善其燃油经济性h 1 。 全球石油能源渐趋枯竭，能源危机日渐逼近。2 0 0 9 年底，随着哥本哈根世界 气候大会的召开，国家在节能减排政策实施的力度加大。以传统石油燃料为动力 的汽车排放的尾气，成为全球气候变暖的重要因素之一，因此降低汽车的燃油消 耗越来越重要。对于高速行驶的汽车，降低油耗的一个最有效的办法就是减小汽 车的气动阻力。由于货车尤其是常见的厢式货车的结构特点，其气动造型较差心1 ： 厢体高出驾驶室较多，具有较大的迎风面积，造成整车的气动特性较差，气动阻 力较大，行驶稳定性也较差。货车在高速行驶时，车速急剧增大，油耗量剧增。 因此改善货车的气动特性成为货车降低油耗，提高行驶稳定性的一个重要途径。 为了改进汽车的气动特性，全球汽车工业界都投入了大量的人力、物力对汽 车内外流场的流动及相关现象进行研究。风洞实验是汽车空气动力学研究的传统 而又有效的方法，它为汽车空气动力学的发展做出了巨大的贡献，但其也存在耗 资大，周期长的缺点。随着计算机和数值仿真方法的迅速发展，属于新兴交叉学 科的汽车计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf 1 u i dd y n a m i c ，简称c f d ) 得以迅速发展， 它为汽车空气动力学的研究开辟了新的途径。汽车计算流体力学采用数值计算方 集装箱运输货车气动附加装置的优化研究 法，通过计算机求解相应的数学方程组，研究汽车绕流的空间运动特性，给出流 动规律，为汽车设计提供科学依据。汽车计算流体力学的兴起也促进了汽车实验 研究和理论分析方法的发展，三者相辅相成必将进一步推动汽车空气动力学特性 的设计和研究。 1 2 气动附加装置对货车气动特性研究意义及研究现状 1 2 1 研究意义 汽车行驶中的阻力包括滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力等等，其 中空气阻力和滚动阻力是在任何行驶条件下都会产生的，在车辆行驶中，需要消 耗燃油克服这些阻力。 当汽车在水平路面上匀速行驶时，行驶阻力由滚动阻力和空气阻力构成。汽 车行驶时的空气阻力与车速的平方成正比，当汽车速度逐渐增加时，气动阻力在 所有阻力中的比重逐渐增加。货车由于其较大的迎风面积以及受使用要求限定的 多种多样的车厢结构，使它们难以具有较低的气动阻力系数和最佳的空气流态。 某些货车当车速达到6 0 k m h 时，气动阻力就已超过总阻力的5 0 ；而当车速达 到1 0 0 k m h 时，气动阻力约占汽车行驶总阻力的7 5 8 0 口1 ，见图1 1 所示。 2 03 0 4 05 0 6 07 0 行驶车速( m p h ) 图1 1行驶车速与行驶阻力之间的关系 气动阻力所消耗的功率占发动机产生的功率相当大的比例，这是因为消耗于 气动阻力的功率与速度的三次方成正比。由于货车的迎风面积受到货运要求以及 相关政策法规的限制而不易于进一步减小，所以降低空气阻力系数是现代汽车高 速运输降低油耗，提高燃油经济性的主要措施之一。对于大型载货汽车、载货拖 挂车的道路试验表明，当气动阻力系数降低3 0 ，并以8 0 k m h 的车速行驶时， 2 r区躜g导鄙船 硕士学位论文 可降低油耗1 2 一1 3 ：当气动阻力系数降低2 0 时，可降低油耗7 9 ；当气 动阻力系数降低1 0 时，可降低油耗3 5 。对于从事货运工作的大型集装箱货 车，其年均行驶里程长，降低气动阻力产生的节油效果将是非常可观的。 分析表明，改善货车的空气动力学特性，将目前的气动阻力系数由0 6 0 8 降低到0 3 5 0 4 5 是有可能的，气动阻力系数的降低不仅带来运输成本的降低， 而且因燃料消耗的减少而降低了有害污染物排放以及温室效应气体c 0 2 的排放， 从而对保护人类生态环境也有着十分重要的意义。本课题来源于国家8 6 3 项目 ( 2 0 0 7 a a 0 4 2 1 2 2 ) 以及与集瑞重卡公司集装箱货车减阻项目。 1 2 2 国外研究历史与现状 自从18 8 6 年德国人g d a i m l e r 和k b e n z 创造了世界上第一辆以内燃机为动 力的现代汽车以来，汽车的发展给人类社会带来了巨大而深刻的变化，汽车已经 成为现代文明的主要标志。在汽车发明后的最初十几年内，由于大多数局限于解 决机械问题，且车速很低，汽车空气动力学问题并没有真正的提到议事日程。随 着人们对汽车完美艺术造型和卓越性能的不断追求，汽车空气动力学才逐渐形成 和发展起来。 较为系统的有关汽车空气动力学的研究工作始于1 9 1 1 年。这一年，德国的 r i e d l e r 在分析车辆阻力的时候引入了气动阻力的概念口3 ，之后p r a n d t e l 、e i f f e l 和 a s t o n h l 等对汽车气动阻力产生机理作了更深入的研究。并揭示了由于地面效应， 简单的轴旋转体不适合作汽车车身外形这一现象。1 9 2 0 年有关车身外形与气动阻 力的实验工作在德国的腓特烈港的策佩林工厂的大风洞中进行，1 9 2 2 年一系列有 关实验的首批论文正式刊登于德国的技术文献上，其中如、m k l e m p e r e r 的“汽车气 动阻力的研究”论文为代表作之一哺1 。 德国人p j a r a y 对早期的汽车空气动力学作出了卓越的贡献。1 9 2 1 年，通过 风洞对著名的卓别林号飞艇进行气动阻力研究后，他发现前端方正的物体比前圆 后尖的物体的空气阻力系数要大得多，实际上这已涉及到压差阻力概念。之后， 他提出的“最小阻力的外形是以流线体的一半构成的外形”和“只有消除汽车尾部 气流分离，才能降低阻力”等论点大大推动了汽车空气动力学的发展哺 7 1 。他与克 兰普瑞合作在进行一系列与汽车有关的几何形状的风洞试验后，提出了所谓“合成 型车身”概念( 或称为“j ”型车) 。“j ”型车的风洞实验从1 9 2 1 年的克兰普尔一直延 续到1 9 3 8 年哥廷根空气动力学研究院的路德维格普朗特领导下的研究组，最终 导致了朗哥车型。该车气动阻力系数达c d = o 1 4 【8 1 。后由w h h u c h o 等人通过1 ：5 模型风洞确认该车气动阻力系数c d = o 1 6 。该模型完全光滑，高长比为1 ：3 5 2 ， 但缺少轮罩、风窗等细节旧1 。 1 9 3 3 年美国人w e l a y 教授在密执根大学进行可更换的各种头部和尾部组成 集装箱运输货车气动附加装置的优化研究 的积木式汽车模型风洞试验，较详细地分析了车身前后主要参数对气动阻力的影 响和前后流场的相互作用与影响n 叭。 2 0 世纪3 0 年代初，德国人w k a m m 领导科学工作者就开始着手进行有关气 动力对汽车稳定性和直线行驶能力的影响的系统研究n 卜1 2 1 。1 9 3 4 年，k a m m 教授 开始系统地研究车身尾部设计，通过风洞试验研究表明“j ”型车的长而尖的尾部并 不是必不可少的，而且汽车高速时横风稳定性差，因而提出了有名的“短尾”造型 概念( 或称为“k ”型车) 。法国人j a n d r e a u 是早期汽车空气动力学研究方面较出 色的工作者之一，也是较早地研究压强分布和稳定性的人之一n 副。他在标致车的 底盘上装有一个带尾翅的流线型车身，该车的气动阻力系数为0 2 8 。 2 0 世纪4 0 年代初，由于竞赛汽车的发展从而产生的气动升力及纵倾、侧倾 力矩对汽车性能影响问题已开始引起研究者们的重视。首先提出诱导阻力概念的 法国人l r o m a n i 认为：产生较大升力的汽车车身难以获得低的阻力系数n 制。 2 0 世纪5 0 年代，汽车空气动力学研究已延伸至气动力对汽车性能影响的研 究领域。汽车外形设计也进入了气动造型和美学造型完美结合的黄金阶段。这一 时期汽车设计获得初步成功后，由于空气动力学在航空方面取得了惊人的成就， 汽车空气动力学进一步拓展到发动机、空气动力学附加装置以及气动噪声、暖通 空调、尘土污染等诸多方面。 6 0 年代初英国r q s w h i t e 等人在m i r a 风洞进行了著名的耗资巨大的1 4 1 辆汽车的实车风洞试验。用大量详实的数据找出了一整套估算气动阻力系数的方 法。这种方法在汽车造型和技术日新月异的今天显得较为粗糙而不再实用，但在 当时对汽车造型及寻找9 个部分低气动阻力系数的造型具有重要的指导意义n 副。 2 0 世纪7 0 年代，以英国人a j s c i b o r - i b s t k i 和8 0 年代德国人w h h u c h o 为 代表的一批科学工作者，在总结前人的研究成果基础上结合各自的研究工作，为 使汽车空气动力学成为一门独立的研究学科奠定了坚实的基础阳。引。当时问世的 德国奥迪1 0 0 i i i 通过空气动力学设计，气动阻力系数只有0 3 ，成为商业轿车外 形设计的最佳典范。1 9 7 8 年f r a n k s c h e n k e l 就轿车前部和尾部扰流器对汽车气动 阻力的影响作了一定的研究与分析，通过轿车表面的压力分布来设计气动减阻装 置，取得了一定的效果n 。 8 0 年代初，美国马里兰大学c o l i nh m a r k s 以及f r a n kt b u c k l e y 通过风洞 试验，监测出气动阻力在卡车各个部分的分布情况。结果表明，0 偏角时流线型 卡车车头气动阻力占整车气动阻力的4 5 5 7 ，而非流线型平头驾驶室则占整 车气动阻力的7 3 8 2 n 引。菲亚特汽车公司在风洞试验中，对重型集装箱半挂 运输车通过局部改型和添加附加装置，得出具有理想气动特性的卡车外形，试验 表明，集装箱半挂车的气动阻力占整车气动阻力高达4 5 n 引。福特汽车公司对该 公司1 9 7 8 款c l 9 0 0 0 重型卡车、1 9 8 0 款f 1 5 0 轻型卡车以及f 6 0 0 中型卡车进行 4 硕士学位论文 风洞试验，阐述了三款卡车的气动特性心0 i 。 进入9 0 年代，随着计算机技术的迅猛发展，数值仿真的方法研究车身周围流 场以及计算气动阻力得到越来越广泛的运用。戴姆勒一奔驰汽车公司、三菱公司、 丰田公司、福特公司、沃尔沃汽车公司等瞳卜2 5 1 利用c f d 方法进行相关车型的气 动设计工作。9 0 年代中期，三菱公司对卡车导流罩进行了研究，并分析了0 0 ，5 。， 1 0 。时的气动特性，得到了一个气动特性良好的导流罩模型，并详细分析了导流罩 改进过程中气动阻力变化的原因瞳6 2 7 1 。 2 1 世纪初，美国的乔治亚技术研究院( g t r i ) r o b e r tj e n g l a r 根据飞机机翼的 气动机理，在厢式货车车尾部加装尾流扰流器。如图1 2 所示，研究表明，在驾 驶室与车厢间隙完全封闭的情况下，加装尾部扰流器可使原车的气动阻力系数的 最大降幅将近5 0 旧8 3 0 。 图1 2厢式货车尾流导流器示意图 2 0 0 4 年，南加州大学c h a r l e sr a d o v i c h 3 1 3 23 等人对尾部扰流器的角度以及驾 驶室尾部延伸板的安装角度进行研究，如图1 3 、1 4 所示，研究表明，尾部扰流 器夹角在1 3 。时，对整车的减阻效果最佳。延伸板为0 。时，对整车( 拖车和挂车) 阻力系数c d 降幅达l8 。 t r a i l e rb a s ef r o ma b o v e 慕 夕 图1 3驾驶室尾部延伸板摆角示意图1 图1 4 驾驶室尾部延伸板摆角示意图2 2 0 0 4 年2 0 0 6 年间，加拿大国家研究委员会k e v i nr c o o p e r 等对厢式货车 集装箱运输货车气动附加装置的优化研究 的一系列气动附加装置进行了模型及实车风洞试验b 3 叫引，加装尾部延伸板、箱体 前部导流装置以及侧裙对整车气动阻力的减阻有明显效果。l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室p a u lj c a s t e l l u c c i 等对箱体气流分离片( t r a i l e rs p l i t t e rp l a t e ) 进行研究 。剐，如下图所示，研究表明，加装该分离片可降低整车阻力系数1 2 。 图1 5 集装箱前部涡流稳定装置示意图图l ，6 集装箱下部侧裙 图1 7 集装箱气流分离片示意图 2 0 0 6 年2 0 0 7 年问，美国万国卡车与引擎公司( i n t e m a t i o n a lt r u c ka n de n g i n e c o r p o r a t i o n ) r o n a l de s c h o o n 等6 q 7 1 对厢式货车的驾驶室尾部延伸板、集装箱侧 裙以及尾部扰流装置等附加装置在风洞实验室中进行比较研究，并将此三部分装 置同时装于卡车上，研究表明，阻力系数的最大降幅达2 3 。通过道路试验，油 耗相对降低1 1 5 。 1 2 3 国内研究历史与现状 由于我国汽车工业的起步较晚，汽车工业的发展水平较低，很多厂家的自主 设计能力较低，长期处于抄袭和引进国外技术的低水平发展阶段，对空气动力学 的投入非常有限。国内在这方面的研究起步较晚，2 0 世纪7 0 年代陆续开始空气 动力学研究的筹备工作，研究工作一直未能开展。直到1 9 8 1 年1 2 月成功地在中 国气动中心低速所的8 m 长，6 m 宽的大型低速风洞中进行了首次汽车实车风洞试 验。之后，该所较为系统地研究汽车空气动力。长春汽研所、湖南大学、原吉林 ： 业大学等于8 0 年代陆续开展了这方面的工作8 。 硕+ 学位论文 9 0 年代初期，吉林大学的马方武教授对红旗c a 7 7 4 型轿车进行了风洞试验 研究，并对车身主要部位进行了8 种改型方案，减阻效果明显n 引。湖南大学谷正 气教授对j t 6 1 2 0 型大客车进行了风洞试验研究，对客车的气动特性进行了详细的 分析4 训。 1 9 9 4 年前后，傅立敏教授对c a l 4 1 货车气动阻力的经济效益及其使用范围 进行了试验研究，并根据研究结果提出了加装气动附加装置降低c a l 4 1 货车的气 动阻力以改善燃料经济性的具体意见h 1 l 。1 9 9 5 年吉林大学高延龄教授等对某款国 产长头厢式货车加装导流罩进行了风洞试验和相关的道路试验，并分析了对整车 气动特性效果的影响h 剀。杜广生教授对厢式货车几种减阻附加装置进行了探讨， 并对s t y e r 9 9 1 邮政车加装不同样式的导流罩进行了风洞试验研究，得到了大量 有实际意义的实验数据h 3 4 利。 进入2 l 世纪以来，随着计算技术的迅猛发展，国内汽车空气动力学对减阻的 研究更为细致、深入。 湖南大学谷正气教授学术团队对乘用车的减阻方面做了比较深入、系统的研 究h 5 4 引。2 0 0 7 年，与上汽通用五菱合作，开展了某m p v 汽车的空气动力学设计 及模型风洞试验，为该车型的开发提供了重要依据；2 0 0 8 年完成了上海泛亚汽车 技术中心开发的某三款轿车的风洞试验，并合作提出了其中一款轿车的降阻方案。 同年年底，在湖南大学h d 2 风洞对某m p v 汽车做了比较全面的风洞试验。 山东大学杜广生教授学术团队对厢式 货车附加装置做了进一步的研究，其中对 导流罩的研究更为细致，考虑导流罩的高 度及导流罩与箱体的距离等参数对整车气 动阻力的影响。同时，提出了种新的附 加装置一井字形格栅，如图1 8 所示，在 风洞试验中，通过调整并字形格栅的具体 位置，最佳的减阻效果可达2 8 7 h 9 5 3 1 。 吉林大学傅立敏教授学术团队对厢式 图1 8 井字形格栅示意图 货车的导流罩以及驾驶室与车厢的间距做了大量的研究。分析了加装导流罩后货 车车身周围外流场的流场特性和气动特性，并分析了驾驶室间距对气动阻力的影 响5 引。 江苏大学吴志刚教授学术团队对大后壁车辆尾部加装导流装置，结果表明， 通过不同的角度和长度的组合，最大可使气动阻力降幅达2 0 哺卜5 8 1 。 华中科技大学金国栋教授学术团队对厢式货车的一系列附加装置进行了研 究。考虑了加装导流罩，箱体侧裙以及驾驶室与箱体之间的隔板对整车气动阻力 的影响隋9 6 训。 集装箱运输货车气动附加装置的优化研究 长沙理工大学欧阳鸿武教授对e q l 0 9 2 型厢式货车通过加装附加装置对该车 在风洞中进行减阻研究。研究表明，通过加装前阻风板以及底部平整化处理可使 该车气动阻力系数最多降低1 1 9 哺。 总的来说，国内在研究厢式货车附加装置时，导流罩参数对整车气动阻力的 影响讨论不够深入，未引入任何系统性的理论对导流罩参数进行优化。同时，减 少侧风环境下对气动阻力影响的附加装置还未涉及，而这些正是笔者本文研究工 作的重点。 1 3 汽车空气动力学的主要研究方法 汽车空气动力学的研究方法主要有两种：实验法和数值计算法。 1 3 1 汽车空气动力学实验法 实验法是研究汽车空气动力学的重要方法。由于绕汽车周围的流场极其复杂， 空气动力学的研究总是离不开实验，它主要通过实验揭示出流动的本质，验证空 气动力学理论分析和计算结果。汽车空气动力学实验的基本方法有： 1 风洞实验法 汽车风洞实验法包括模型风洞实验法和实车风洞实验法。其中模型风洞实验 法是汽车比例模型( 模型比例为3 ：8 、1 ：5 、1 ：4 、1 ：1 0 或全尺寸1 ：1 ) 在风洞中 进行空气动力学实验。实验时模型一般不动，使空气流经模型，只要满足必要的 相似条件，这与实车在静止空气中运行具有相同的物理规律。实车风洞实验法是 用实车在风洞中进行实验。在实车风洞中用传动皮带模拟地面效应；或在实车风 洞中设置实验台，汽车处于行驶状态，同时模拟汽车的内、外流场。如采用全天 候实车风洞，就可以模拟各种自然条件，如下雨、结冰、温度、湿度、风力等的 变化6 2 6 引。 2 实车道路实验法 用实车在道路上实验，包括实车气动阻力测定，实车流态显示等实验，还有 用侧风发生器进行侧风稳定性实验等等哺利。 1 3 2 汽车空气动力学数值计算法 汽车空气动力学数值计算法包括理论流体力学方法和计算流体力学方法。 1 理论流体力学方法 理论流体力学方法的任务在于探索流体运动的物理规律，建立描述流动规律 的严密完备的连续介质数学模型，并在某些假定条件下寻求封闭形式的解析解。 从1 6 8 7 年牛顿定律公布以来，理论工作者在研究流体运动基本规律的基础上，提 出了各种简化流动模型，给出了一系列解析解和数值方法。这些研究成果推动了 硕l ：学位论文 流体动力学的发展，奠定了今天流体力学的基础。很多方法仍在目前解决实际问 题中采用。然而，仅采用这些方法研究复杂非线性流体运动规律是不够的。它已 不能满足2 0 世纪5 0 年代开始高速发展起来的近代科学技术的要求阳钔。 2 计算流体力学 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf 1 u i dd y n a m i c ，简称c f d ) ，是在经典力学、数 值计算方法和计算机技术的基础上建立起来的新型学科。近几十年来，随着计算 机技术与湍流理论的发展，使得c f d 在研究和实际应用方面都取得了巨大的进 展，人们越来越多的把c f d 应用到了汽车的设计之中。 c f d 是利用计算机，通过对流动控制方程的数值求解，达到对汽车流场特性 以及汽车气动性能研究的目的。通过计算汽车周围的气流，将结果可视化显示， 可以看到流场的各种细节，进而分析流动的分离、表面压力分布、受力大小等。 与风洞实验相比，其有以下特点哺6 6 引： 1 ) 数值模拟方法设计周期短。车身造型设计在计算机中完成以后，提取已有 的车身表面数据，在c f d 软件中生成表面网格，再生成计算网格，就可以添加边 界条件进行数值计算。它不需要设计加工风洞实验模型。对于车身造型设计前期 的很多改动，能快捷的加以再计算和再验证。 2 ) 有利于c a d c a e c a m 系统相衔接。采用数值模拟方法计算汽车空气动 力学特性也使得汽车设计、性能评价、生产一体化成为可能。可以通过改变汽车 三维模型，进行汽车美学造型，得出最佳的汽车外形，进行空气动力学特性分析， 得到理想气动特性，并由计算机控制生产线加工，直到产品组装出厂。 3 ) 数值模拟不受风洞那样的限制( 如洞壁干扰和风洞试验段的阻塞效应等) ， 计算机则可将计算空间做得很大，以清除这些影响。此外，不像实验那样受湍流、 风速、风向、雷诺数等的影响和限制，还可避免风洞实验时的支架干扰、模型弹 性变形等技术问题以及道路实验条件、交通状况的影响。另外，汽车地面的相对 运动，车轮旋转等的模拟在计算机上也比在风洞中容易实现。还可以研究不可能 进行实验的场合，如汽车同向近距离行驶及对开时的气动干扰问题。 4 ) 数值模拟方法在某种意义上比理论和实验对流体的运动过程认识的更深 刻，更为细致。不仅可以了解气流运动的结果，而且还可以了解整体与局部的细 致过程，能得到一些实验手段所得不到的理解和认识。 但采用数值计算方法由于计算机的容量、运算速度的限制以及目前尚未完全 被认识的物理知识的影响，如没有完全搞清楚湍流等气流流动状态特性，对有些 问题还没有普遍适用的数学模型，使得数值方法的预测能力有限。因此数值计算 不能完全替代实验，数值计算的结果必须经过实验验证，才能投入工程应用。 9 集装箱运输货车气动附加装置的优化研究 1 4 本文研究内容 风洞实验和道路实验对于集装箱货车加装附加装置分析研究耗费成本较高。 因此本文采用c f d 方法对集装箱运输货车的外流场进行计算模拟，获得了车身周 围流场的流速、压力等参数，进而求出气动阻力系数，分析了气动阻力系数变化 原因，并通过加装导流罩和涡流扰流装置对该车气动阻力进行优化和改进。具体 来讲，本文主要研究内容有如下几个方面： 1 空气动力学特性将直接影响到汽车动力性、燃油经济性、操纵稳定性和安 全性等方面。本文对其进行了研究，并分析了其对燃油经济性的影响，总结了货 车降低气动阻力，提高燃油经济性的改进措施。 2 介绍了计算模拟方法中的基本控制方程组，包括连续方程和动量方程。对 计算中所采用的湍流模型、壁面函数作以及控制方程的离散方法和离散格式作了 简要说明。 3 建立某集装箱运输货车外形三维c a d 模型，然后运用计算机仿真软件对集 装箱货车的绕流流场做数值模拟，详细分析集装箱货车的绕流特性以及气动阻力 产生机理，为集装箱货车的减阻提供理论依据。 4 基于响应面模型的基础上，对导流罩的五个结构参数进行优化设计，分析 出对整车气动阻力较为敏感的结构参数，结合某款商用导流罩，进行优化。计算 结果对于提升集装箱货车气动阻力特性水平、降低整车燃油消耗具有实际指导意 义。 5 讨论三种数值模拟侧风环境下行驶工况，并与风洞标模的试验结果进行对 比，得出一种在侧风环境中数值模拟精度较高的模拟方法。 6 基于前述计算和分析原车型气动阻力特性的基础上，加装涡流扰流装置， 并改变扰流片之间的间距及扰流片高度，对侧风下集装箱货车行驶时的气动阻力 有所降低，提升了货车的复杂环境下行驶的燃油经济性。 1 5 本章小结 本章对空气动力学在汽车工业中的重要性作了简要描述，结合国内外汽车减 阻研究历史与现状，提出了本文研究工作的目的、意义和方法，最后对本文的研 究内容作了简要介绍。 l o 硕士学位论文 第2 章汽车空气动力学特性 汽车空气动力学特性是汽车的重要特性之一，它是指汽车在流场中所受到 的以气动阻力为主的包括气动升力、气动侧力的三个气动力及其相应的力矩的作 用而产生的车身外部和内部的气流特性、侧风稳定性、气动噪声特性、泥土及灰 尘的附着和上卷、刮水器上浮以及发动机舱冷却、驾驶室内通风、空气调节等特 性，它对汽车的动力性、燃油经济性以及操纵稳定性有重要的影响。本章主要讨 论汽车所受到的各种气动力，流体阻力产生的理论，汽车绕流的特性，气动阻力 对燃油经济性影响以及目前厢式货车常用的减阻附加装置，为集装箱运输货车通 过加装附加装置减阻提供理论依据。 2 1 汽车气动特性的研究内容 2 1 1 气动力和力矩 作用于运动汽车上的气动力和力矩( 图2 1 ) ，分为相互垂直的三个分力和绕 轴的力矩。图2 1 所示坐标系中，x 、y 轴表示路面。在对称流( 横摆角= o ) 时， 阻力e 和升力只同时存在，另外还有纵倾力矩m 。( 对z 轴) ，三个分量f 、e 、 m ，完全决定了产生气动力的矢量。已知的重心位置，常被作为纵倾力矩的参考点。 在有侧风的情况下，汽车扰流是一个不对称的流场。这种情况下，除上述力和力 矩外，汽车还受到侧向力f ，的作用。另外，它还受到绕纵向轴( x 轴) 的侧向力 矩鸠及绕垂直轴( j ，轴) 的横摆力矩丝的作用。因此由六分量c 、只、e 和收、 m m ，决定了总的气动力矢量。 y 巳 图2 1 汽车气动力和气动力矩 图2 1 中各参数的物理意义： 一一合成气流相对速度，屹= v f 2 + v s 2 ； 集装箱运输货车气动附加装置的优化研究 一一纵向气流相对速度； 峭一一侧向气流相对速度( 侧风速度) ； 夕一一横摆角，= a r c t g ( v s v f ) ； e 一一车身纵向气动阻力( x 轴方向) ； e 一一车身气动侧力( z 轴方向) ； e 一一车身垂直方向的气动升力( y 轴方向) ； 收一一侧倾力矩( 绕x 轴) ； m 。一一纵倾力矩( 绕z 轴) ； 尬一一横摆力矩( 绕y 轴) ； 汽车的气动力、力矩和正面投影面积a 、气流动压g = 去p 记a 、轴距a 的关系 如表2 1 所示。 表2 1气动力和力矩及其系数 力和力矩系数 横摆角= o 时车身气动阻力e 气动升力c 垂直于车身对称面的气动侧力弓 绕工轴的气动纵倾力矩职 绕y 轴的气动横摆力矩鸭 绕z 轴的气动侧倾力矩必 阻力系数c 。= 衫吉a 升力系数c 。= 衫丢以a 侧力系数c 。= 衫丢a 纵倾力矩系数c 。= m 三a a 侧倾力矩系数c 。= m 以a a 横摆力矩系数c 。= m l 圭a a 本篇论文中术语采用国际通用术语，亦即气动阻力系数c d 、侧向力系数c ” 升力系数c 。、横摆力矩系数c m 、纵倾力矩系数c ，m 和侧倾力矩系数c r m 。所有这 些气动力系数都取决于气流动压以2 和最大横截面积( 即汽车正面投影面积a ) 及三个力矩的特征长度轴距口。 2 1 2 车身表面压力分布 图2 2 为某货车的车身表面压力分布图。车身表面的压力系数用q 表示 c p - 嚣 q 1 ) i 成 硕士学位论文 式中：p 一车身表面压力； 风一大气压力。 气动力的本质来自于气流的粘性，绕流作用在车身表面，产生了压力场和切 应力场，如果当地的逆压梯度超过了一定的陡度，则造成气流从车身表面分离。 当气流分离时，产生的压力与无粘流不同，随着产生的边界层厚度的增加，切应 力减小，直至分离点减至零。对表面的压力和切应力进行积分就可以得到汽车的 气动力。 车身表面的压力分布不仅直接关系到气动阻力、气动升力、气动侧力等气动 力，另外还与车内、外的污秽、采暖通风以及空调系统、发动机散热器的冷却效 果、雨中行车的密封性、风噪声等有密切的关系。通常可根据车身表面的压力分 布状况进行局部优化降低正压区正压、提高负压区负压达到降低气动阻力，提高 燃油经济性；增加负升力提高操纵稳定性的目的。另外还可以确定出与驾驶室内 通风进气发动机冷却相关的空气流的进、出口的位置，并推算其通风量，以改善 通风和冷却性能，并防止尘埃浸入。压力系数取决于车身细部形状，对于一般货 车而言，车头、驾驶室、厢体迎风面都是正压区；对于发动机罩、厢体顶部以及厢 体尾部为负压区。 2 2 汽车的阻力特性 气动阻力直接影响汽车的动力性和燃油经济性。随着石油这一不可再生能源 的濒临枯竭，汽车的高速化以及公路运输比重的日益增加，减少气动阻力日益显 得重要。在汽车的气动六分力中，气动阻力的构成和影响因素最复杂，它可分为 外部阻力和内部阻力。外部阻力主要包括压差阻力、摩擦阻力、诱导阻力和干涉 阻力。内部阻力主要是指内流阻力。 2 2 1 压差阻力 车身前部由于气流受到阻滞而产生压