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摘 要： 可伸缩汽车尾件是为厢式货车而设计的尾部挂件，目的是减小其高速行驶时的空气阻力。大型货车是形状不规则的非流线型结构，其尾部为突然截尾式，当此种货车高速行驶时，将产生反向形状阻力阻碍汽车前行，在80km/h时，克服这种阻力需要花费总油耗的40%。采用加装尾件的方式能有效的降低此种阻力，降低运输成本和燃料的消耗，减少有害污染物排放，缓解温室效应，保护人类生态环境。为了提高尾件的可利用性，采用可伸缩结构，在低速行驶时，尾件处于收缩状态，在高速行驶时，处于展开状态。故此设计不仅节能，也不影响汽车正常行驶。
关键词： 流线型尾件；优化气动特性；节能减排；厢式货车；减小阻力降低油耗
【中图分类号】 U463.857 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）04-0187-02
一、研究背景及其意义
1.1研究背景。
随着汽车技术进步和公路设施条件的逐步完善，货运汽车的速度也越来越快。公路运输具有便捷、直达的优点使汽车货运量增长迅速，但其耗油量也逐年增长，货运汽车的耗油量在我国耗油量总量中占很大的比重。随着地球能源的枯竭，石油价格逐年攀升，人类生存环境受到严重的威胁。节能环保是对人类科技进步提出的新要求，安全、环保、节能是新世纪汽车发展的新理念、新主题。美国能源部所属的重卡办公室的研究报告指出，当一辆标准的重型卡车满载，以 100km/h 的速度行驶时，所需燃料的 65%用于克服空气阻力[1]。对于运载工具来说，节能就是要减小阻力。为了降低厢式货车的阻力，人们进行了许多有效的探索和改革。国内外一直有人从事这方面的研究工作。例如将车体尽量设计成流线型、安装前上部整流罩、前下部整流罩、车身前端面的锥形分流器、主动控制边界层法、驾驶室与箱体之间加装井字形栅格、加装后部栅格、尾涡中心安装喷射装置、安装气流导管、车厢底部加装侧板、车厢尾部加装尾板、侧流涡带、旋涡挡板、高动量挡泥板等。厢式货车的箱体因为受到运载货物和体积的限制，基本上都成一长方体，不可能将其设计为流线型；同时考虑到效益和成本问题厢式货车也不能加装过于复杂和高成本的附加装置来减小气动阻力。本文用数值模拟的方法研究一种简单可行、成本低廉、绿色环保的减阻装置来有效的减小厢式货车的气动阻力。
1.2 制备目的。
当汽车在水平路面上匀速行驶时，行驶阻力由滚动阻力和空气阻力构成。汽车行驶时的空气阻力与车速的平方成正比，当汽车速度逐渐增加时，气动阻力在所有阻力中的比重逐渐增加。货车由于其较大的迎风面积以及受使用要求限定的多种多样的车厢结构，使它们难以具有较低的气动阻力系数和最佳的空气流态。某些货车当车速达到60km/h时，气动阻力就己超过总阻力的50%。而当车速达到100km/h时，气动阻力约占汽车行驶总阻力的75%-80%[2]。
气动阻力所消耗的功率占发动机产生的功率相当大的比例，这是因为消耗于气动阻力的功率与速度的三次方成正比。由于货车的迎风面积受到货运要求以及相关政策法规的限制而不易于进一步减小，所以降低空气阻力系数是现代汽车高速运输降低油耗，提高燃油经济性的主要措施之一。对于从事货运工作的大型集装箱货车，其年均行驶里程长，降低气动阻力产生的节油效果将是非常可观的。
分析表明，改善货车的空气动力学特性，将目前的气动阻力系数由0.6-0.8降低到0.35-0.45是有可能的[3]，气动阻力系数的降低不仅带来运输成本的降低，而且因燃料消耗的减少而降低了有害污染物排放以及温室效应气体的排放，从而对保护人类生态环境也有着十分重要的意义。
1.3研究意義。
（1）节能和保护环境
（2）缩短开发周期，降低开发成本
（3）提高我国汽车自主开发能力
二、技术原理及实验分析
采用GAMBIT对标准简易厢式货车模型和加装不同弦长尾件的货车模型进行物理模型建模和网格画分，通过fluent/CFX对模型进行数值模拟，分析其外部流场特性和阻力的产生机理并计算出其形态阻力，得出加装尾件的货车将会减小15.70%的空气阻力的结论并确定出最佳形状的尾部挂件。
2.1标准简易厢式货车模型的数值模拟。
计算模型采用简易厢式货车模型，模型的长宽高分别为360mm*140mm *100mm。根据货车的实际速度，空气可认为低速不可压缩流体，由于货车模型左右对称，不考虑侧风的情况下，其外部流场也是左右对称的，在数值计算的时候，为了节省网格，采用半模型进行。模型前取3倍的车长，后取5倍的车长，左侧取5倍的车宽，上方取车高5倍，右侧为车身的中心对称面，生成计算区域。其边界条件为：计算域的前面为速度进口边界条件，速度取 30m/s，湍动粘度比和湍流强度取 Fluent 软件的默认值。模型的纵向对称面，计算域的侧面和上下面都为对称边界条件。计算域的后面为压力出口边界条件，P=0，P 为相对压力。车身采用静止壁面，无滑移固体条件。湍流模型选取RNG k-ε模型。本文采用的求解方法是 SIMPLE 算法；压力方程为标准，能量方程为二阶的离散化方法[1]。
2.2加装尾件的模型数值模拟。
2.2.1计算模型的确立。
整个计算域、边界条件、网格结构以及网格划分和标准模型一致。
2.2.2计算结果与分析。
在后期的数值计算中显示，在尾件尺寸一定的条件下，加装不同形状的流线形尾件都能有效的减阻，本文计算了曲线弧度切面与水平面倾角（见图 1）分别为 5°、10°、15°、20°时的流线模型情况。数值计算结果显示在15°倾角时减阻效果较好，数值见下表。
针对 15°倾角的流线尾件进行了改进。利用维托辛斯基风洞收缩段曲线设计尾板，15°倾角维托辛斯基曲线板减阻效果最好。 从加装节能尾件的流线图中看出，气流流过车体后缘时，由于尾件和车体之间流线型过渡，气流紧贴尾部流动，尾件使气流平顺流过，延缓了气流的分离。从流体力学的知识我们知道，压差阻力的大小与尾涡区内的压力和尾涡区的大小有关，尾涡区越小，压差阻力就越小。相对同样的来流，流线体比其他形状物体有较小的尾涡区，压差阻力小，并且如果后面是突然中断的截面形状压差阻力将会急剧增大。尾件使整个箱体变为流线型，使尾部的截面不是突然的中断，从而使车体后部分离区减小，压力升高，压差阻力减小。尾件在减少压差阻力的同时，不可避免的会产生摩擦阻力，从云图和计算数据来看，安装尾件后，摩擦阻力系数仅增加了0.003。摩擦阻力增加了1%，而压差阻力系数减小了 0.06，压差阻力减小了 20.7%，压差阻力的减小量级是摩擦阻力增大量级的10倍。
三、实物结构设计与制作
根据模拟的最佳模型进行实物的机械结构设计和制作，用solid works建模，本设备基本结构（如图 2）介绍如下：
（3）制作可伸缩支架。选用优质不锈钢及铝合金专用型材制作，采用平行四边形原理铰接，保证其伸缩灵活行程大。
（4）焊接矩形不锈钢框架。矩形不锈钢框架尺寸根据货车尾部大小设计，将可伸缩支架固定在矩形不锈钢框架的左右两端中央。
（3）选用外部覆盖材料。选择是高抗冲PP塑料。高抗冲pp塑料又称高抗冲聚丙烯，它是经化学物理改性使抗冲击性和耐低温脆性有所提高的一类聚丙烯塑料。在此机械装置上覆盖高抗冲PP塑料，使其形成一个密闭空间，支架伸开时，此塑料外壳将被撑起形成流线型外形，支架收缩时，塑料外壳和支架一同收缩起来。
（4）完成在车身固后的安装。矩形框架上部左右两端与车身采用铰接的方式，下部与车身采用不固定的连接方式，这样方便在打开后车门的时候将其向上旋转，不影响卸载货物。
四、设备的优势创新点及其应用：
4.1设备的优势。
（1）显效降低高速厢式货车和客车的空气阻力。在厢式货车和客车外形已确定的情况下，本产品能有效减小因高速行驶而产生的压差阻力对汽车的影响，能够有效地降低空气阻力，从而减少汽油能源的消耗。
（2）成本低，安装和维护费用小，有较高的经济效益。本产品采用的是市面上常见的材料，成本较小。安装难度不大，长期使用后如有损坏也易维护，且能恢复其正常功能。
（3）制作简易，占空间小。本产品制作过程简单易操作，产品体积不大，安装完成后占用的空间也较小，不影响厢式货车和客车的正常使用。
（4）利于推广，具有广阔的市场应用前景。本产品从经济成本，制作过程，操作的简捷以及节能的高效性等方面综合考虑，都非常利于对其进行推广，在市场方面有良好的应用前景。
五、节能效益
在交通发达贸易的今天，货车在货物运输功能上扮演着相当重要的角色。根据交通部统计的数据，2015年，全国拥有载货汽车1389.19万辆。美国能源部所属的重卡办公室的研究報告指出，当一辆标准的重型卡车满载，以 100km/h 的速度行驶时，所需燃料的 65%用于克服气动阻力，而气动阻力构成中，85%为压差阻力，其余15%为摩擦阻力。压差阻力的91%来自车身后部，9%来自车身前端[4]。加装此种汽车尾件，可减少15.70%的气动阻力，减少7.54%的油耗。据国内统计数据，一辆载重10吨的货车在满载情况下，每公里耗油0.4升，加装后可节约0.03升柴油，按照现在的柴油价格6.04元/升，计算可知每公里可节约0.1812元。据交通部统计，2015年全国拥有载货汽车1389.19万辆，一辆货车每年行驶的里程数大约是160000公里，那么一辆货车每年油耗可节约28992元，则全国的货车一年可节省4000亿元。理论上，每升柴油完全燃烧可排放出1.58x10^6升二氧化碳，加装本装置后，一辆满载的标准重型卡车每公里可减少排放4.74 x 10^4升的二氧化碳。每辆货车每年消耗64000升的燃料，计算可知，每辆货车每年可减少排放7.584x 10^9升二氧化碳，也即14897.14吨二氧化碳。所以加装本装置后，不仅节约经济，而且有利于温室效应的减缓，很好的实现了节能减排的目的和要求。
参考文献
[1] 张继成 厢式货车空气动力减阻的数值模拟[D] 吉林大学 2011年4月
[2] 汪孛 集装箱运输货车气动附加装置的优化研究[D] 湖南大学 2010年4月
[3] 李 景 一种大型货车车尾改装节能方案的探究[J] 中国高新技术企业 2013年
[4] 张金龙 车身尾部结构对轿车尾流场影响的数值分析与优化研究[D] 重庆交通大学 2015年6月
作者简介：吕学成（1995-），男，河北省张家口市蔚县，河南理工大学本科在读生，能源与动力工程专业 。
关键词： 流线型尾件；优化气动特性；节能减排；厢式货车；减小阻力降低油耗
【中图分类号】 U463.857 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）04-0187-02
一、研究背景及其意义
1.1研究背景。
随着汽车技术进步和公路设施条件的逐步完善，货运汽车的速度也越来越快。公路运输具有便捷、直达的优点使汽车货运量增长迅速，但其耗油量也逐年增长，货运汽车的耗油量在我国耗油量总量中占很大的比重。随着地球能源的枯竭，石油价格逐年攀升，人类生存环境受到严重的威胁。节能环保是对人类科技进步提出的新要求，安全、环保、节能是新世纪汽车发展的新理念、新主题。美国能源部所属的重卡办公室的研究报告指出，当一辆标准的重型卡车满载，以 100km/h 的速度行驶时，所需燃料的 65%用于克服空气阻力[1]。对于运载工具来说，节能就是要减小阻力。为了降低厢式货车的阻力，人们进行了许多有效的探索和改革。国内外一直有人从事这方面的研究工作。例如将车体尽量设计成流线型、安装前上部整流罩、前下部整流罩、车身前端面的锥形分流器、主动控制边界层法、驾驶室与箱体之间加装井字形栅格、加装后部栅格、尾涡中心安装喷射装置、安装气流导管、车厢底部加装侧板、车厢尾部加装尾板、侧流涡带、旋涡挡板、高动量挡泥板等。厢式货车的箱体因为受到运载货物和体积的限制，基本上都成一长方体，不可能将其设计为流线型；同时考虑到效益和成本问题厢式货车也不能加装过于复杂和高成本的附加装置来减小气动阻力。本文用数值模拟的方法研究一种简单可行、成本低廉、绿色环保的减阻装置来有效的减小厢式货车的气动阻力。
1.2 制备目的。
当汽车在水平路面上匀速行驶时，行驶阻力由滚动阻力和空气阻力构成。汽车行驶时的空气阻力与车速的平方成正比，当汽车速度逐渐增加时，气动阻力在所有阻力中的比重逐渐增加。货车由于其较大的迎风面积以及受使用要求限定的多种多样的车厢结构，使它们难以具有较低的气动阻力系数和最佳的空气流态。某些货车当车速达到60km/h时，气动阻力就己超过总阻力的50%。而当车速达到100km/h时，气动阻力约占汽车行驶总阻力的75%-80%[2]。
气动阻力所消耗的功率占发动机产生的功率相当大的比例，这是因为消耗于气动阻力的功率与速度的三次方成正比。由于货车的迎风面积受到货运要求以及相关政策法规的限制而不易于进一步减小，所以降低空气阻力系数是现代汽车高速运输降低油耗，提高燃油经济性的主要措施之一。对于从事货运工作的大型集装箱货车，其年均行驶里程长，降低气动阻力产生的节油效果将是非常可观的。
分析表明，改善货车的空气动力学特性，将目前的气动阻力系数由0.6-0.8降低到0.35-0.45是有可能的[3]，气动阻力系数的降低不仅带来运输成本的降低，而且因燃料消耗的减少而降低了有害污染物排放以及温室效应气体的排放，从而对保护人类生态环境也有着十分重要的意义。
1.3研究意義。
（1）节能和保护环境
（2）缩短开发周期，降低开发成本
（3）提高我国汽车自主开发能力
二、技术原理及实验分析
采用GAMBIT对标准简易厢式货车模型和加装不同弦长尾件的货车模型进行物理模型建模和网格画分，通过fluent/CFX对模型进行数值模拟，分析其外部流场特性和阻力的产生机理并计算出其形态阻力，得出加装尾件的货车将会减小15.70%的空气阻力的结论并确定出最佳形状的尾部挂件。
2.1标准简易厢式货车模型的数值模拟。
计算模型采用简易厢式货车模型，模型的长宽高分别为360mm*140mm *100mm。根据货车的实际速度，空气可认为低速不可压缩流体，由于货车模型左右对称，不考虑侧风的情况下，其外部流场也是左右对称的，在数值计算的时候，为了节省网格，采用半模型进行。模型前取3倍的车长，后取5倍的车长，左侧取5倍的车宽，上方取车高5倍，右侧为车身的中心对称面，生成计算区域。其边界条件为：计算域的前面为速度进口边界条件，速度取 30m/s，湍动粘度比和湍流强度取 Fluent 软件的默认值。模型的纵向对称面，计算域的侧面和上下面都为对称边界条件。计算域的后面为压力出口边界条件，P=0，P 为相对压力。车身采用静止壁面，无滑移固体条件。湍流模型选取RNG k-ε模型。本文采用的求解方法是 SIMPLE 算法；压力方程为标准，能量方程为二阶的离散化方法[1]。
2.2加装尾件的模型数值模拟。
2.2.1计算模型的确立。
整个计算域、边界条件、网格结构以及网格划分和标准模型一致。
2.2.2计算结果与分析。
在后期的数值计算中显示，在尾件尺寸一定的条件下，加装不同形状的流线形尾件都能有效的减阻，本文计算了曲线弧度切面与水平面倾角（见图 1）分别为 5°、10°、15°、20°时的流线模型情况。数值计算结果显示在15°倾角时减阻效果较好，数值见下表。
针对 15°倾角的流线尾件进行了改进。利用维托辛斯基风洞收缩段曲线设计尾板，15°倾角维托辛斯基曲线板减阻效果最好。 从加装节能尾件的流线图中看出，气流流过车体后缘时，由于尾件和车体之间流线型过渡，气流紧贴尾部流动，尾件使气流平顺流过，延缓了气流的分离。从流体力学的知识我们知道，压差阻力的大小与尾涡区内的压力和尾涡区的大小有关，尾涡区越小，压差阻力就越小。相对同样的来流，流线体比其他形状物体有较小的尾涡区，压差阻力小，并且如果后面是突然中断的截面形状压差阻力将会急剧增大。尾件使整个箱体变为流线型，使尾部的截面不是突然的中断，从而使车体后部分离区减小，压力升高，压差阻力减小。尾件在减少压差阻力的同时，不可避免的会产生摩擦阻力，从云图和计算数据来看，安装尾件后，摩擦阻力系数仅增加了0.003。摩擦阻力增加了1%，而压差阻力系数减小了 0.06，压差阻力减小了 20.7%，压差阻力的减小量级是摩擦阻力增大量级的10倍。
三、实物结构设计与制作
根据模拟的最佳模型进行实物的机械结构设计和制作，用solid works建模，本设备基本结构（如图 2）介绍如下：
（3）制作可伸缩支架。选用优质不锈钢及铝合金专用型材制作，采用平行四边形原理铰接，保证其伸缩灵活行程大。
（4）焊接矩形不锈钢框架。矩形不锈钢框架尺寸根据货车尾部大小设计，将可伸缩支架固定在矩形不锈钢框架的左右两端中央。
（3）选用外部覆盖材料。选择是高抗冲PP塑料。高抗冲pp塑料又称高抗冲聚丙烯，它是经化学物理改性使抗冲击性和耐低温脆性有所提高的一类聚丙烯塑料。在此机械装置上覆盖高抗冲PP塑料，使其形成一个密闭空间，支架伸开时，此塑料外壳将被撑起形成流线型外形，支架收缩时，塑料外壳和支架一同收缩起来。
（4）完成在车身固后的安装。矩形框架上部左右两端与车身采用铰接的方式，下部与车身采用不固定的连接方式，这样方便在打开后车门的时候将其向上旋转，不影响卸载货物。
四、设备的优势创新点及其应用：
4.1设备的优势。
（1）显效降低高速厢式货车和客车的空气阻力。在厢式货车和客车外形已确定的情况下，本产品能有效减小因高速行驶而产生的压差阻力对汽车的影响，能够有效地降低空气阻力，从而减少汽油能源的消耗。
（2）成本低，安装和维护费用小，有较高的经济效益。本产品采用的是市面上常见的材料，成本较小。安装难度不大，长期使用后如有损坏也易维护，且能恢复其正常功能。
（3）制作简易，占空间小。本产品制作过程简单易操作，产品体积不大，安装完成后占用的空间也较小，不影响厢式货车和客车的正常使用。
（4）利于推广，具有广阔的市场应用前景。本产品从经济成本，制作过程，操作的简捷以及节能的高效性等方面综合考虑，都非常利于对其进行推广，在市场方面有良好的应用前景。
五、节能效益
在交通发达贸易的今天，货车在货物运输功能上扮演着相当重要的角色。根据交通部统计的数据，2015年，全国拥有载货汽车1389.19万辆。美国能源部所属的重卡办公室的研究報告指出，当一辆标准的重型卡车满载，以 100km/h 的速度行驶时，所需燃料的 65%用于克服气动阻力，而气动阻力构成中，85%为压差阻力，其余15%为摩擦阻力。压差阻力的91%来自车身后部，9%来自车身前端[4]。加装此种汽车尾件，可减少15.70%的气动阻力，减少7.54%的油耗。据国内统计数据，一辆载重10吨的货车在满载情况下，每公里耗油0.4升，加装后可节约0.03升柴油，按照现在的柴油价格6.04元/升，计算可知每公里可节约0.1812元。据交通部统计，2015年全国拥有载货汽车1389.19万辆，一辆货车每年行驶的里程数大约是160000公里，那么一辆货车每年油耗可节约28992元，则全国的货车一年可节省4000亿元。理论上，每升柴油完全燃烧可排放出1.58x10^6升二氧化碳，加装本装置后，一辆满载的标准重型卡车每公里可减少排放4.74 x 10^4升的二氧化碳。每辆货车每年消耗64000升的燃料，计算可知，每辆货车每年可减少排放7.584x 10^9升二氧化碳，也即14897.14吨二氧化碳。所以加装本装置后，不仅节约经济，而且有利于温室效应的减缓，很好的实现了节能减排的目的和要求。
参考文献
[1] 张继成 厢式货车空气动力减阻的数值模拟[D] 吉林大学 2011年4月
[2] 汪孛 集装箱运输货车气动附加装置的优化研究[D] 湖南大学 2010年4月
[3] 李 景 一种大型货车车尾改装节能方案的探究[J] 中国高新技术企业 2013年
[4] 张金龙 车身尾部结构对轿车尾流场影响的数值分析与优化研究[D] 重庆交通大学 2015年6月
作者简介：吕学成（1995-），男，河北省张家口市蔚县，河南理工大学本科在读生，能源与动力工程专业 。