微型載貨汽車空氣阻力的優化與分析

蔡卓琳 黃君秀 聶麗娜

摘要：隨著物流行業的發展，微型載貨汽車在貨物運輸中扮演著重要角色，然而，由于其大型和高速行駛的特性，其空氣阻力問題對其燃油經濟性和運輸能效造成了重大影響。因此，對微型載貨汽車的空氣阻力進行優化與分析已成為當前研究的熱點，對提高載貨汽車的燃油經濟性、降低在運輸中的能源消耗和排放水平具有重要意義。本文簡述了空氣阻力的基本原理和分析方法，利用CFD 模擬分析了不同貨箱類型貨車流場的分布及空氣阻力差異，綜述當前在微型載貨汽車空氣阻力優化方面的研究成果，以提高貨車的能效和運輸成本效益，并探討未來開展相關研究的方向與前景。

關鍵詞：空氣阻力；微型載貨汽車；燃油經濟性；能源消耗；CFD 分析

中圖分類號： U462.3+1 文獻標識碼：A

0 引言

微型載貨汽車在現代物流運輸中起著至關重要的作用。然而，隨著經濟的發展和全球貿易的擴大，道路上的貨運量不斷增加，這對環境和能源消耗構成了巨大壓力。因此，研究如何優化微型載貨汽車的空氣動力學性能，減少空氣阻力的負荷，提高其燃油效率和減少環境污染成為了一個重要的課題。

過去的研究已經證明，微型載貨汽車的空氣阻力系數是影響其整體氣動性能的關鍵因素。通過減小空氣阻力系數，可以降低汽車在高速運行時的能量損耗，并提高燃油經濟性。此外，降低微型載貨汽車的空氣阻力還可以減少尾氣排放，減小對環境的不良影響[1]。

然而，在現實應用中，優化微型載貨汽車的空氣阻力面臨著一些挑戰。首先，微型載貨車的設計和制造過程通常涉及多個參數和復雜的約束條件。其次，空氣阻力優化需要綜合考慮不同的設計因素，如車輛的外形、尺寸和車身部件等。最后，有效的空氣阻力優化需平衡各種因素，并確保在優化過程中不會降低微型載貨汽車的其他性能指標。

本論文旨在針對微型載貨汽車的空氣阻力優化問題進行深入研究，并提出一種有效的方法，以降低微型載貨汽車的空氣阻力系數。通過對不同型式的微型載貨汽車進行模擬計算，得出其空氣阻力系數，分析并比較不同貨箱類型對空氣阻力的影響，為微型載貨汽車的設計和優化提供有益的參考及理論依據，以實現更高的能源效率和更低的環境影響。希望通過本研究，能夠為微型載貨汽車空氣阻力優化領域的進一步發展提供有價值的見解。

1 微型載貨汽車空氣阻力的基本概念和影響因素

1.1 空氣阻力的基本概念

空氣阻力是物體在運動中受到的來自空氣的阻礙力。當物體以一定速度運動時，周圍的空氣會與物體發生相互作用，產生阻礙物體前進的力?？諝庾枇Φ拇笮∨c物體的形狀、速度、密度以及空氣粘性等因素相關。

空氣阻力可以分為兩個部分：粘性阻力和壓力阻力。粘性阻力是由于空氣粘性引起的，當物體移動時，空氣分子與物體表面發生接觸，并對物體施加一個與物體速度方向相反的力。壓力阻力則是由于空氣在物體前方堆積形成的，物體前進時需要克服壓力阻力。根據空氣阻力計算公式，空氣阻力的大小與物體速度的平方成正比，即速度越快，空氣阻力越大。對于高速運動或者較大的物體，空氣阻力會變得非常顯著，影響物體的運動軌跡和速度[2]?？諝庾枇τ嬎愎饺缦拢?/p>

式中：C 為空氣阻力系數，該值通常是實驗值，和物體的特征面積（迎風面積），物體光滑程度和整體形狀有關；ρ 為空氣密度，正常的干燥空氣可取1.293 g/L，特殊條件下可以實地監測；S 為物體迎風面積；V 為物體與空氣的相對運動速度。

空氣阻力在許多領域都具有重要影響，例如運動員進行空氣動力學設計時需要考慮空氣阻力的影響，車輛設計中也需要考慮空氣阻力對燃油經濟性的影響。為了減小空氣阻力，人們常常進行空氣動力學優化設計，采用流線型的外形和其他降低阻力的措施。

1.2 影響微型載貨汽車空氣阻力的因素

微型載貨汽車的空氣阻力是由以下多個因素影響。

（1）車輛形狀：微型載貨汽車的外形對空氣阻力起著關鍵作用。通常來說，具有流線型設計的車輛會減小空氣阻力，而較為方正或有突出物的車輛會增加空氣阻力。

（2）車廂尺寸：車廂的長度、寬度和高度會影響空氣阻力。較高的車廂會增加車輛的截面積，從而增加空氣阻力。減小車輛的截面積可以降低阻力。

（3）車速：車輛的速度越快，所受到的空氣阻力就越大?？諝庾枇﹄S著車速的平方增加，因此高速行駛的微型載貨汽車會面臨更大的空氣阻力。

（4）載重：較重的貨物會增加微型載貨汽車的整體重量，從而增加空氣阻力。因此，更重的負載會導致更大的空氣阻力。

（5）車身表面狀況：車輛表面的狀態也會影響空氣阻力。例如，泥漿、雪或冰的覆蓋會增加表面的粗糙度，進而增加空氣阻力。

（6）車輛底盤設計：車輛底盤的設計也對空氣阻力有影響。平滑的底盤可以降低空氣阻力，減少底部空氣湍流的產生。選擇低滾動阻力的輪胎和車輪也能減小空氣阻力。

（7）外部設備：例如，裝載在車輛頂部的行李架、貨架、氣動設備或附加裝置也會增加空氣阻力。

（8）駕駛行為：駕駛員的操作行為也會影響空氣阻力。例如，急加速、急剎車或頻繁變道可能會增加空氣阻力[3]。綜上所述，這些因素都會對微型載貨汽車的空氣阻力產生影響。為了減小空氣阻力，需要采取一系列設計和操作措施來優化車輛形狀、減少負載并改善行駛條件。

1.3 微型載貨汽車空氣阻力的基本原理

（1）前阻力：當微型載貨汽車行駛時，車頭面對風流動時會產生前阻力。這是由車頭形狀、空氣阻力系數和車速共同決定的。通常來說，車頭越大、車身越笨重，空氣阻力系數就越高，從而產生更大的前阻力。

（2）側阻力：除了前阻力，微型載貨汽車在行駛過程中還會受到側面風的影響，產生側阻力。這個阻力取決于車身的側面積、車體形狀和車速。較高的車體、大側面積或不流線型的設計都會增加側阻力。

（3）尾阻力：在車輛行駛時，尾部的氣流也會對車輛產生阻力，稱為尾阻力。這個阻力主要是由車尾的形狀、后部下壓力、車速以及車身與地面間的空隙等因素共同決定。

（4）底部阻力：車輛行駛時，底部與地面之間的氣流也會對車輛產生阻力。車輛底部設計不良或底部空氣封閉不好會導致底部阻力增加[4]。

總體來說，微型載貨汽車的空氣阻力取決于車輛的形狀設計、車速和環境條件等因素。為了減少空氣阻力，優化的車身設計、流線型車頭、合理的底部設計以及增加車輛穩定性的措施都可以幫助減少阻力并提高燃油效率。

1.4 微型載貨汽車空氣阻力分析方法概述

分析微型載貨汽車的空氣阻力目前有很多不同的方法和工具，常用工具如下。

（1）CFD 模擬：計算流體力學（Computational FluidDynamics，CFD）是一種利用計算機模擬流體流動和傳熱的方法。通過建立微型載貨汽車的數值模型，并使用CFD 軟件進行模擬，可以計算出在不同風速下的車身空氣阻力系數。這種方法可以提供詳細的流動分析和精確的結果，但需要專業的軟件和經驗。

（2）風洞試驗：風洞試驗是一種通過在實驗室中模擬風速和空氣流動來測量空氣阻力的方法。在風洞中放置實際大小或縮比模型的微型載貨汽車，并測量其受到的空氣阻力力。這種方法可以提供實驗數據，但需要建立適當的模型和風洞設備。

（3）基于車輛幾何參數的經驗公式：通過分析微型載貨汽車的幾何參數（如車身形狀、尺寸、車頭面積等），可以使用一些經驗公式來估算空氣阻力系數。例如，Drag Coefficient（ Cd）是一個常用的指標，用于衡量車輛在空氣流動中的阻力。這種方法相對簡單，但對于復雜的車輛形狀可能不夠準確。

（4）數值優化方法：基于數學優化理論和算法，可以使用微型載貨汽車的幾何參數和其他設計參數，通過迭代計算來優化車身形狀，以減小空氣阻力。這種方法需要結合優化算法和數值模擬，可以得到更優化的設計結果[5]。

在實際應用中，可以結合以上的方法，根據具體需求和限制，選擇適合的分析方法進行微型載貨汽車空氣阻力分析。

2 常見微型載貨汽車的空氣阻力分析

微型載貨汽車的車廂型式是影響空氣阻力關鍵因素，通常來說，空氣阻力會隨著貨箱的形狀變化而改變。通過分析不同貨箱類型微型載貨汽車對空氣阻力的影響，將有助于我們更好研究微型載貨汽車空氣阻力優化方向。目前常見的微型載貨汽車貨箱型式有欄板式貨車、倉柵式貨車和廂式貨車（圖1）。

2.1 不同廂型微型載貨汽車流場分析

通過建立模型，運用CFD 工具模擬分析，可以得出不同貨箱型式微型載貨汽車的流場圖。

2.1.1 欄板式貨車流場分析

欄板貨車通常具有開放式的貨箱，四周由欄板組成。由于貨箱開放，空氣可以自由穿過欄板，在高速行駛時形成較大的空氣阻力。從流場圖也可看出，車頭處流線較順暢，氣流高壓區位于車身兩側，流線從貨箱處開始分離，貨箱區域及車尾存在明顯的對稱渦流（圖2）。因此欄板貨車的相對轎車或微客會有較高的空氣阻力，也可能導致較高的油耗。

2.1.2 倉柵式貨車流場分析

倉柵式貨車與欄板貨車類似，也具有開放式的貨箱，但其欄板之間通常由金屬網格組成，一般不同柵欄密度也會造成不同的阻力差異。從流場圖可看出，相比欄板貨車，倉柵式貨車的貨箱網格結構會切割空氣，貨箱及尾部區域的空氣流線也更混亂，湍流更多，相對阻力也更大（圖3）。

2.1.3 廂式貨車流場分析

廂式貨車的貨箱是封閉式的，通常由金屬或復合材料制成。從流場圖分析，相比欄板貨車和倉柵貨車，廂式貨車的空氣流線相對順暢，氣流高壓區在車身及貨箱兩側，貨箱頂部和尾部存在較明顯的湍流（圖4）。

從流場圖分析，廂式貨車具有更優的空氣流場，但是計算微型載貨汽車的實際空氣阻力，除了考慮貨車從流場圖分析，相比欄板貨車和倉柵貨車，廂式貨車的空氣流線相對順暢，氣流高壓區在車身及貨箱兩側，貨箱頂部和尾部存在較明顯的湍流（圖4）。

從流場圖分析，廂式貨車具有更優的空氣流場，但是計算微型載貨汽車的實際空氣阻力，除了考慮貨車為倉柵式貨柜車＞廂式貨車＞欄板式貨車。

3 空氣阻力優化方法

3.1 車身外形設計優化

車身結構的優化，是降低空氣阻力的最基本也是最有效的方法之一。優化車身結構的目標是盡可能減少空氣阻力，提高行駛速度和燃油經濟性。具體方法如下。

（1）改變車身前端的設計：采用較小的前端氣動學設計，可以減少車頭的阻力，從而降低整車的空氣阻力系數。

（2）減少與空氣阻力的接觸面積：通過減少車身表面的曲線和邊角，可以減少與空氣接觸的面積，降低阻力系數。

（3）優化車身的下部流線形：通過調整車身的底部形狀，可以減少底部的湍流，從而減低下部的空氣阻力系數。

（4）采用封閉底盤結構：封閉底盤能夠減少底部的湍流，從而降低底部部分的空氣阻力系數[6]。

3.2 增加減阻附件

在高速運動時，物體所受到的空氣阻力主要是由激波引起的。通過使用設計合理的減阻體，可以減少激波產生的能量損失，從而降低阻力。常見的減阻體包括導流罩、空氣阻力板、側裙板、尾翼和車身底部的風洞設計等[7]。

3.3 優化輪胎結構

輪胎作為微型載貨汽車車的關鍵組件，對貨車的空氣阻力也有很大影響。優化輪胎結構的目的是減小輪胎與地面的摩擦力，減少輪胎的滾動阻力，從而降低整車的空氣阻力系數。具體方法如下。

（1）采用低滾動阻力輪胎：低滾動阻力輪胎能夠減小輪胎與地面的摩擦力，從而降低輪胎的滾動阻力。

（2）使用輪胎的正確型號：使用正確的輪胎型號，可以確保輪胎與地面的接觸面積最大化，在減小滾動阻力的同時，還能提高輪胎的使用壽命。

（3）采用輪胎的減阻技術：如采用輪胎的減阻帶、減阻花紋設計等，可以減小輪胎的滾動阻力，從而降低整車的空氣阻力系數。

3.4 優化車身表面

物體的表面粗糙度會增加空氣阻力。減少物體表面的粗糙度，可以顯著降低空氣阻力。例如，在汽車制造中采用光滑的車身表面，以減少空氣阻力。表面涂層可以減少摩擦阻力和水滴阻力，使空氣在微型載貨汽車表面上更流暢。這些涂層可以采用低摩擦系數的材料，如液態聚合物或納米涂層。

3.5 優化載重率

微型載貨汽車的載重率直接影響著其空氣阻力特性。通過優化微型載貨汽車的載重率，可以減小車輛的重量，降低車輛在行駛時的空氣阻力。

3.6 材料輕量化

微型載貨汽車受到的阻力跟重量成正比，因此可以考慮更多的采用先進的輕質材料，在保證強度的前提下降低貨車的重量。新型的輕質材料，如碳纖維復合材料、高強度鋼、鋁合金、蜂窩板等，可以減輕微型載貨汽車的重量，降低空氣阻力。以上是空氣阻力優化的一些常見方法，可以需要根據具體應用場景和需求來選擇和優化，同時可以采用計算機輔助設計和數值模擬等高科技手段，提高優化效果[8]。

4 空氣阻力優化方案驗證與結果分析

為驗證上述降空氣阻力措施的有效性，本文選取了一款倉柵式貨車，從前部、底部、側面和貨箱四個維度采取導流優化方案作了進一步的建模分析和驗證。

4.1 前部導流優化

在汽車駕駛室頂部增加頂蓋導流罩（圖5），優化前部氣流，經過模擬分析，整車阻力值可以下降12.53%。

4.2 貨箱導流優化

在貨箱頂增加篷布覆蓋（圖6），降低倉柵網格形成的擾流，經過模擬分析，整車阻力值可以下降9.61%。

4.3 底部導流優化

在底盤前部前保下端及后部備胎側增加導風護板（圖7），優化底部氣流，經過模擬分析，整車阻力值可以下降1.73%。

4.4 側面導流優化

在汽車側面后輪兩側增加裙板及倉柵增加貼片（圖8），優化側面氣流，經過模擬分析，整車阻力值可以下降2.36%。

從實驗數據可以得出，前部造型和貨箱型式對空氣阻力影響最大，降阻貢獻量大，側面和底部優化貢獻量較小。實際降阻方案的選取，可以根據不同的車型需求及降阻目標，采取適當的方向。

5 微型載貨汽車空氣阻力優化的經濟與環境效益

微型載貨汽車空氣阻力優化可以帶來一系列的經濟和環境效益，具體如下。

（1）燃油效益：減小微型載貨汽車的空氣阻力，可以降低車輛在行駛過程中的能耗，從而減少燃料消耗。這將顯著降低物流運輸成本，提高車輛的燃油效率。對于運輸公司而言，這意味著更低的燃料開支和更高的利潤。

（2）碳排放減少：減少微型載貨汽車的空氣阻力可以降低車輛的碳排放。由于貨車是交通領域的主要碳排放來源之一，減少其碳足跡對于應對氣候變化非常重要。通過優化空氣阻力，減少碳排放，可以符合溫室氣體減排目標，有助于改善環境質量，減少空氣污染。

（3）車輛性能提升：優化微型載貨汽車的空氣阻力，可以改善車輛的性能和穩定性。減小阻力可以提高車輛的加速性能、剎車性能以及操控性，提高行車安全性，減少事故風險。這對于司機和貨物的安全都有顯著影響。

（4）維護成本降低：減小微型載貨汽車的空氣阻力還可以降低車輛維護成本。較低的阻力將減少零部件的磨損，并延長車輛的壽命。這將減少維修和更換零部件的頻率和費用。綜上所述，微型載貨汽車空氣阻力優化的經濟和環境效益包括降低燃料消耗和物流運輸成本、減少碳排放、提升車輛性能和穩定性，以及降低維護成本，對于企業、環境和社會都具有重要意義。

6 結論與展望

本文系統研究了微型載貨汽車高空氣阻力問題的原因及其對運輸效率和能源利用效率的影響，并提出了降空氣阻力措施，包括改進車身設計、使用減阻設備、優化載重率等。實驗結果表明，采取這些降空氣阻力措施可以不同程度的降低微型載貨汽車的空氣阻力特性，提高其運輸效率和能源利用效率。

未來，微型載貨汽車空氣阻力優化仍然有許多挑戰和發展方向。首先，使用新材料和技術，如碳纖維復合材料和3D 打印技術，可以進一步降低車身重量和改進車輛外形。其次，引入智能化系統，如自適應空氣阻力減少裝置和智能空氣阻力感知系統，可以根據實時環境條件對車輛進行空氣阻力優化。此外，結合車聯網技術和交通管理系統，可以實現車輛之間的協同行駛和優化路徑選擇，從而減少車輛之間的空氣阻力，并提高整體交通效率。

總的來說，微型載貨汽車的空氣阻力優化有著廣闊的應用前景和技術發展空間。通過不斷的研究完善和創新，我們可以實現更加高效、環保和安全的微型載貨汽車運輸系統。

【參考文獻】

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作者簡介：

蔡卓琳，本科，工程師，研究方向為汽車車身開發、設計及項目管理。