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卡车-拖车组合驾驶室顶部导流罩和侧导流罩的空气动力学效应
Helena Martini
摘要：现在，常用的重型卡车都装有各种各样的减阻装置，例如顶部导流罩，侧导流罩和底盘整流罩。这些装置通常被证明是有效的，降低了车辆的总空气动力阻力。但是减阻装置对于特定的牵引车辆通常是相同的，与车辆组合的布局无关。
在这个研究中，分析了三种载体组合。 车辆总长度在10.10米至25.25米之间。 这些组合由刚性卡车与一个或两个货物单元组合而成。货物单元之间的间隙尺寸在车辆组合之间不同。每种车辆组合还有三种配置，顶部导流罩和驾驶室侧导流罩的组合不同，总共有九种配置。
这项调查的目的是确定顶部导流罩和驾驶室侧导流罩作为车辆组合类型的函数的空气动力学效果。函数重要因素是车辆组合的总长度以及下游减阻装置的影响。这项研究使用计算流体动力学（CFD）进行。
研究结果表明，所分析的两种减阻装置的效果不同取决于车辆组合的类型。 已经确定，顶部导流罩和驾驶室侧导流罩总是能够有效地减小0°偏航和5°偏航时的阻力，但是组合之间的减阻幅度不同。对于包括第一货物单元在内的卡车，减阻装置减阻效果最好;减阻装置对第二货物单元的影响较小。空气动力学阻力的降低正在减少，所以改善车辆其余部分的空气动力学设计以保持减阻装置的效果非常重要。
引言
环境争论是众所周知的事情。对于车辆工业而言，意味着必须开发用于车辆动力的新策略并且必须改进现有技术。主要重点是尽量减少燃料消耗和排放水平，以满足越来越严格的法律要求。空气动力学阻力是许多重要因素之一，它们共同决定了车辆的总行驶阻力。改善车辆的空气动力学特性是降低阻力并因此改善燃料消耗的一种方式。 卡车运输是当今运输系统的重要组成部分。 欧盟（EU）超过70％的商品由卡车运输[1]。在较高速度下，空气动力学阻力构成总驱动阻力的重要部分，因为它随着速度的平方而增加。超过80km / h时，空气动力阻力对总驱动阻力的影响大于滚动阻力[2]。对于以90km / h的速度运行的长途卡车，通过改善空气动力学性能可以实现显着的燃料节省。
目前市场上存在许多用于卡车的减阻装置。其中两个是顶部导流罩和驾驶室侧导流罩。顶部导流罩是一种装置，其引导从驾驶室顶部到拖车车顶的流动，以避免由于空气撞击拖车的前面而导致的大量能量损失。根据Hucho[3]的说法，当导流罩安装在驾驶室上时，阻力系数（CD）值可减少17％。驾驶室侧导流罩仅仅是驾驶室的延伸部分，用于避免由于穿过驾驶室和拖车之间的间隙的交叉流而发生分离区域。如果以适当的方式使用，不同的减阻装置的效果已被证明在若干研究[4,5,6,7,8]中是令人满意的。 Castellucci和Salari[8]研究了牵引车 -挂车间隙流量以及驾驶室侧导流罩对不同尺寸的牵引车-挂车间隙的影响。结果发现，对于雷诺数为700万的驾驶室侧导流罩，可以减少2.8％的阻力。拖车经历了主要减阻。
Martini，Bergqvist，Hjelm和Louml;fdahl[9]进行了一项研究，研究了不同的车辆组合，包括气动阻力，偏航依赖性和运输效率。该研究结果表明较长的车辆组合的阻力系数对偏航的风更加敏感。 两个货物单元之间的间隙大小是阻力系数的重要参数; 两个货运单位之间的大间距产生了明显更高的阻力水平。
Gilhaus，Hau，Kuuml;nstner和Potthoff[10,11]进行了几项广泛的调查，分析了不同卡车-拖车组合的空气动力学特性。比如，牵引半拖车和标准卡车在拖车高度和不同的导流罩配置方面进行了调查。
在这项研究中，分析了顶部导流罩和驾驶室侧导流罩对不同车辆组合的空气动力学效应。目的是确定这些空气动力装置的效率是否具有可比性。一个有趣的方面是在添加这些减阻装置时确定下游的影响。现在在沃尔沃卡车上，顶部导流罩和驾驶室侧导流罩对于给定的牵引车是相同的，其中一种配置用于刚性卡车，一种用于牵引车; 独立于车辆组合的拖车配置。由于当时许多卡车当时携带多个货物单元，因此这些减阻装置的性能非常重要，研究起来很有意思。
案例设置
本次研究中使用的卡车模型是平头驾驶室（COE）型Volvo FH of “Globetrotter”，该模型具有高水平的细节，发动机舱内的有发动机和冷却模块。卡车的底盘配备了底盘整流罩。
在这项研究中，考虑了三种主要的车辆组合。它们都是由带有可更换车厢的刚性卡车组成。其中两个案例也在卡车后面安装了车厢。车辆组合的总长度在10.10米到25.25米之间。总长度是整个车辆组合的长度，包括驾驶室。案例2和3通常用于长途运输，而案例1的操作范围通常较小。下面将更详细地描述这些情况。
案例1由一辆带有可换车厢的整体式车架卡车组成，总长度为10.10米。 图1显示了案例1的几何形状。
图1. 案例1：整体式车架卡车和可换车厢
案例2是一辆整体式车架卡车，带有可换车厢和安装在卡车后面的中置轴拖车。它的总长度为18.75米。 卡车和中置轴拖车之间的间隙尺寸为0.765米。 图2显示了案例2
图2. 案例2：整体式车架卡车，可换车厢和中轴拖车
案例3由可换车厢的整体式车架卡车，小车和半挂车组成。该组合的总长度为25.25米，两个货物单元之间的间隙为1.485米。 图3显示了案例3的布局。
图3. 案例3：整体式车架卡车，可换车厢，小车和半挂车
每种车辆组合也具有三种独立的配置; 一个没有顶部导流罩，也没有驾驶室侧导流罩（配置A），一个只有顶部导流罩（配置B），另一个顶部导流罩和驾驶室侧导流罩（配置C）。图4，图5，图6显示了布局不同的配置。
图4. 驾驶室没有顶部导流罩和侧导流罩，配置A
图5. 驾驶室带顶部导流罩，配置B
图6. 驾驶室带顶部导流罩和侧导流罩，配置C
在该研究中分析的所有三种车辆组合在驾驶室和第一货物单元之间具有相同尺寸的间隙，但是两个货物单元（对于情况2和3）之间的间隙的大小是变化的。 由于车辆组合的转向能力，货物单元之间的间隙尺寸不同。 间隙尺寸的概述如表1所示。
表1. 三种车辆组合的间隙尺寸
数值设置
计算流体动力学（CFD）用于获得结果。 用于CAD清洁和初始表面网格划分的软件是Beta CAE Systems的ANSA，模型被包装，重新网格化，体积网格化，最后由CD-adapco在STAR-CCM 5.06.010版本中运行。
网格
用于模拟的计算域被确定为最长的车辆组合的尺寸。域的延伸是上游组合长度的2.5倍，下游组合长度的5倍，横向车辆宽度的12倍和垂直方向上车辆高度的5倍。隧道域的大小与CD-adapco的建议相关。对于最短的车辆组合，网格在3000万个范围内，对于最长的组合，网格在5000万个范围内。车辆模型周围有四个主要的细化区域，具有不同的分辨率。对于具有两个货物单元的配置，在这些单元之间存在细化区域以解决间隙中的流动结构。前格栅的前向停滞区域通过在该区域放置细化区来解决。使用STAR-CCM 微调模型，体积网格为六面体显性。图7和图8显示了y平面中的网格分辨率的概述，其均接近并且更远离车辆模型。
图7. 靠近车辆模型的网格分辨率，显示在对称平面中。
图8.远离车辆模型的网格分辨率。 请注意，整个计算域不可视化
仿真
进行稳态雷诺-平均Navier-Stokes（RANS）模拟以获得结果。 选择可实现的k-ε双层湍流模型来模拟流场中的湍流特性。 选择该模型是因为它提供了相当大的网格灵活性。它既可以用于针对高雷诺数模型求解的网格，也可以用于使用低雷诺数模型的更细网格。对于l lt;y lt;30[12]，该模型也会产生最小的不准确性。
为了捕获流过冷却组件的空气的影响，将冷却模块组件建模为多孔介质。 模拟中使用的冷却组件的组件是增压空气冷却器（CAC），空调（AC）冷凝器和散热器。在所有仿真中，冷却风扇都是静止的。
为了实现真实的驾驶条件，分别使用移动壁和旋转壁边界条件进行模拟，移动地面和旋转轮。入口边界条件设定为速度入口，出口定义为压力出口，侧壁和顶壁使用壁滑条件。对于仿真，自由流速度为90km/h，对应于欧洲公路驾驶条件。
由于卡车-拖车组合的空气动力学特性在偏航风条件下发生显着变化[3,9,13]，因此在0°偏航和5°偏航中都进行了仿真。 对于以5°偏航角运行的模拟，计算域并将体积网格的方向旋转5°，以使自由流轴向地流入和流出计算单元。从卡车司机的角度来看，卡车的右侧是迎风面。
结果
除非另有说明，否则所有值相关的参考配置是配置A.每个车辆组合都有其独自的参考情况，即没有车顶导流罩和驾驶室侧导流罩的情况：1A，2A和3A。
还应该强调的是，所提供的结果对于特定的卡车-拖车组合是有效的，具有在该研究中处理的顶部导流罩和驾驶室侧导流罩的特定设计和角度调整。
顶部导流罩和侧导流罩的效率
调查结果表明，顶部导流罩和驾驶室侧导流罩的效率根据考虑的车辆组合而不同。 此外，分析的减阻装置对车辆组合的影响根据风的偏航角而不同。 然而，所有仿真中都证实，引入顶部导流罩和驾驶室侧导流罩降低了空气动力学阻力。 车辆组合之间的不同之处在于减阻的幅度。
对于每种车辆组合，可以看到顶部导流罩和驾驶室侧导流罩的增加是有利的; 当两个装置都存在时，空气动力学阻力进一步降低。图9显示了与参考情况相比0°偏航的阻力系数的差异。
图9.相对于配置A的阻力系数的差异，0°偏航
根据模拟结果在0°偏航角下运行; 对于最短的车辆组合，驾驶室侧导流罩和顶部导流罩的效果更大。对于0°偏航条件，顶部导流罩和驾驶室侧导流罩的减阻幅度并未显示与顶部导流罩相同的趋势。尽管如此，最短的车辆组合在阻力方面获得最多，但案例2和案例3的顺序相反。
在较长的车辆组合的偏航条件下，分析的减阻装置的变得更重要。具有两个货物单元的组合的减阻效果与整体式车架卡车大致相同或更大。最长的车辆组合为案例3， 5°偏航; 在减少阻力方最多的组合。 图10显示了与5°偏航时的参考配置相比的阻力系数的差异。
图10.相对于配置A，5°偏航的阻力系数的差异
结果发现，案例3C顶部导流罩和驾驶室侧导流罩的最长车辆组合在5°偏航条件下表现出最大的绝对减阻效果。对该发现的解释可能是由于其长度和设计，该组合在偏航条件下经受非常大的分离区域，当添加减阻装置时，与情况1C相比，这些组合的延伸将更加显着地减小。
总阻力系数的绝对值在不同的车辆组合之间显着不同;如果研究每种载体组合的CD百分比与参考案例差异，很显然，对于最短的载体组合，CD的改善百分比通常较大。
累计阻力
当将顶部导流罩和驾驶室侧导流罩添加到车辆组合中时，在驾驶室上可以看到显着的阻力累积。然而，在第一货物单元处恢复了阻力的增加，并且与没有顶部导流罩或驾驶室侧导流罩的配置相比，所产生的力实际上是减小的。该效果对于本研究中处理的所有配置均有效。图11，图12，图13分别示出了在0°偏航时情况1-3的归一化累积阻力。图中的值用对于产生最小阻力的车辆组合的阻力系数的结果值进行归一化，即情况1C。
图11.案例1的归一化累积阻力，0°偏航。
图12.情况2的归一化累积阻力，0°偏航
图13.案例3的归一化累积阻力，0°偏航
对于车辆组合来说，沿车辆的阻力累积非常相似。结果显示，在驾驶室的后部与第一货物单元的前面之间的区域中获得了大部分阻力，该区域也在两个减阻装置操作的区域中。事实上，阻力减小的幅度朝着组合的后部减小。这意味着与没有这些装置的配置相比，驾驶室侧导流罩和顶部导流罩的效果降低了。这些设备主要在本地运行，并且可能受益于车辆其余部分的更优化形状以保持积极的效果。
案例2和案例3的两个货物单元之间的差距有一个有趣的影响，分别见图12和图13。对于案例2，在第一货物单元的后缘处增加了阻力，而在第二货物单元的前缘处回收了阻力。这可能表明第二货物单元前面的压力低于案例2的周围压力。但是，对于案例3来说，第二货物单元的前面没有阻力恢复，这可能表明压力正面水平高于周围压力。案例2和案例3之间的趋势差异可以通过货物单位之间的间隙大小来解释; 与案例2相比，案例3的间隙几乎是间隙尺寸的两倍，因此更多的空气将流入间隙并撞击前面，从而导致更大的力作用在该表面上。
图14显示了案例1B和1C与0°偏航情况下的案例1A相比累积阻力的差异。类似地，图15和图16分别显示了案例2和3的累积阻力差异。
图14.与案例1A相比，案例1B和1C的累积阻力差异，0°偏航。 请注意，整个累积曲线不可视; 仅示出了来自第一货物单元和更下游的部分
图14中的结果显示，在2.2米之后稍微到达第一货物单元后，累积曲线相当恒定，与参考配置相比，阻力没有显着的进一步增加或减少。甚至对于较长的车辆组合也看到了相同的趋势，直到货物单元之间的间隙。在此之后，结果更难以解释，趋势也略有不同。对于具有两个货物单元的车辆组合，案例2和3，似乎货物单元之间的间隙改变了与相应参考情况相比的流场。这种效果在案例3中尤其明显，从图16中可以看出，顶部导流罩和驾驶室侧导流罩的减阻效果在达到单元之间的间隙后显着减小。从图15中还可以看出，第二间隙的影响取决
资料编号：[3933]
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