楊 揚(yáng)

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車輛工程學(xué)院， 山西 晉中 030600）

卡車能夠在路面上運(yùn)動(dòng)，是由于卡車驅(qū)動(dòng)力大于或者等于外界產(chǎn)生的阻力，從而可以實(shí)現(xiàn)各種模式的運(yùn)動(dòng)?？ㄜ囋谄秸访嫔弦酝凰俣冗\(yùn)動(dòng)時(shí)，必須克服來自卡車輪胎與地面之間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力和卡車車身與空氣摩擦產(chǎn)生的空氣阻力；當(dāng)卡車在具有一定角度路面上行駛，還需要克服自身重力所產(chǎn)生的阻力即坡度阻力；當(dāng)卡車加速行駛時(shí)，還需要克服加速阻力［1］。結(jié)合以上敘述，可以看出無論卡車以哪種方式運(yùn)動(dòng)，空氣阻力和滾動(dòng)阻力是無法避免的。

本文主要通過數(shù)值模擬CFD方法，來研究擋風(fēng)玻璃阻力系數(shù)與車速之間的關(guān)系。研究對(duì)象選取某品牌自主研發(fā)的6×4大型卡車，主要模擬該車型在水平道路上以同一速度運(yùn)動(dòng)行駛，分別研究行駛速度為50km/h、80km/h、110km/h下前擋風(fēng)玻璃阻力系數(shù)與速度之間的關(guān)系。

1 理論基礎(chǔ)

工作介質(zhì)不管是可壓縮還是不可以，層流還是湍流或者其它狀態(tài)的流體，F(xiàn)LUENT對(duì)這些問題都有非常巧妙的處理方法，F(xiàn)LUENT強(qiáng)大的功能有多種方法來解決工程中的實(shí)際問題［2］。CFD軟件在求解現(xiàn)實(shí)中的工程相關(guān)難題時(shí)，會(huì)處理一些比較特殊的層流或者湍流問題［3］。下面給出流體分析的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程［4］。

1） 連續(xù)方程

對(duì)于不可壓縮的工作介質(zhì)來說，無論是以哪種運(yùn)動(dòng)形式流動(dòng)，因?yàn)棣?常數(shù)，公式可以簡(jiǎn)化為：

流場(chǎng)中的V和ρ，都可以通過以上公式連續(xù)方程得到。

2） 動(dòng)量方程

在求解相關(guān)問題時(shí)，我們選取研究的一部分工作介質(zhì)，選取這部分流體進(jìn)入?yún)^(qū)域的和流出該區(qū)域的動(dòng)量都是守恒的。定常流動(dòng)，控制體內(nèi)的動(dòng)量保持不變，即

動(dòng)量方程是矢量平衡方程，也可以取分量平衡的形式。

2 基于CFD進(jìn)行前處理

以下主要通過CFD數(shù)值模擬方法，對(duì)簡(jiǎn)化處理后的卡車進(jìn)行模型建立及網(wǎng)格劃分，以及邊界設(shè)置。

2.1 建立模型及網(wǎng)格劃分

本文針對(duì)某企業(yè)自主研發(fā)的6×4卡車，結(jié)合其實(shí)際參數(shù)長6m、寬3.5m、高3.86m和形狀，以及模擬的重點(diǎn)對(duì)模型做了合理簡(jiǎn)化處理；通過CATIA軟件對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行三維建模，接著借助ICEM軟件對(duì)做好的流體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

網(wǎng)格劃分CFD模擬分析前處理，在整個(gè)模擬分析中耗時(shí)大約占到整個(gè)模擬30%～60%的時(shí)間［5］。在實(shí)際模擬過程中，網(wǎng)格品質(zhì)和數(shù)量會(huì)影響到后期FLUENT計(jì)算的精度和速度；同時(shí)，也會(huì)影響到計(jì)算過程中收斂及收斂速度。在劃分網(wǎng)格過程中，如果網(wǎng)格數(shù)量比較稀疏，很有可能導(dǎo)致在后期模擬過程中計(jì)算出現(xiàn)發(fā)散情況，或者收斂速度變慢；遇到該類型問題，就需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，恰當(dāng)縮小網(wǎng)格尺寸。但是，如果網(wǎng)格太密了必然導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量加大，在FLUENT求解過程中對(duì)計(jì)算機(jī)硬件提出更高的要求，否則計(jì)算速度將會(huì)大大變慢，嚴(yán)重影響到工作效率；所以，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)候，我們應(yīng)該結(jié)合模擬流體區(qū)域的重點(diǎn)，進(jìn)行合理網(wǎng)格數(shù)量，要在網(wǎng)格品質(zhì)和網(wǎng)格數(shù)量之間做一個(gè)恰當(dāng)?shù)臋?quán)衡［6］。

本文網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化4邊形，6面體網(wǎng)格劃分，考慮到網(wǎng)格太密會(huì)影響到計(jì)算效率，在進(jìn)行建模時(shí)采取模型的一半，這樣可以有效降低網(wǎng)格數(shù)量，從而提升計(jì)算速度提高計(jì)算效率［2］。

2.2 邊界條件設(shè)定

基于FLUENT求解的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分方程及其它標(biāo)量方程等問題，解法都是相近的，只是在定義流動(dòng)的邊界條件時(shí)有所不同，致使在實(shí)際研究問題中往往更為復(fù)雜和多樣。那么針對(duì)不同的問題，F(xiàn)LUENT就需要對(duì)其進(jìn)行特定的邊界設(shè)置。設(shè)置的內(nèi)容一般涉及工作介質(zhì)的物理特性，以及熱量變化和組分等其它變量在流道邊界處的具體數(shù)值，所以邊界條件的設(shè)置在運(yùn)算中起到很重要的作用，也可以說關(guān)乎整個(gè)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，因此我們?cè)趯?duì)邊界條件進(jìn)行設(shè)置時(shí)要更為準(zhǔn)確［7］。

在本課題中選取操作壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，同時(shí)在Y方向上設(shè)置重力加速度。在求解中選擇單向流模型，并對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)的假設(shè)［8］：①流體為不可壓縮流體；②忽略壓力對(duì)空氣密度的影響，假定壁面絕熱與流體間無熱傳導(dǎo)；③與流體接觸的邊界壁面為靜止壁面，壁面處無滑移。所選工作介質(zhì)為空氣；湍流模型選取為 湍流模型；入口設(shè)置為速度入口，速度分別為50km/h、80km/h、110km/h；出口設(shè)置為壓力出口101325Pa；采用壓力穩(wěn)態(tài)求解器，計(jì)算方法選取SIMPLE格式。

3 基于FLUENT模擬分析

以下主要通過FLUENT軟件對(duì)行駛速度50km/h、80km/h、110km/h下卡車動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析。

3.1 速度特性

圖1～圖3分別為行駛速度50km/h、80km/h、110km/h數(shù)值模擬得到的速度云圖，從云圖中可以看出在位于卡車前端和

尾部區(qū)域速度相對(duì)其它區(qū)域較低。

圖1 50km/h速度云圖

圖2 80km/h速度云圖

3.2 阻力特性

圖4～圖6模擬得到的結(jié)果分別為行駛速度50km/h、80km/h、110km/h下，前擋風(fēng)玻璃阻力系數(shù)。通過以上3幅阻力系數(shù)圖可以看出，阻力系數(shù)瞬間達(dá)到波峰狀態(tài)，之后回落后維持在穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，隨著卡車速度加快，前擋風(fēng)玻璃阻力系數(shù)也越來越大，行駛速度在50km/h時(shí)阻力最大系數(shù)為0.325，當(dāng)速度穩(wěn)定運(yùn)行后阻力系數(shù)穩(wěn)定在0.25左右；行駛速度在80km/h時(shí)阻力最大系數(shù)為0.64，當(dāng)速度穩(wěn)定運(yùn)行后阻力系數(shù)穩(wěn)定在0.52左右；行駛速度在110km/h時(shí)阻力最大系數(shù)為1.18，當(dāng)速度穩(wěn)定運(yùn)行后阻力系數(shù)穩(wěn)定在0.90左右。

圖4 50km/h阻力特性曲線

圖5 80km/h阻力特性曲線

圖6 110km/h阻力特性曲線

3.3 壓力特性

圖7～圖9模擬得到的結(jié)果分別為卡車在平路上以速度50km/h、80km/h、110km/h下，得到的卡車車身上壓強(qiáng)特性云圖。通過以上模擬云圖可以看出，隨著行駛速度加快，車頭迎風(fēng)部位受到的壓強(qiáng)最大，其它區(qū)域壓強(qiáng)相對(duì)較?。豢梢娍ㄜ嚀躏L(fēng)玻璃總壓與行駛速度呈正相關(guān)。

圖7 50km/h壓強(qiáng)特性

圖8 80km/h壓強(qiáng)特性

圖9 110km/h壓強(qiáng)特性

4 結(jié)論

該文通過數(shù)值模擬CFD方法進(jìn)行分析，前期通過CATIA三維建模軟件對(duì)簡(jiǎn)化后的流體模型進(jìn)行建模；借助ICEM前處理軟件對(duì)流體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；之后通過FLUENT對(duì)計(jì)算機(jī)可識(shí)別的網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算，最后得到速度與前擋風(fēng)玻璃阻力系數(shù)之間的關(guān)系。

通過模擬得到的數(shù)據(jù)可以看出：速度直接影響到前擋風(fēng)玻璃阻力系數(shù)，同時(shí)隨著速度的增加，阻力系數(shù)也在不斷增加，可見前擋風(fēng)玻璃阻力系數(shù)和速度呈正相關(guān)，也就是隨著速度的增加卡車越來越耗油。