Сегодняшняя потребность в увеличении эффективности эксплуатации транспортных средств является одной из самых сложных проблем автомобильной промышленности. В условиях тренда на повышение стоимости топлива и направленности промышленности в сторону экологически чистых технологий данная проблема приобретает все большую актуальность. В особой степени это относится к грузовым транспортировщикам, в качестве которых обычно используются тягачи с прицепами с существенным аэродинамическим сопротивлением, что обусловлено их большими габаритами, наличием в конструкции плохообтекаемых элементов и относительно высокой скоростью движения. В совокупности с большой длительностью и интенсивностью эксплуатации грузовых транспортировщиков, даже малейшее сокращение расхода топлива за счёт улучшения аэродинамики приводит к существенному уменьшению эксплуатационных расходов на транспортное средство и улучшению его рентабельности.

Специалистами АО «ЦИФРА» выполнен аэродинамический расчет стандартного европейского грузового транспортировщика на основе моделей тягача Renault T520 и полуприцепа Schmitz Cargobull S.Ko 24 (рисунок 1) с целью оценки его аэродинамического сопротивления при различных углах набегающего потока [1]. По результатам расчетов проанализированы наиболее проблемные с точки зрения вклада в полное сопротивление области течения и выработаны рекомендации по оптимизации конструкции рассматриваемого грузового автомобиля.

Рисунок 1 – Эскиз тягача с прицепом

Расчёты выполнены при помощи программного обеспечения Ansys Fluent, который реализует численный метод контрольных объёмов для интегрирования уравнений Навье—Стокса, описывающих механику жидкости и газа. Для подготовленной геометрической модели тягача с прицепом в программном модуле Fluent Meshing получена сеточная модель конечных объёмов, состоящая из 12 миллионов ячеек в форме произвольных многогранников (рисунок 2). В области шасси прицепа и тягача выполнено сеточное сгущение с целью более детального разрешения областей вихревых течений.

Рисунок 2 – Расчетная сетка на поверхностях тягача с прицепом

Скорость движения грузового автомобиля в расчетах составляет 90 км/ч. Моделирование вращения колес тягача и прицепа осуществляется с использованием граничного условия moving wall в терминологии Ansys Fluent.  Поверхность дорожного полотна также задается в виде подвижной стенки с указанием постоянной линейной скорости 90 км/ч и направления, противоположного направлению движения грузового транспортировщика. Обтекание объекта исследования рассматривается при двух углах набегающего бокового потока: 0 и 5 градусов соответственно.

Для расчёта турбулентного течения потока воздуха применен метод интегрирования системы уравнений Навье—Стокса, осреднённых по Рейнольдсу, для замыкания которой выбрана модель турбулентности k—ω SST. Численные расчёты внешнего обтекания проведены в псевдонестационарной постановке, позволяющей получить установившийся режим с учётом нестационарных эффектов течения. В данной постановке процесс установления занимает около 11 тысяч расчетных итераций.

Результаты численного исследования при угле набегающего потока 0 градусов

Общее сопротивление тягача с прицепом складывается из сопротивления давления и сопротивления трения. Помимо этого, внешнее обтекание грузового автомобиля сопровождается генерацией крупных зон отрывных вихревых течений, которые вносят значительный вклад в его результирующее сопротивление. На рисунке 3 представлено отображение изоповерхности вихревых структур при обтекании тягача с прицепом внешним потоком под углом 0 градусов. Форма, размеры и расположение изоповерхностей определяется по условию равенства полного давления нулю. Видно, что источниками крупных вихревых зон являются задняя часть прицепа, шасси тягача и прицепа, зазор между тягачом и прицепом и кабина тягача. Уменьшение размеров этих вихревых зон благоприятно сказывается на сопротивлении грузового транспортировщика в целом.

Рисунок 3 – Изоповерхности вихревых структур при внешнем обтекании модели грузового транспортировщика под углом 0 градусов (а – изометрия, б – вид сбоку, в – вид снизу)

На рисунке 4 можно заметить, что основная силовая нагрузка внешнего потока приходится на передние поверхности кабины и передних колёс тягача, а также на верхнюю часть передней стенки прицепа и рефрижератора. Это обусловлено торможением потока на этих поверхностях, в виду чего статическое давление здесь максимально. С боковых и верхних поверхностей тягача, а также боковых и верхних рёбер передней грани прицепа поток срывается, сворачиваясь в вихри, что приводит к появлению локальных зон пониженного давления. За прицепом также образуется область пониженного давления. Разница давлений между передними стенками тягача и задними стенками прицепа, а также между стенками в зазоре между тягачом и прицепом как раз и является причиной возникновения крупных по габаритам вихревых зон.

Рисунок 4 – Поле статического давления на твёрдых поверхностях грузового транспортировщика при угле набегающего потока 0 градусов

Для визуализации структуры возмущённого внешнего потока использовалась отрисовка по всем поверхностям объекта исследования линий тока, окрашенных по модулю вектора скорости (рисунок 5).

Рисунок 5 – Линии тока на поверхностях грузового транспортировщика, окрашенные по модулю вектора скорости, при угле набегающего потока 0 градусов

Наличие различных плохообтекаемых элементов в геометрии грузового автомобиля (зеркала заднего вида, элементы шасси и подвески, колеса и пр.) также приводит к появлению вихревых жгутов, сходящих с их твёрдых поверхностей. Визуализация потока под днищем тягача и прицепа представлена на рисунке 6. Можно наблюдать, что поток здесь имеет довольно хаотичный турбулентный характер.

Рисунок 6 – Линии тока на поверхностях под днищем грузового транспортировщика, окрашенные по модулю вектора скорости, при угле набегающего потока 0 градусов

По полю касательных напряжений грузового автомобиля (рисунок 7) видно, что основной вклад в сопротивление трения вносят боковые и верхние поверхности тягача, прицепа, а также поверхности их вращающихся колёс.

Рисунок 7 – Поле касательных напряжений на поверхностях грузового транспортировщика при угле набегающего потока 0 градусов

Из оценки сил сделан вывод, что сопротивление трения составляет порядка 6% от полного сопротивления. Таким образом, основным источником сопротивления является сопротивление со стороны сил давления в силу плохой обтекаемости модели. Итоговый коэффициент сопротивления для рассматриваемой модели тягача с прицепом, обтекаемой под углом набегающего потока 0 градусов, составляет C_d=0,6108. 

На рисунке 8 представлен график накопления коэффициента сопротивления C_d по всем поверхностям грузового транспортировщика. По графику наблюдается, что наибольший рост сопротивления возникает в областях торможения потока (на передней поверхности тягача) и в областях возникновения обширных отрывных зон (в зазоре между тягачом и прицепом и непосредственно за прицепом). При протекании потока вдоль прицепа и его шасси сопротивление также постепенно накапливается. Конечное значение на графике соответствует итоговому значению коэффициента сопротивления тягача с прицепом.

Рисунок 8 – График накопления коэффициента сопротивления грузового автомобиля при угле набегающего потока 0 градусов

Результаты численного исследования при угле набегающего потока 5 градусов

На рисунке 9 представлено отображение изоповерхности вихревых структур при обтекании грузового автомобиля внешним потоком под углом 5 градусов. Источниками крупных зон отрывов по-прежнему являются кабина тягача, зазор между тягачом и прицепом, задняя часть прицепа и шасси грузового транспортировщика. Однако наличие бокового потока приводит к нарушению его симметрии и образованию значительной по габаритам вихревой области с подветренной стороны шасси тягача с прицепом. Такое существенное изменение структуры потока может сильно сказаться на аэродинамических характеристиках грузового транспортировщика в целом по сравнению с расчётным случаем при угле натекания 0 градусов.

Рисунок 9 – Изоповерхности вихревых структур при внешнем обтекании тягача с прицепом при угле набегающего потока 5 градусов (а – изометрия, б – вид сбоку, в – вид снизу)

На рисунке 10 по линиям тока можно отметить, что вихревые шнуры с подветренной стороны простираются в продольном направлении далеко за габариты объекта исследования. В горизонтальном направлении с подветренной стороны наблюдается сильное смещение отрывных зон в область свободного течения.

Рисунок 10 – Линии тока на поверхностях грузового транспортировщика, окрашенные по модулю вектора скорости, при угле набегающего потока 5 градусов

При угле набегающего потока 5 градусов его взаимодействие с различными конструктивными элементами шасси и трансмиссии в области зазора между днищем грузового автомобиля и дорожным полотном существенно усложняется (рисунок 11). Наблюдается как втекание потока в пространство между колёсами прицепа с наветренной стороны, так и вытекание его через зазоры между колёсами с подветренной стороны с последующим отрывом. Также стоит отметить, что поток практически не вытекает с подветренной стороны в районе запасных колёс прицепа, что обусловлено подсасыванием его в область пониженного давления, образующуюся за прицепом. 

Рисунок 11 – Линии тока на поверхностях под днищем грузового автомобиля, окрашенные по модулю вектора скорости, при угле набегающего потока 5 градусов

Основная силовая нагрузка со стороны внешнего потока приходится на те же поверхности, что и в случае обтекания при угле набегающего потока 0 градусов, однако, характерные локальные зоны повышенного и пониженного давления, в силу наличия бокового потока, несколько смещаются относительно плоскости симметрии модели. На поверхностях шасси прицепа наблюдаются локальные области повышенного статического давления в районе колёс и брызговиков, а также поперечной силовой конструкции с наветренной стороны, что обусловлено торможением о них бокового потока (рисунок 12).

Рисунок 12 – Поле статического давления на поверхностях шасси прицепа при угле набегающего потока 5 градусов (вид с наветренной стороны)

По сравнению с внешним обтеканием при угле набегающего потока 0 градусов наблюдается иное распределение сил сопротивления по конструктивным блокам грузового транспортировщика. Наиболее существенными изменениями являются незначительное снижение доли сопротивления, приходящегося на кабину тягача, и повышение доли сопротивления, приходящегося на прицеп и все элементы шасси грузового автомобиля, особенно на шасси прицепа, что обусловлено воздействием на них потока с наветренной стороны. Итоговый коэффициент сопротивления для рассматриваемой модели тягача с прицепом, обтекаемой при угле набегающего потока 5 градусов, составляет C_d=0,7256, что примерно на 18,8% больше, чем коэффициент сопротивления той же модели, обтекаемой при угле 0 градусов.

На рисунке 13 представлен график накопления коэффициента сопротивления C_d по всем поверхностям рассматриваемого объекта, обтекаемого под углом 5 градусов. В областях перед передними и за задними колёсами прицепа наблюдаются два соответствующих скачка сопротивления. В этих областях на картине распределения давления (рисунок 12) наблюдаются локальные максимумы в районе брызговиков и соответствующих колёс в виду торможения о них потока с наветренной стороны. Устранение этих локальных максимумов может привести к уменьшению сопротивления тягача с прицепом. 

Рисунок 13 – График накопления коэффициента сопротивления грузового автомобиля при угле набегающего потока 5 градусов

Возможные пути оптимизации конструкции тягача с прицепом

Снижения аэродинамического сопротивления тягача с прицепом можно достигнуть несколькими способами. Одним из них, например, является оптимизация формы тягача. Наибольший вклад в результирующее сопротивление вносит именно кабина тягача, поскольку она является основным элементом, который формирует структуру значительной части воздушного потока, взаимодействующего с прицепом и другими элементами конструкции грузового транспортировщика. Поэтому большинство ведущих производителей стремятся производить тягачи с максимально обтекаемыми обводами. Оптимизации кабины может способствовать выбор рациональных её обводов и размеров, угла установки лобового стекла, увеличение радиусов скругления фронтальных углов, устранение или модернизация плохообтекаемых элементов (солнечный козырек, зеркала заднего вида, ступени кабины и пр.), а также различных конструктивных зазоров, в которые может втекать воздух, создавая источники дополнительного сопротивления. Для примера, на рисунке 14 представлена современная модель тягача Volvo FH16 с усовершенствованной обтекаемой формой [2].

Рисунок 14 – Модель тягача Volvo FH16 с усовершенствованной обтекаемой формой

Однако рассматривать аэродинамику кабины тягача отдельно от кузова неправильно, поскольку соотношение их размеров и величины зазора между ними также существенным образом влияет на сопротивление грузового транспортировщика. В зависимости от рыночного спроса, фирмы зачастую вынуждены производить грузовые транспортировщики с различными кузовами, которые требуют кабин разной формы. Иметь на производстве одновременно несколько вариантов кабин нецелесообразно по экономическим соображениям, поэтому особое значение приобретает иной путь совершенствования аэродинамики – применение различных навесных устройств, которые могут монтироваться на различные конструктивные блоки тягача и прицепа, обеспечивая снижение сопротивления в локальных проблемных областях течения (спойлеры, щитки, обтекатели, хвостовики, боковые юбки и пр.). Ниже приведены примеры наиболее часто используемых в процессе эксплуатации вариантов навесного оборудования.

Наибольшее распространение для грузовых автомобилей получили обтекатели, устанавливаемые на крыше кабины и позволяющие направить встречный поток воздуха на крышу и/или на боковые стенки кузова (рисунок 15, [3]). Это уменьшает избыточное давление на переднюю стенку кузова и разрежение на его крыше, а также приводит к уменьшению вихреобразования в зазоре между кабиной и кузовом.

Рисунок 15 – Воздушный обтекатель производителя ИЛЕКОМ

Большое влияние на аэродинамическое сопротивление грузового транспортировщика имеет величина зазора между кабиной и кузовом, причем картина усложняется, если движение происходит при боковом ветре, когда эффект от обтекателя на крыше тягача существенно снижается. Полностью устранить этот зазор не представляется возможным, поскольку он необходим тягачу с прицепом при маневрировании. Поэтому для предотвращения проникновения бокового ветра в пространство между кабиной и прицепом и его дальнейшего вытекания с подветренной стороны с образованием значительной по ширине и протяженности зоны завихренного воздуха в зазор между тягачом и прицепом устанавливаются специальные боковые панели или обтекатели, которые прикрывают этот зазор и не создают помех при маневрировании (рисунок 16, [4]).

Рисунок 16 – Обтекатели фирмы Freight Wing на передней стенке полуприцепа

Также для уменьшения влияния бокового ветра применяются специальные боковые юбки, которые блокируют попадание бокового потока под днище прицепа и его вытекание с подветренной стороны, тем самым существенно снижая аэродинамическое сопротивление грузового транпортировщика (рисунок 17, [5]).

Рисунок 17 – Боковые юбки производителя Aerotruck

При анализе расчетных результатов показано, что еще одним существенным источником сопротивления является вихревой след за прицепом. Уменьшение пространственных габаритов этого следа не может быть осуществлено путем придания кузову удобообтекаемой формы, поскольку кузов, в первую очередь предназначен для перевозки грузов, а следовательно, должен обеспечивать как можно большую грузоподъемность и вместительность. Поэтому кузов выполняется в форме угловатого контейнера. Однако и эту проблему удается решить за счет установки в задней части прицепа так называемых хвостовиков (рисунок 18, [4]). Такая навесная конструкция способствует уменьшению зоны пониженного давления за прицепом и минимизирует срыв потока с задней части прицепа при движении грузового автомобиля на высоких скоростях.

Рисунок 18 – Хвостовик фирмы ATDynamics

Заключение

Для достижения максимального снижения аэродинамического сопротивления тягача с прицепом, как правило, требуется комплексный подход: выбор формы и размеров кабины тягача и прицепа в сочетании с установкой на грузовой автомобиль различных типов навесного оборудования.  Осуществление модельных продувок и натурных испытаний в ходе такой оптимизации сопровождается большими финансовыми и временными затратами. Решить эту проблему можно с использованием такого инструмента, как численное моделирование. В рамках виртуальных испытаний возможно в сжатые сроки не только создавать полномасштабные геометрические модели любого уровня сложности, но и воспроизводить любые натурные условия. Численное моделирование может быть использовано как при поиске оптимальной с точки зрения обтекаемости формы элементов конструкции, так и для оценки эффективности конструктивных элементов, находящихся в эксплуатации.

1.  3D models for design, AR and visualization: [электронный ресурс]. URL: https://hum3d.com 
2. Советы по эксплуатации автомобилей Volvo: [электронный ресурс]. URL: https://volvolab.ru/ekspluataciya/volvo-fh16-tehnicheskie-harakteristiki-cena-i-fotografii-2/
3. Общество с ограниченной ответственностью ИЛЕКОМ: [электронный ресурс]. URL: http://ilekom.ru/uslugi/remont-prochie-vidy-dorabotok-gruzovoj-tekhniki/vozdushnyj-obtekatel
4. Аэродинамика грузовых автомобилей и автопоездов: [электронный ресурс]. URL: https://studref.com/327445/tehnika/aerodinamika_gruzovyh_avtomobiley_avtopoezdov
5. Aerotruck: [электронный ресурс]. URL: https://aerotruck.eu/index-ru.php