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新能源重卡车头导流罩结构优化分析

风阻就是风的阻力。一般车辆在前进时,所受到风的阻力大致来自前方,除非侧面风速特别大,不然不会对车辆产生太大影响。风阻对汽车性能的影响甚大,根据测试当一辆轿车以80公里/时前进时,有60%的耗油是用来克服风阻的[1]。
前言
风阻就是风的阻力。一般车辆在前进时,所受到风的阻力大致来自前方,除非侧面风速特别大,不然不会对车辆产生太大影响。风阻对汽车性能的影响甚大,根据测试当一辆轿车以80公里/时前进时,有60%的耗油是用来克服风阻的[1]。
汽车风阻系数与安全性与风阻有关的气动力学特性方面,车身设计除了必须符合流线型,还要兼顾底盘顺畅的空气流动,风阻系数对于车辆的稳定性和安全性有密不可分的关系[1]。流线型的车身是最理想的气动力学结构,可以减少纵向空气阻力,降低油耗,还可以减轻侧风对汽车的影响,尤其是在汽车高速行驶状态下,可以产生强大的向下空气压力,确保了汽车的高速稳定性和安全性[2]。重庆工业职业技术学院的唐鹏综述了目前国内CFD技术(计算流体动力学)的发展情况及基于CFD技术的汽车整车设计应用方向的分析[3],重庆长安汽车股份有限公司汽车研究总院的王俊等人采用CFD方法进行了某车身风阻分析和优化[4],潍柴动力上海研发中心的余浪用Power FLOW对某重型卡车驾驶室展开外流场模拟分析,对外流场影响较大的8个设计参数进行DOE优化,得出既符合工程设计要求,最终整车外流场风阻系数Cd<0.540[5],但目前尚未有关于长头型重卡的车头进行风阻分析的文献。
本文采用专业的计算流体动力学(CFD)分析软件SolidWorks Flow Simulation对一汽解放柳州特种汽车有限公司的一款长头型重卡车车头进行风阻优化,首先设计了三种车头设:(1)项目1:无导流罩;(2)项目2:旧式导流罩;(3)项目3:新型导流罩(将项目2的导流罩前置500mm),详见图1;再对三个项目进行外流场分析,最终将整车的外流场风阻系数Cd由项目1的0.784降低至项目2的0.689,再降低至项目3的0.571。
1 数值模拟前提及模型简化
1.1  数值模拟前提
本数值模拟基于开放状态下的CFD湍流模型,分析对象是计算域内的车体周围的空气流体。为了简化问题,设置选用标准κ-ε两方程模式计算,并对计算对象作如下假设:(1)固体区与流体区物性参数均设为常数;(2)流动为定常流动中的湍流;(3)将车厢部分剪短,以节约计算域大小及网格数量;(4)忽略流体温度的影响。
1.2简化模型创建

卡车的真实模型十分复杂,为了方便对模型进行前处理,加快计算速度,减小计算机的资源消耗,需要对整车外形简化处理:1.对表面的小圆角进行了去除处理、小尖角进行平滑处理;2.对车头进行封闭处理;3.对于车厢进行减小长度处理等。处理结果如下图所示:为了方便对模型进行前处理,加快计算速度,减小计算机的资源消耗,需要对整车外形简化处理:1.对表面的小圆角进行了去除处理、小尖角进行平滑处理;2.对车头进行封闭处理;3.对于车厢进行减小长度处理等。处理结果如图1所示。

新能源

各主要部位名称如下:1-驾驶室;2-前保险杠;3-遮阳板;4-导流罩;5-车厢。
其中:1-4又可合称为车头,5可简称为车厢。
图1车体模型简化


2 前处理
2.1 风阻系数定义及边界条件设置
风阻系数的定义式:
式中,  是风速方向上作用在实体上的气动阻力,S为实体正面投影面积,ρ是空气密度,U为车速。
将空气为不可压缩气体,选用基于压力的求解器;选用隐式迭代算法;选用k-e模型作为湍流模型;选用一阶离散格式;压力-速度耦合算法选用SIMPLE算法。计算边界条件如下:
入口边界:入口速度30m/s(考虑到车速在100km/h情况下,约为27m/s,按黄贵东老师,其也设入口速度为30m/s);
出口边界:压力出口边界;
地面、顶面、侧面:设为壁面边界[6-15]。
2.2 网格划分及求解

因结构相对复杂,取消“自动设置”选项,将“细小固体特征细化级别”设为3级,“细化流体网格”设为2级,启用狭长通道细化,其中网格数目为6,细化级别为4级。因结构相同,在相同的设置下,3个项目划分的网格数相近,网格总数为接近500万个结构化网格,详见表2。本分析采用8核处理器+16G内存专业析工作站计算。从CPU计算时间和迭代次数可观察:虽然项目1的网格数量最少,但项目1的计算时间和迭代次数远远大于项目2和项目3,由此,可推测软件在计算项目2和项目3比较流畅。

表1计算情况


3 结果分析

3.1 车体表面压力云图

图2车体表面压力云图

图2是三个项目车体表面压力的云图,其中(a1)与(a2)、(b1)与(b2)、(c1)与(c2)仅级别数不同(注:级别数指生成云图时的层次,层次高,则不同数值间过渡流畅,但不方便设计洞察,层次低,过渡虽不流畅,但有利于设计洞察,各有利弊)。对比三个项目,若仅从颜色区别,仅能判断出项目3车厢受到的红色高压的范围较小,但无法准确确定具体哪个项目受到的整体压力最小。可对玻璃窗、引擎盖、车厢正面三个位置要表面压力参数提取,详见表2,通过压力数据对比,可发现到导流罩的增加,对降低车厢的受压,起到积极的作用。

表2表面压力分布


由表2可知,对比三个项目,玻璃窗的表面受压分别是:项目1(101843.50Pa)>项目2(101785.09Pa)>项目3(101768.05Pa),引擎盖的表面受压分别是:项目2(101562.57Pa)>项目3(101557.04Pa)>项目1(101399.10Pa),车厢正面的表面受压分别是:项目1(101485.08Pa)>项目2(101404.37Pa)>项目3(101389.76Pa),而三个部位的表面总压力由大到小依次是:项目2(304752Pa)>项目1(304727.7Pa)>项目3(304714.9Pa)。一般情况下,玻璃窗的位置是车头最薄弱的部位,因此,项目3中导流罩前置后,玻璃窗正面受压相对项目1下降了75.45 Pa,相对项目2下降了58.41Pa,虽然引擎盖部位的表面压力有所升高,这正可说明导流罩将迎风压力从玻璃窗处分流至其他地方,以减轻薄弱部位(玻璃窗)处的压力,综合观察,项目3是最佳的设计。
3.2 流场速度云图(取中面)


注:1-红色高速区; 2-蓝色低速区,图中画圈处为高速区和低速区的分离处,可观察到(a)和(b)的车头和车厢两个高速区是分离的,

而(c)的车头和车厢的两个高速区融合了。
图3车体中面流场速度云图

图3是车体在流场中的速度分布云图(取中面),对比三个项目,可清晰观察到:项目1和项目2在车头与车厢之间形成的两个高速区组成的流线区是分离的,而项目3的两个高速区组成的流线区几乎是融合的。另外,云图的颜色从蓝至红,表示空气流速不断增高,因此红色区为高速区,而蓝色区为低速区,速度发生骤变的区域称为分离区。从图可看到,车头上方形成的气流高低速分离区的形状,无导流罩时,驾驶室上方的流体流线轨迹形成明显的高速与低速的分离带,项目2导流罩由于没有完全占据高速与低速的分离带,仍不符合流线轨迹,因此项目2的两个高速区仍是分离状态,项目3导流罩几乎完全占据了高速与低速的分离带,外形从设计上也几乎符合了流线轨迹,因此,项目3的两个高速区几乎融合在一起。

3.3汽车流线图(3D)


图4车体流场速度流线图

图4是车体在流场中的速度3D流线图,此图还可用动画展示三维上的重型卡车迎风运动状态,但3D流线图目前无法得到有直接参考价值的信息。
3.4 风阻计算
汽车在运动中受的风阻,主要有两个参数:1.风阻系数;2.迎风阻力。其中,风阻系数的定义式为:  式中,  是风速方向上作用在实体上的气动阻力,即迎风阻力,S为实体正面投影面积,ρ是空气密度,U为车速[16-22]。
经迭代计算,可得到图5,图6和表2。其中图5是三个项目车头的风阻系数,图6为三个项目车头的迎风阻力。结合两图,可观察到,项目1的迭代曲线波动很大,这是因为在无导流罩的情况下,风阻系数及迎风阻力都不易达到稳定计算。加了导流罩后,计算相对稳定了。

注:表2中项目1的风阻力和风阻系数为从迭代1000-1500次之间取平均值,项目2的风阻力和风阻系数为从迭代200-454次之间取平均值,

项目3因收敛好,曲线在收敛前一直呈下降趋势,取最后5次迭代取平均值,依据均由图5、图6由稳定计算数据中取得。

图5风阻系数对比

图6 风阻力对比

4 结论
针对一汽柳特的一款长头型重卡车的三种车头进行CFD流体分析,结果如下:
(1)三个项目玻璃窗的表面受压分别是:项目1(101843.50Pa)>项目2(101785.09Pa)>项目3(101768.05Pa),可见项目3的导流罩最有利于保护车头最脆弱的玻璃窗。
(2)三个项目的迎风阻力依次由2358N(项目1)降低至2111N(项目2),再降低至1761N(项目3),可知项目3的迎风阻力是三者最低的。
(3)三个项目的风阻系数依次由0.784(项目1)降低至0.689(项目2),再降低至0.571(项目3),可知项目3的风阻系数是三者最低的。
综合来看,项目3将导流罩前置是三者中的最佳结构设计,有利于将风阻降为最低。

[基金项目]  2016年广西中青年教师基础能力提升项目(编号:KY2016Y640,项目名称:新长头重卡整车气体流动 分析降阻降油耗研究)
作者简介:陈璟(1984—),女,汉族,广西柳州人,材料加工工程专业硕士,讲师,主要从事流体分析CFD、模具  优化设计等研究,电话:18977224712

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(陈璟1   邓宁2  林贝清3   周金卿4)
(1 柳州职业技术学院  机电工程学院,广西  柳州  545005;)
(2 柳州城市职业学院  机电与汽车工程系,广西  柳州  545036;)
(3 一汽解放柳州特种汽车有限公司技术发展部,广西 柳州545006;)
(4  柳州市豪杰特化工机械有限责任公司技术中心,广西 柳州  545005)

稿件来源:中国电池网  
[ 作者:陈璟,邓宁,林贝清,周金卿 ] [ 查看:418 ]  [ 搜索 ]  [ 加入收藏 ]  [ 告诉好友
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