基于LBM方法的運(yùn)煤卡車氣動(dòng)阻力研究

李明達(dá)，門玉琢，冀秉魁，姚雪萍

(長(zhǎng)春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

0 引言

煤炭運(yùn)輸是我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)闹饕蝿?wù)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)：2016年，我國(guó)的煤炭產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的46.1%，消費(fèi)量占世界總消費(fèi)量的51.8%[1]。產(chǎn)地與消散地的差異導(dǎo)致了“北煤南運(yùn)、西煤東調(diào)”的運(yùn)輸格局。按照《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，我國(guó)要在2020年基本建成集約、安全、高效、綠色的現(xiàn)代化煤炭工業(yè)體系，最大程度減輕煤炭生產(chǎn)開發(fā)對(duì)環(huán)境的影響[2]。而運(yùn)煤卡車作為煤炭公路運(yùn)輸?shù)闹饕d運(yùn)工具，其空氣動(dòng)力學(xué)特性受到人們的廣泛關(guān)注。

目前，運(yùn)輸卡車的節(jié)能減排方法多以改變車身結(jié)構(gòu)[3-5]或安裝減阻裝置[6-7]為主。然而，大多數(shù)的空氣動(dòng)力學(xué)研究存在以下問題：

1)多數(shù)研究采用傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行空間離散的近似，該過程需要進(jìn)行大量的網(wǎng)格劃分工作，處理不當(dāng)不僅影響實(shí)驗(yàn)精度，甚至?xí)?dǎo)致仿真數(shù)據(jù)的發(fā)散。

2)多數(shù)仿真都對(duì)車身、底盤進(jìn)行了大幅度的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，雖然簡(jiǎn)化模型可以達(dá)到一定程度的近似，但是無法捕捉更多的湍流細(xì)節(jié)。

3)針對(duì)運(yùn)煤卡車的空氣動(dòng)力學(xué)的研究較少，就目前我國(guó)煤炭的公路運(yùn)輸現(xiàn)狀而言，運(yùn)煤卡車的減阻研究對(duì)于煤炭工業(yè)的高效、綠色發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 運(yùn)煤卡車CFD仿真參數(shù)設(shè)置

1.1 運(yùn)煤卡車模型的建立

表1為3軸運(yùn)煤卡車的基本參數(shù)，由于整車尺寸較大，因此需將車輛模型進(jìn)行適當(dāng)縮放，縮放比為1∶10。與1∶1車輛模型的模擬仿真試驗(yàn)相比，其優(yōu)勢(shì)如下：

1)在相同格子尺度下，1∶1模型的仿真計(jì)算量將非常巨大，有時(shí)甚至無法完成實(shí)驗(yàn)。

2)在等效的格子尺度下，縮放模型將捕捉到更多、更完整的湍流特征，有利于氣動(dòng)阻力分析。

3)在相同的流體速度下，虛擬風(fēng)洞長(zhǎng)度隨著模型的縮放而減小，這也意味著仿真設(shè)置時(shí)間可以大幅減少，因此，仿真效率得到了有效提高。

建立1∶10比例3軸運(yùn)煤卡車模型如圖1所示，整車結(jié)構(gòu)與實(shí)車一致，由駕駛室、進(jìn)氣柵格、雨刷器、底盤、貨廂、后視鏡與遮陽罩組成。

圖1 3軸運(yùn)煤卡車模型

1.2 虛擬風(fēng)洞參數(shù)設(shè)置

根據(jù)1∶10縮放模型尺寸設(shè)置虛擬風(fēng)洞的仿真環(huán)境見表2，其中虛擬風(fēng)洞的長(zhǎng)度為單車模型仿真采用的尺寸。

表1 3軸運(yùn)煤卡車基本參數(shù)

注：Hvel、Lvel、Wvel分別為整車高度、長(zhǎng)度、寬度；rw為車輪半徑；Re為有效車輪半徑；Aref為車輛迎風(fēng)面積；δt_t為駕駛室與貨廂之間的間距；δw_t為輪距；h為貨廂深度。

表2 虛擬風(fēng)洞基本參數(shù)

注：Hvwt、Wvwt和Lvwt分別為虛擬風(fēng)洞的高度、寬度和長(zhǎng)度；vin為來流速度，即虛擬風(fēng)洞入口處流體速度；ρ為空氣密度；T為風(fēng)洞內(nèi)溫度；xL為車輛模型與虛擬風(fēng)洞入口的距離；Dv為流體的動(dòng)力粘度；vg為地面移動(dòng)速度；m為粒子質(zhì)量；f為采樣頻率；t為設(shè)置的仿真時(shí)間。

2 運(yùn)煤卡車氣動(dòng)阻力特性分析

本文采用CFD仿真軟件XFlow進(jìn)行運(yùn)煤卡車模型的空氣動(dòng)力學(xué)分析。它采用基于粒子的動(dòng)力學(xué)求解器求解格子玻爾茲曼方程，通過介觀模型的動(dòng)力學(xué)方法來模擬流體的宏觀行為，對(duì)復(fù)雜幾何模型和移動(dòng)邊界問題具有較好的處理能力。

2.1 格子無關(guān)性試驗(yàn)

在基于粒子的空氣動(dòng)力學(xué)仿真中，粒子間的尺度直接影響著流體仿真的計(jì)算精度與效率。因此，需要通過試驗(yàn)方法確定最優(yōu)格子尺度，以滿足仿真計(jì)算量與試驗(yàn)精度之間的平衡。

首先，以貨廂密閉工況為例，確定最優(yōu)格子尺度的具體試驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 格子尺度的仿真設(shè)置

定義空氣阻力系數(shù)Cd的波動(dòng)誤差Ce為：

(1)

式中：Cmax，Cmin與Cd分別為空氣阻力系數(shù)在仿真0.2 s后的最大值、最小值與均值。

根據(jù)表3參數(shù)進(jìn)行格子無關(guān)性試驗(yàn)得到的空氣阻力變化情況如圖2所示。圖中粒子數(shù)越多則計(jì)算量越大，車輛模型的空氣阻力系數(shù)越趨于收斂。圖中紅色橫線是空氣阻力系數(shù)均值，柱狀體為Cd值在收斂過程中的波動(dòng)范圍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該值不超過Cd值的6.5%，具有一定的仿真精度。

圖2 貨廂密閉工況下的格子尺度試驗(yàn)

因此，在貨廂密閉工況下，車輛模型的氣動(dòng)阻力系數(shù)可確定為第5、6次仿真實(shí)驗(yàn)的均值0.724。最優(yōu)格子尺度確定為第5次試驗(yàn)仿真的設(shè)置參數(shù)。

2.2 空載工況下貨廂密閉性分析

為分析貨廂密閉性對(duì)整車氣動(dòng)特性的影響，應(yīng)先分析空載工況下的運(yùn)煤卡車表面速度與湍流強(qiáng)度分布。

2.2.1 表面速度場(chǎng)對(duì)比

按照貨廂密閉工況下的最優(yōu)格子尺度進(jìn)行貨廂密閉性的Cd值分析，表面速度場(chǎng)如圖3所示。

(a)貨廂露天

(b)貨廂密閉圖3 貨廂露天與密閉的Cd值分析

從圖3可以看出，駕駛室邊緣處、遮陽罩、后視鏡以及1軸輪系處流體速度相對(duì)較大。而貨廂密閉性對(duì)貨廂、貨廂與駕駛室之間的速度場(chǎng)有較大影響。

2.2.2 湍流強(qiáng)度分布

定義湍流強(qiáng)度I如式(2)：

(2)

式中：U為平均速度，由x、y、z3個(gè)方向上的平均速度分量Ux、Uy與Uz求得；u為湍流速度波動(dòng)的均方根，同樣由x、y、z3個(gè)方向上的分量求得；k為湍動(dòng)能。

將運(yùn)煤卡車其他部件隱藏，貨廂附近的湍流強(qiáng)度分布情況如圖4所示，當(dāng)湍流強(qiáng)度為30%時(shí)，可以看出露天貨廂的湍流分布在貨廂內(nèi)，外部的湍流損失較多，而密閉貨廂的周圍湍流較多，且均勻分布，這也意味著密閉貨廂的空氣阻力相對(duì)較低。

2.2.3 各部件氣動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)比

定義氣動(dòng)阻力影響系數(shù)為各部件的空氣阻力系數(shù)與整車氣動(dòng)阻力系數(shù)的比值，以密閉貨廂的最優(yōu)格子尺度為設(shè)置參數(shù)，對(duì)運(yùn)煤卡車各部件進(jìn)行空氣阻力系數(shù)的影響系數(shù)對(duì)比，結(jié)果如圖5所示?？梢缘玫饺缦路治鼋Y(jié)果：

1)就整車而言，試驗(yàn)結(jié)果顯示：露天貨廂的整車空氣阻力系數(shù)均值為0.785 7，該值與同等條件下密閉貨廂的仿真結(jié)果相比，增加了7.5%，而其波動(dòng)誤差達(dá)到了均值的13.3%，是密閉貨廂整車氣動(dòng)阻力系數(shù)波動(dòng)誤差的2倍以上。

2)就部件而言，駕駛室所承擔(dān)的空氣阻力最多，其次是底盤，隨后按照空氣阻力影響系數(shù)排列依次是進(jìn)氣柵格、后視鏡、1軸輪系、2軸輪系、3軸輪系和雨刷器。

3)部件中的遮陽罩與貨廂起到削弱空氣阻力的作用。遮陽罩降低了整車將近4%的空氣阻力，在一定程度上起到導(dǎo)流板的作用；貨廂的密閉性對(duì)整車阻力系數(shù)影響較大，貨廂密閉的減阻效果是露天貨廂的4.2倍。因此，行駛過程中應(yīng)盡量保證貨廂的密閉性。

(a)露天貨廂；I=30%

(b)密閉貨廂；I=30%圖4 3軸運(yùn)煤卡車模型

圖5 各部件的氣動(dòng)阻力影響系數(shù)

3 結(jié)語

經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)證明：

1)格子無關(guān)性試驗(yàn)的結(jié)果表明：所建運(yùn)煤卡車模型的空氣阻力系數(shù)為0.724，誤差在6.5%以內(nèi)。

2)遮陽罩起到導(dǎo)流板的作用，可以降低運(yùn)煤卡車4%的空氣阻力。

3)空載工況下，貨廂裸露會(huì)增加7.5%的空氣阻力。因此，無論貨箱是否滿載，運(yùn)煤卡車應(yīng)保持貨廂密閉性，以免增加不必要的油耗。