集装箱货车驾驶室与车厢间隙尺寸的研究(附件)
减少集装箱货车行驶过程中受到的空气阻力可有效降低车辆功耗。本文基于商业Fluent中RNGk-ε紊流模型对集装箱货车周围湍流流场进行了CFD数值模拟,探讨了厢式货车车头与车厢的间距对气动特性的影响。针对货车不同部位的压力分布和速度流场分析得出结论:对于原型货车模型, 车头与车厢之间的间距存在一个最佳值使厢式货车具有最好的气动特性。
关键字 集装箱货车，驾驶室与车厢间距，气动减阻，数值模拟
目 录
1 绪论1
1.1 研究背景和意义1
1.2 国内外研究现状1
1.3研究方法2
1.4研究内容 3
2 厢式货车数值模拟3
2.1计算模型 3
2.2计算区域和网格划分 4
2.3边界条件及流体介质参数设定 5
2.4不同参数工况下所得图像分布 5
3 压差阻力理论应用 13
3.1压差阻力原理13
3.2压力分布数据处理及分析14
3.2.1压力简单估算的具体方法14
3.2.2不同工况所得压力数据及处理14
3.2.3 六种工况下的压差对比及分析18
4 流场特性分析 18
4.1不同工况下的矢量分布图18
4.2流场产生原理19
4.3 不同工况下的流场特性分析 19
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 绪论
1．1 研究背景和意义
随着我国经济的快速发展，高等级公路的建设越来越多， 截止2012年底，我国高速公路由十五期末的4.1万公里发展到9.6万公里，已经超越了美国的9.2万公里， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
居世界第一。据统计，截至2013年12月下旬，中国当年新增高速公路里程8268公里，我国高速公路总里程已达104468公里。高等级公路的迅猛发展为载货汽车行业提供了巨大的发展机遇，货车行驶速度也越来越快。
汽车工业发展面临着很大的挑战。石油价格不断攀升，国际油价早已突破100美元/桶，高昂的燃料费用，直接地提高了运输成本，这对于汽车运输业来说是一个巨大的压力。因此，降低载货汽车的阻力，节省燃料消耗是未来载货汽车的发展方向之一[1]。
由于高速公路的增多和汽车技术的发展，汽车行驶的速度越来越快，随着车速增大，汽车所受的气动阻力也会增加。当速度较低时气动阻力对功率的影响并不显著;当速度达到80km/h时，克服气动阻力的能耗占总能耗的一半;当车速为112 km/h时，该部分能耗已经达到65%[2]左右。研究表明:当车速超过70km/h时，气动阻力是影响汽车性能的主要因素之一。
相对轿车而言，载货汽车具有较大的气动阻力，而集装箱货车作为货车的主体，由于其较大的迎风面积，在高速行驶时，所受的空气阻力会更大。对于中型集装箱货车而言，当车速在100km/h时，其气动阻力约为行驶阻力的75%-80%[3]。一般货车的空气阻力系数Cd一般为0.608，实验表明，空气阻力降低10%燃油可以减少7%左右。按照货车百公里油耗平均值16L计，货车一年平均里程10万公里，我国货车保有量约为一千万辆，这样算来，一年下来可以节省燃油112亿升，由此可见通过对货车空气动力性研究，减小其空气阻力系数，有着非常现实而重要的意义。
1．2 国内外研究现状
目前集装箱货车在人们的生活中己经占有相当重要的地位，特别是从发达国家的货物运输情况看，公路运输占整个运输量的90%，其车型90%以上是集装箱货车。所以集装箱货车的设计和研究得到了更多货车厂家的重视。由于运输特殊物质的需要，集装箱货车的外形基本确定，设计过程中选择最佳气动外型变得非常困难，仅靠货厢基本外形的优化设计很难大幅度改善其气动特性。
目前，国际上对集装箱货车的研究主要集中在针对不同车型进行空气动力许附加装置的设计和车型局部优化上。根据集装箱货车表面的气动特性分析，针对产生气动阻力的主要因素，在集装箱货车表面的相应部位安装一定的空气动力学附加装置是比较可行的减阻节能措施。这些附加装置有车顶、导流罩、涡流稳定器、前部扰流器、底部填充护板和侧裙等等，各种附加装置的安装部位，减阻机理[4]。
还有很多方法能降低集装箱货车的气动阻力，比如挂车前斜体、挂车气流罩，其中的一部分己经得到了广泛应用，但大部分还处在研究阶段。降低气动阻力可以添加各种空气动力学附加装置，但需要特别引起注意的是，各种空气动力学附加装置都能使集装箱货车的阻力减小，而其综合效果受到各种复杂因素的制约，所以气动阻力的减小并不是各种空气动力学附加装置的简单叠加。我们必须综合考虑，设计出最佳的气动外形，来减小气动阻力，进而达到降低油耗的目的。
1951年，德国米勒提出集装箱车前端半径与车宽比值为0.045时，就足以满足使边角后的流动保持不分离。这一时期人们主要是通过风洞实验对货车基本模型进行研究，得到一个普适的结果。日本五十铃公司针对不同型号的载货汽车进行了大量的实验研究工作，通过在汽车不同部位加装附加装置获得了较好的减阻效果，并研究了集装箱货车的概念车型，其气动阻力系数降低到了0.35水平，比现行的一些轿车还低。1996年，Sandia国家实验室提出了GTS模型，这种货车标准模型保留了货车基本的特征，对于货车轮罩、后视镜、车头和车厢之间的间隙以及底盘附件进行了简化处理，是一种具有代表性的流线型车身。
1．3 研究方法
理论分析、试验研究和数值模拟是汽车空气动力学方面研究的主要途径。其中风洞试验研究是非常可靠的方法，但是也有一些缺点如:对试验条件要求较高，试验费用消耗大。而理论分析和数值模拟的方法和试验方法相比确有很多优点:比如数值模拟方法不需要设计模型和加工模型的周期，所以它的实现速度比较快。特别是对于己有的通用计算程序，只需改变初始数据，就能得到我们所需要的流场特性及结果。从而缩短了汽车开发周期。数值模拟方法还有众多的优点:如它应用范围广，可避免风洞试验的支撑干扰、模型弹性变形等技术问题以及道路试验条件，交通状况的影响。该方法机动性大，可以根据计算机终端的设置随时更换算题，而试验方法却要受到准备周期的制约。更重要的是它可以节省因大量模型试验而花费的巨大财力、人力和物力。许多实际问题都可以用数值模拟的方法来解决，而理论分析只能解比较简单的模型。数值模拟可以计算用试验方法难以测量的场合，如高速公路上前后车行驶时产生的气动干扰问题。
当然数值模拟方法也不是完美的，如:数值模拟不仅需要有数学模型，而且还需要的数值计算方法;而现有的数值方法都存在收敛性和精度上的问题，还有待改进;计算机的容和运行速度也是影响数值模拟的一个重要因素;对于一些复杂问题其计算成本很高;由于数学模型的简化，计算机的精度以及数值处理的误差都会导致计算结果的不可靠，且有时难以解释计算结果的物理意义，以及在计算过程中可能出现不稳定性而导致不收敛。因此数值模拟方法还不能完全代替实验研究方法，而只能作为一种辅助手段。但随着计算机技术的不断发展，在精度和可靠性上己经有大幅度提高数值模拟方法还是进行空气动力学研究的一个重要手段。数值模拟也就是CFD(Computational Fluid Dynamics)方法己经与理论研究方法(Theoretical FluidDynamics)和试验研究方法(Experimental Fluid Dynamics)相互补充，成为流体力学领域的重要的研究方法[5]。
1 绪论1
1.1 研究背景和意义1
1.2 国内外研究现状1
1.3研究方法2
1.4研究内容 3
2 厢式货车数值模拟3
2.1计算模型 3
2.2计算区域和网格划分 4
2.3边界条件及流体介质参数设定 5
2.4不同参数工况下所得图像分布 5
3 压差阻力理论应用 13
3.1压差阻力原理13
3.2压力分布数据处理及分析14
3.2.1压力简单估算的具体方法14
3.2.2不同工况所得压力数据及处理14
3.2.3 六种工况下的压差对比及分析18
4 流场特性分析 18
4.1不同工况下的矢量分布图18
4.2流场产生原理19
4.3 不同工况下的流场特性分析 19
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 绪论
1．1 研究背景和意义
随着我国经济的快速发展，高等级公路的建设越来越多， 截止2012年底，我国高速公路由十五期末的4.1万公里发展到9.6万公里，已经超越了美国的9.2万公里， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
居世界第一。据统计，截至2013年12月下旬，中国当年新增高速公路里程8268公里，我国高速公路总里程已达104468公里。高等级公路的迅猛发展为载货汽车行业提供了巨大的发展机遇，货车行驶速度也越来越快。
汽车工业发展面临着很大的挑战。石油价格不断攀升，国际油价早已突破100美元/桶，高昂的燃料费用，直接地提高了运输成本，这对于汽车运输业来说是一个巨大的压力。因此，降低载货汽车的阻力，节省燃料消耗是未来载货汽车的发展方向之一[1]。
由于高速公路的增多和汽车技术的发展，汽车行驶的速度越来越快，随着车速增大，汽车所受的气动阻力也会增加。当速度较低时气动阻力对功率的影响并不显著;当速度达到80km/h时，克服气动阻力的能耗占总能耗的一半;当车速为112 km/h时，该部分能耗已经达到65%[2]左右。研究表明:当车速超过70km/h时，气动阻力是影响汽车性能的主要因素之一。
相对轿车而言，载货汽车具有较大的气动阻力，而集装箱货车作为货车的主体，由于其较大的迎风面积，在高速行驶时，所受的空气阻力会更大。对于中型集装箱货车而言，当车速在100km/h时，其气动阻力约为行驶阻力的75%-80%[3]。一般货车的空气阻力系数Cd一般为0.608，实验表明，空气阻力降低10%燃油可以减少7%左右。按照货车百公里油耗平均值16L计，货车一年平均里程10万公里，我国货车保有量约为一千万辆，这样算来，一年下来可以节省燃油112亿升，由此可见通过对货车空气动力性研究，减小其空气阻力系数，有着非常现实而重要的意义。
1．2 国内外研究现状
目前集装箱货车在人们的生活中己经占有相当重要的地位，特别是从发达国家的货物运输情况看，公路运输占整个运输量的90%，其车型90%以上是集装箱货车。所以集装箱货车的设计和研究得到了更多货车厂家的重视。由于运输特殊物质的需要，集装箱货车的外形基本确定，设计过程中选择最佳气动外型变得非常困难，仅靠货厢基本外形的优化设计很难大幅度改善其气动特性。
目前，国际上对集装箱货车的研究主要集中在针对不同车型进行空气动力许附加装置的设计和车型局部优化上。根据集装箱货车表面的气动特性分析，针对产生气动阻力的主要因素，在集装箱货车表面的相应部位安装一定的空气动力学附加装置是比较可行的减阻节能措施。这些附加装置有车顶、导流罩、涡流稳定器、前部扰流器、底部填充护板和侧裙等等，各种附加装置的安装部位，减阻机理[4]。
还有很多方法能降低集装箱货车的气动阻力，比如挂车前斜体、挂车气流罩，其中的一部分己经得到了广泛应用，但大部分还处在研究阶段。降低气动阻力可以添加各种空气动力学附加装置，但需要特别引起注意的是，各种空气动力学附加装置都能使集装箱货车的阻力减小，而其综合效果受到各种复杂因素的制约，所以气动阻力的减小并不是各种空气动力学附加装置的简单叠加。我们必须综合考虑，设计出最佳的气动外形，来减小气动阻力，进而达到降低油耗的目的。
1951年，德国米勒提出集装箱车前端半径与车宽比值为0.045时，就足以满足使边角后的流动保持不分离。这一时期人们主要是通过风洞实验对货车基本模型进行研究，得到一个普适的结果。日本五十铃公司针对不同型号的载货汽车进行了大量的实验研究工作，通过在汽车不同部位加装附加装置获得了较好的减阻效果，并研究了集装箱货车的概念车型，其气动阻力系数降低到了0.35水平，比现行的一些轿车还低。1996年，Sandia国家实验室提出了GTS模型，这种货车标准模型保留了货车基本的特征，对于货车轮罩、后视镜、车头和车厢之间的间隙以及底盘附件进行了简化处理，是一种具有代表性的流线型车身。
1．3 研究方法
理论分析、试验研究和数值模拟是汽车空气动力学方面研究的主要途径。其中风洞试验研究是非常可靠的方法，但是也有一些缺点如:对试验条件要求较高，试验费用消耗大。而理论分析和数值模拟的方法和试验方法相比确有很多优点:比如数值模拟方法不需要设计模型和加工模型的周期，所以它的实现速度比较快。特别是对于己有的通用计算程序，只需改变初始数据，就能得到我们所需要的流场特性及结果。从而缩短了汽车开发周期。数值模拟方法还有众多的优点:如它应用范围广，可避免风洞试验的支撑干扰、模型弹性变形等技术问题以及道路试验条件，交通状况的影响。该方法机动性大，可以根据计算机终端的设置随时更换算题，而试验方法却要受到准备周期的制约。更重要的是它可以节省因大量模型试验而花费的巨大财力、人力和物力。许多实际问题都可以用数值模拟的方法来解决，而理论分析只能解比较简单的模型。数值模拟可以计算用试验方法难以测量的场合，如高速公路上前后车行驶时产生的气动干扰问题。
当然数值模拟方法也不是完美的，如:数值模拟不仅需要有数学模型，而且还需要的数值计算方法;而现有的数值方法都存在收敛性和精度上的问题，还有待改进;计算机的容和运行速度也是影响数值模拟的一个重要因素;对于一些复杂问题其计算成本很高;由于数学模型的简化，计算机的精度以及数值处理的误差都会导致计算结果的不可靠，且有时难以解释计算结果的物理意义，以及在计算过程中可能出现不稳定性而导致不收敛。因此数值模拟方法还不能完全代替实验研究方法，而只能作为一种辅助手段。但随着计算机技术的不断发展，在精度和可靠性上己经有大幅度提高数值模拟方法还是进行空气动力学研究的一个重要手段。数值模拟也就是CFD(Computational Fluid Dynamics)方法己经与理论研究方法(Theoretical FluidDynamics)和试验研究方法(Experimental Fluid Dynamics)相互补充，成为流体力学领域的重要的研究方法[5]。
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