貨櫃車加裝不同型式導風板之流場分析
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(2) The flow field analysis for the tractor-trailer vehicle with different types of deflector installation. Student：Liu Fu-Lung. Advisor：Dr. Tseng Ching-Chi. Graduate School of Mechatronic Engineering Ta Hwa Institute of Technology Abstract This study is to numerically study the flow distribution and the drag coefficient of the tractor-trailer vehicles with deflector installed. The aerodynamic effects for different type of deflectors are analyzed to obtain a better deflector design. Three CAD/CAE software including pre-processing software, PRO/ENGINEER, CFD software STAR-CD, and post-processing software FIELDVIEW, is used to perform the three-dimensional numerical computation, and the analyses are performed at the speed of 90 km/h. The results show that among the three basic types of deflector, the drag of the arc-shape deflector is the lowest. After fillet edge processing, the drag can be reduced further. The results show that the drag coefficients can be reduced from 4% to 17% when different deflectors are installed in the vehicles. There is also an angle limit for the deflector to contract, expand or installed.. II.
(3) 目錄 摘要 ................................................................................................................... I 英文摘要 .......................................................................................................... II 目錄 .................................................................................................................III 表目錄 ............................................................................................................ IV 圖目錄 ..............................................................................................................V 第一章、緒論....................................................................................................1 1-1 前言 .............................................................................................................1 1-2 文獻回顧.....................................................................................................4 1-3 研究方法...................................................................................................14 第二章、物理模式..........................................................................................25 2-1 物理模型...................................................................................................25 2-2 數學模式 ...................................................................................................28 2-3 邊界條件 ...................................................................................................29 第三章、數值方法..........................................................................................35 3-1 數值方法及收斂標準................................................................................35 3-2 網格品質 ...................................................................................................35 3-3 無因次係數 ...............................................................................................35 第四章、結果與討論......................................................................................38 4-1 三種基本形式導風板................................................................................38 4-2 基本形式導風板邊緣加上導圓角............................................................49 4-3 一次式導風板高度變化 ...........................................................................60 4-4 導風板前端角度往內縮 ...........................................................................80 4-5 導風板角度往外側擴張 ...........................................................................94 4-6 尾部加裝導風板 .....................................................................................106 第五章、結論................................................................................................116 參考資料 .......................................................................................................117. III.
(4) 表目錄 表 1 基本型式導風板風阻係數表 ................................ 48 表 2 導風板導圓角後風阻係數表 ................................ 59 表 3 導風板高度變化之風係數表 ................................ 79 表 4 導風板內縮之風阻係數表 .................................. 93 表 5 導風板外擴之風阻係數表 ................................. 105 表 6 尾部導風板風阻係數表 ................................... 115. IV.
(5) 圖目錄 圖 1-1 車輛外型之發展 .......................................... 圖 1-2 煙霧由車頭平行流向車尾................................... 圖 1-3 煙霧以 30 度角度流向車輛 ................................. 圖 1-4 影響流場與空氣阻力的兩大因素............................. 圖 1-5 駕駛室外型對風阻之影響................................... 圖 1-6 貨車加裝導風板對阻力之影響............................... 圖 1-7 RICHARD 發展的三種導流裝置 ............................... 圖 1-8 KEVIN R 發展的三種導流裝置 ............................... 圖 1-9 車頭與貨櫃間隙加裝平板................................... 圖 1-10 貨車兩節車廂之間裝導風板對風阻之影響.................... 圖 1-11 車輛尾端加裝導風板 ...................................... 圖 1-12 並排行駛之巴士前後距離與風阻係數降低之關係 .............. 圖 1-13 並排行駛之貨車前後距離與油耗量降低之關係 ................ 圖 1-14 車輛行駛於側風時速度及作用力向量圖...................... 圖 2-1 貨櫃車基本物理模型 ...................................... 圖 2-2 流場分析物理模型 ........................................ 圖 2-3 三種基本型式導風板 ...................................... 圖 2-4 三種基本型式導風板邊緣加導圓角........................... 圖 2-5 一次式導風板高度變化 ..................................... 圖 2-6 一次式導風板角度往內縮 ................................... 圖 2-7 一次式導風板左右角度往外擴 ............................... 圖 2-8 尾部導風板 .............................................. 圖 3-1 網格建構................................................. 圖 3-2 網格測試比較 ............................................ 圖 4-1 四種基本外型之 Y-Z 平面速度分佈(車寬 1/2) ................. 圖 4-2 四種基本外型，X-Z 平面速度分佈(車頭-車尾，車高 2.5 公尺) .. 圖 4-3 四種基本外型，X-Y 平面速度分佈(車頭與貨櫃間隙 1/2 處) ..... 圖 4-4 四種基本外型，X-Y 平面之速度分佈(車尾 1.5 公尺處).......... 圖 4-5 四種基本外型，Y-Z 平面等壓線之分佈(車寬 1/2) .............. 圖 4-6 Y-Z 平面車身表面壓力分佈(車寬 1/2)........................ 圖 4-7 基本型導風板邊緣導圓角，Y-Z 平面速度分佈(車寬 1/2) ........ 圖 4-8 導風板導圓角，X-Z 平面速度分佈(車高 3.2 公尺).............. 圖 4-9 導風板導圓角，X-Y 平面之速度分佈(車頭與貨櫃間隙 1/2 處).... 圖 4-10 導風板導圓角，Y-Z 平面壓力分佈(車寬 1/2) ................. 圖 4-11 導風板導圓角，X-Z 平面壓力分佈(車高 3.2 公尺)............. 圖 4-12 導風板導圓角， X-Z 平面車身表面壓力分佈(車寬 1/2) ........ 圖 4-13 導風板高度變化，Y-Z 平面速度分佈(車寬 1/2) ............... V. 17 17 18 18 19 19 20 21 22 22 23 23 24 24 31 31 31 32 32 33 33 34 37 37 43 44 45 46 47 48 52 53 54 56 57 58 65.
(6) 圖 4-14 導風板高度變化，Y-Z 平面尾部速度分佈(車寬 1/2) ........... 67 圖 4-15 導風板高度變化，X-Y 平面速度分佈(車頭與貨櫃間隙 1/2 處) .. 69 圖 4-16 導風板高度變化，X-Y 平面尾部速度分佈(車尾 1.5 公尺處)..... 71 圖 4-17 導風板高度變化，Y-Z 平面壓力分佈(車寬 1/2) ............... 75 圖 4-18 導風板高度變化，Y–Z 平面車身表面壓力分佈圖(車寬 1/2) .... 77 圖 4-19 風阻係數與導風板角度之關係 .............................. 78 圖 4-20 風阻係數與導風板角度之關係 .............................. 78 圖 4-21 導風板內縮，車頭 Y-Z 平面速度分佈(車寬 1/2 處) ............ 84 圖 4-22 導風板內縮，車尾 Y-Z 平面速度分佈(車寬 1/2 處) ............ 85 圖 4-23 導風板內縮，X-Z 平面速度分佈(車高 3.2 公尺處)............. 86 圖 4-24 導風板內縮，X-Y 平面流場分佈(車頭與貨櫃間隙 1/2 處)....... 87 圖 4-25 導風板內縮，X-Y 平面速度分佈(車尾 1.5 公尺處))............ 88 圖 4-26 導風板內縮，Y-Z 平面壓力分佈(車寬 1/2) ................... 90 圖 4-27 導風板內縮，Y-Z 平面壓力分佈(車高 3.2 公尺處)............. 91 圖 4-28 導風板內縮，Y-Z 平面車身表面壓力分佈(車寬 1/2) ........... 92 圖 4-29 導風板外擴，Y-Z 平面速度分佈(車寬 1/2) ................... 97 圖 4-30 導風板外擴，X-Z 平面速度分佈(車高 3.2 公尺)............... 98 圖 4-31 導風板外擴，X-Y 平面速度分佈(車頭與貨櫃間隙 1/2 寬)....... 99 圖 4-32 導風板外擴，X-Y 平面速度分佈(車尾 1.5 公尺處)............ 100 圖 4-33 導風板外擴，Y-Z 平面壓力分佈(車寬 1/2) .................. 102 圖 4-34 導風板外擴，X-Z 平面壓力分佈(車高 3.2 公尺).............. 103 圖 4-35 導風板外擴，Y-Z 平面車身表面壓力分佈(車寬 1/2) .......... 104 圖 4-36 尾部導風板，Y-Z 平面速度分佈(車寬 1/2) .................. 109 圖 4-37 尾部導風板，X-Z 平面速度分佈(車高 2.5 公尺).............. 110 圖 4-38 尾部導風板，X-Y 平面速度分佈(尾部 1.5 公尺處)............ 111 圖 4-39 尾部導風板，Y-Z 平面壓力分佈(車寬 1/2) .................. 113 圖 4-40 尾部導風板，Y-Z 平面車身表面壓力分佈(車寬 1/2) .......... 114 圖 4-41 KEVIN R.COOPER 尾部導風板最佳角度實驗 .................. 115. VI.
(7) 第一章、 第一章、緒論 1-1 前言 石油是現代工業社會最重要、最具戰略性的能源與基礎原料，但全球 一九七 O 年代兩次石油危機，卻導致油價暴漲及經濟重挫。為避免石油問 題再度衝擊經濟，世界各國無不積極尋求降低對石油的依賴度，但目前石 油仍占全世界現有能源總消費量的四成，且未來二十年此趨勢仍不會改 變。在技術與成本的限制下，預估世界石油蘊藏量只可再開採四十年，天 然氣可開採六十二年。因此，現在全世界依賴最深的主要能源－石油及天 然氣，在二十一世紀的前半，就將日趨枯竭，而隨著諸多產地蘊藏量降低 甚至枯竭，全球將面臨能源價格劇烈波動，並影響全球經濟發展。 由於石油的過度依賴與使用，大量燃燒化石燃料(煤、油、天然氣)， 造成大量的溫室氣體排放至大氣中(CO2,N2O,HFC,PFC,SF6,CH4)，其中又以 CO2 佔最大當量而為主要之溫室氣體，而 CO2 的排放又以交通運輸所含蓋 的交通工具包括： 飛機、船舶、火車、捷運、大客貨車、小客貨車、機車 等，為主要來源；目前世界各國均以 CO2 之排放減量為改善環境及能源消 耗為首要依據，其中”京都議定書”中透過國際協定管制 6 種溫室氣體 (CO2,N2O,HFC,PFC,SF6,CH4)，並透過跨國協商制定 CO2 減量機制，其中並 明定運輸部門以小客車、大客貨車、航空器為主要 CO2 排放來源。 由此可知，化石燃料的枯竭的與環境保護應是本世紀最重要的兩大議 題，針對交通運輸所排放之 CO2；大客貨車亦佔了相當重要的比例，其中 貨櫃車輛因為擔任貨物運送功能之角色，裝載貨物量大，行駛里程長，所 以每年消耗之燃料相當可觀，世界各國也已開始注意此一問題，並研擬相 關對策因應。 於是，許多商用車的製造廠進行各種節省能源的研究，其中一項研究 即是空氣動力效率的研究，雖然空氣動力在建築及農用等特殊車輛不具有 太大意義，但對於高速、市區及長程運輸車輛是非常重要的，因此非常重 1.
(8) 視空氣動力的設計以降低油耗。以一輛 38 噸貨櫃曳引(Truck train)車而言， 在 60Km/h 時必須以 25ｋｗ動力克服空氣阻力，在 80 Km/h 時必須以 60ｋ ｗ克服空氣阻力，又以一輛中型的小客車而言，在時速 100Km/h 時其空氣 阻力約為全部阻力的 80%，可見空氣阻力在車輛阻力有相當重要的角色，因 此許多降低油耗方式藉由空氣阻力降低來達成。 目前，量測車輛空氣阻力最主要的方法就是利用風洞(Wind tunnel)求 得空氣阻力，且以可視化的技術產品如車身貼上貼紙、油膜油滴、煙流法 觀察氣流的流動方向與特性。利用車輛實體進行風洞試驗求得空氣阻力應 是最為準確，但在實際狀態，空氣與車輛之實際相互作用關係與實際上車 輛在路面之行駛是相反的。而由牆壁所圍的空間中，空氣的動態與實際外 界狀態並不完全一致，尤其是風洞的地面是固定的，接近地面之氣流與實 際路面狀態不同。所以風洞中，與實際在路面行駛時的相對關係，或每個 風洞的特質需要加以把握，才能確保量測的精確性。在早期乃至於現在， 風洞的建構所費不貲，往往不是一般車輛製造廠所能負擔；Buchheim[1]表 示，以風洞開發 Audi100Ⅲ，必須花費 1000 小時風洞測試，這些工作包含 引擎冷卻及通風性測試，假定每小時 1500 元，則必須 1.5 million 的風洞成 本，且不包含模型及數值分析計算。因此，以風洞發展汽車空氣動力是非 常昂貴的，所以使用縮小車輛模型尺寸，以小型風洞來測試的情形很多， 在這種情況下，車輛的外型對於局部形狀必須省略，且必須考量物體或氣 體 流 通 的 尺 寸 、 速 度 ， 而 由 流 體 的 黏 性 係 數 (Coefficient of Kinematic Viscosity)來決定之數值雷諾數(Reinolds number)亦必須考量其模型相對關 係。 相對於使用風洞進行車輛流體力學之研究與設計，需要花費相當的成 本與工作時間，今天由於電腦及流體力學理論的進步，使得利用計算流體 力學(Computational Fluid Dynamics 簡稱 CFD)來設計性能優異之車輛外型 已成為車輛業界產品開發必備的工具，其主要是利用流體力學中，黏性流 體的基礎上運動方程式的奈維兒-史托克(Navier-stokes)連續次地解答，亦 2.
(9) 即從車輛前方開始移動的氣流，在此基礎上重複此方程式的計算，在實際 的運算上首先將車輛及周圍氣體流場模型以座標系統加以處理，再將模型 加以網格化處理，對每一網格的交叉點，從流動的基礎進行計算，以求得 流體可能發生的運動狀態，由於電腦可進行高速且龐大量的重覆計算，對 於車輛全部的氣流計算，僅需花費數十小時，對於修改後的模型也可進行 快速且重複的計算。其中對於在風洞中無法進行可視氣流操作的區域(引擎 室、散熱器、風扇…)，或可視化技術(車身表面貼紙、油膜油滴法、流煙 法)無法明顯觀察之流線，在電腦模擬中可獲得較詳細之解答。 目前，各車輛製造廠在進行車輛設計時，不管有無具備風洞之設備， 在考量開發流程、所需時間與成本情況下，在尚未能製造模型的開發初期 階段，即對於車身外型、姿勢、機件配置等等，逐漸採用電腦進行流場之 數值分析與模擬，待分析結果已盡理想與成熟後，才著手進行實體模型建 構，進行實際風洞之模擬，藉由電腦輔助模擬與風洞測試，此方式被認為 最理想的測試條件與狀態，不僅大幅縮短開發時間與成本，也增加風阻計 算之準確性。. 3.
(10) 1-2 文獻回顧 對於有關車輛空氣動力提出之研究文獻大致可分為 3 個重要階段: 1930 年:開始對各種車輛外型之風阻進行探討與實驗。 1970 年:起因於能源危機對世界之衝擊，對於各種降低阻力裝置進行 研究。 2000 年:石油價格高漲與環保要求，再度掀起研究之高潮。 由此可知，通常在能源危機出現時，相關車輛空氣動力的研究就會大 量的出現，也因此反映了車輛的空氣阻力與能源有著密切的關係。對於空 氣動力的研究，早期大多集中在航空器上，約在 1900 年代開始逐漸被使用 在車輛，此時車輛的外型大多參考船艦、飛艇之設計而有著如船尾的尾端 造型，但是由於車輛的外流場大部份為非齊次及非穩態，以及相對飛機在 高空時更為複雜，因此對於車輛流體的品質及車輛外型設計是不可不加鑑 別的取自航空學上。 1.車輛外型的探討與研究 針 對 車 輛 空 氣 動 力 發 展， Hucho 在 其 所 著 Aerodynamics of Road Vehicle[2]一書中有相當詳細的紀錄，其中將車輛的外型依空氣動力的發展 分為四個時期： (1)基本外型(Basic shapes) ， 如圖 1-1 所示 大約在西元 1900~1930 年間，車輛大多使用規律的流線，外型大多仿 照海軍船艦或飛艇，所以大部份車輛具有如船艦之細長的尾部，車輛外型 依此設計基礎下產生，因此車輛具有細長的尾部，長度與直徑的比例相當 大(L/D 高達 4)，車身沿軸線方向延伸，此時車輪及駕駛均暴露在車身外側 而未與車身加以整合，空氣阻力因此增加。而這些具有”船尾”造型並做 軸向延伸的設計被大量使用在大型豪華車輛及跑車上，但基於實務上的考 慮，道路交通工具的整體長度必須加以限制，除了要創造陸地行駛速度極 限的車輛，完全細長化的尾部並不切實際，而這樣的設計主要是認為氣流 4.
(11) 在前端分散後可利用船尾延長的外型延伸再做結合，但這並不符合空氣動 力學的原理，因為氣流在向外擴張的前檔板及外露的輪胎、車燈就被大量 的分散了，到了車尾也無法再合併，這個例子可以證明空氣動力在早期是 常被濫用及誤解的。 (2) 流線型(Streamline shape) 大約在西元 1920~1950 年間；第一次世界大戰後，一些流線型的車身 外型同時發展，主要是將應用在飛機上設計的經驗使用在車輛外型設計 上，發展的車輛外型有如”淚滴”(Teardrop Cars)的型式，主要是希望達到 能與最佳翼剖面形狀特性相媲美的結果，以上視圖來看，其外形有如機翼， 車頂保持良好流線，因此提供良好的 3 度空間流場，此時測得的風阻係數 為： A(面積)=2.57m 2 ，Cd(風阻係數)=0.28，但車輛輪胎在此時是沒有加 裝覆蓋的裝置，結果也造成阻力增加，這對於空氣動力的品質有重大的意 義，增加至少 50%阻力。 在此階段，也開始進行三度空間及圍繞在車身底部氣流進行研究，許 多流線造型的設計在此階段陸續出現，並被世界廣泛接受採用，隨後又發 展出”Combination form”車型，其方式為將兩個基本型車體結合在一起， 第一種是將第二個車身外型垂直加上，第二種是將第二個外型以圓滑的半 車身方式加入，為了避免氣流的分離，其尾端必須非常且極度的瘦長。 一直到第二次世界大戰結束，車子開始加入車蓋，有系統的將車輛的 前端及後端加以修改，並進行風洞測試，這時得到的結果顯示:較大的流場 在前端及後端相互影響，而具有長尾車型的低阻力是因為前端車身的氣流 與表面保持較佳的接觸；阻力快速的增加是發生在前擋風玻璃的巨大形狀 改變；另一方面，如果因為尾端較為圓鈍而造成阻力升高，那麼由於前擋 風玻璃的巨大形狀改變所造成的阻力相對較緩和。. 5.
(12) 然而，完全流線化的尾部並不切合實際，其結果是要達到能與最佳翼 剖面形狀的特性相媲美的結果，幾乎是不可能。不過，在與整體長度有關 的限制條件下，使前面和後面的輪廓最佳化則是可行的。 (3) 細部最佳化 完全流線化的尾部並不切合實際。有鑒於此，大約起始於西元 1974 年 開始發展理想的細部最佳化車型，這是發展中的第 3 階段，在造型的概念 中，進行包含車身轉角半徑、曲率、錐度、檔板等修改，逐漸的降低風阻 係數。應用此方法，Cd 值大約維持在 0.4，此方法被大部份車廠使用一段 時間。 (4) 從低阻力結構開發外型 大約起始於在西元 1983，主要是將細部最佳化的技術及理論發展至低 阻力車身的全尺寸最終外型；對於汽車而言，前面部分的輪廓和相關細節 是非常重要的。低的鼻部和平滑圓化的輪廓，是促進低阻力的主要特性。 經由 A 型柱的半徑、擋風玻璃前端配合的考量來降低寄生(PARASITE)和 干擾阻力，已逐漸受到重視，低阻力結構一步一步的轉移至實際車輛上， 並使用最佳化技術在每一個細部上，結果使得最近製造出來的車輛，其阻 力已經從大約 0.55 減少到 0.30 或更少。 車輛外型依歷史經驗發展至此，大型車輛，如貨櫃車巴士等，風阻係 數約為 1.0，貨車約為 0.6，小客車約在 0.3 以下。 2. 空氣阻力與風阻係數 (1) 空氣阻力 一般而言，空氣阻力可以分為三大類；壓力阻力和摩擦阻力，以及誘 導阻力。其中，發生在車輛的壓力阻力所佔比例非常大。此三種阻力之意 義如下所示：. 6.
(13) a.摩擦阻力(Friction drag):汽車行駛於空氣中，空氣會緊貼於車輛而產 生摩擦，稱之為表面摩擦。這主要是因為空氣和物體的接觸面，其速度梯 度較大，由於黏滯性的影響，在車輛表面形成剪應力(Shear stress)，進而衍 生了摩擦阻力；然而摩擦阻力是空氣貼在車輛的表面因摩擦而產生的阻 力，與表面積成比例而增大。因此，要減小摩擦阻力必須使車輛的表面積 減小，並且車身的表面必須盡量的平滑，1980 年間，義大利 FIAT Research Center 的 Bert.s.C.及 Bonics.B.[3]兩人製作 1/2 之貨車、曳引車、與巴士模 型，在風洞中進行風阻測試，結果顯示平滑貨車車廂表面與導角邊緣設計 較粗糙表面車廂之風阻係數(Cd)降低 22% 。 b.面壓阻力(Pressure drag):面壓阻力是作用於車輛表面的空氣壓力進 行方向分力之總和。即空氣正面吹向車輛所形成的阻力。除此之外，因為 空氣具有黏滯性，流經車輛前方及後方的流體會產生壓力差，前方的壓力 比後方壓力大，實際上從後方來的壓力並非推力，而是將車輛往回拉的力 量，這也是造成面壓阻力的主要原因。 c.誘導阻力(Induced drag):當揚力(Lift)或下壓力產生時就產生的阻 力，這是航空器特有的顯著阻力，依柏努力定理，氣體流經機翼形狀，上 方空氣流速快是負壓，而下面的空氣流速慢就是正壓，所以在翼端壓力高 的下方氣流(機翼下面)，就會流至上方壓力低的氣流，因此在機翼產生渦 流，由此原因所產生的阻力稱為誘導阻力。VW 車廠著名的空氣動力研究專 家 W.H 在 1976 由通用公司主辦之相關測試時即表示”行駛於地面的車輛會 產生誘導阻力實在不可思議”。在 Heinz Heisler 所著 Advance Vehicle Technology[4]一書中即說明了圓柱內紊流的流動方向及特性，欲以解釋車 輛於行進間所產生之紊流狀態；在圓柱周圍的流體速度最小，相反的，接 近圓柱中心的流體速度最高，但力矩非常小；這是由於黏性所產生的剪力 發生在靜止的中心部位與旋轉氣流的氣流之間，因此紊流的壓力會小於大 氣壓力，而在中心部位的壓力會遠低於週圍。此現象即是車輛行駛時車身 底部及側面氣流之發生主要原因。 7.
(14) 除上述三種主要空氣阻力外，由於形狀產生之阻力(form drag)也是造 成空氣阻力增減之原因，亦即所謂形狀阻力，形狀阻力主要是由於邊界層 的存在，在邊界層外呈現於無黏性流動之流體其有效形狀被改變，進而引 起壓力分佈之變化；尤其是在後方，壓力降低，對整個界面予以積分時， 此時所有壓力在流向中所產生合力稱為形狀阻力。Hoerner [2]針對各種基 礎型狀之物體進行風阻係數之研究，其中發現各種不同形狀之物體其風阻 係數有顯著之不同，在六種基本物體外型(球體、半圓體、椎體、平板、方 角體、圓椎尾)中，以平板的阻力係數(1.17)為最大，方角體次之(1.05)， 半圓體最小(0.5) 。 (2) 風阻係數 行駛中的車輛，在其移動的中心點位置，假設三度空間的橫直座標軸， 前後方向為 X，橫向設定為 Y，垂直方向設定為 Z。作用於此各軸方向之 力，或以軸迴轉中心的力矩，共有六個；三個力量是空氣阻力(Drag)、橫 力或升力(Lift)。力矩則為橫搖力矩(Rolling moment)、俯仰力矩(Pitching moment)、偏向力矩(Yawing moment)；而作用在行駛於空氣中之力與力 矩，是依車輛之形狀而變化，其中空氣阻力是阻止車輛向前方之力，亦 即車輛前進的反方向之力，為衡量空氣動力品質的依據；風阻係數即是 以空氣動力之大小，使用正對氣流的車輛斷面積，即前投影面積 A 而得， 在早期風阻係數都是在風洞中測試獲得，所得值最真實，但花費太大， 目前已漸由電腦加以輔助求得。 3. 阻力與油耗之關係 根據研究報告[2] 指出，40 噸的貨車在低速行駛於山路時，2.5%的油 耗(Fuel consumption)用以克服風阻，25%的油耗用以克服輪胎滾動阻力，其 餘的 72.5%用以克服加減速及爬坡時的阻力。在平均速度 57km/h 行駛於公 路時，10%的油耗用以克服風阻，32%的油耗用以克服輪胎滾動阻力，其餘. 8.
(15) 的 58%用以克服加減速及爬坡之阻力。在平均速度 72km/h 行駛於平坦路面 時，35%的油耗用以克服風阻， 65%的油耗用以克服輪胎滾動阻力。 貨車之風阻降低量及油耗關依行駛路況的不同而有所差異；行駛在崎 嶇不平的路面，風阻降低量 35%時，油耗節省 1%；在一般公路，風阻降低 35%時，油耗節省 2.2%； 在平坦路面定速行駛時，風阻降低量 35%時，油 耗節省可高達 12%。 4.外型對阻力之影響 1930 年 Pawlowski[2]建置了長方形車體，並在車頭前端邊緣進行導 角，以進行邊緣半徑對阻力影響之研究，對廂式車輛而言，邊緣為圓角時 可得到較佳的風阻係數。 另一個採用此設計的是 Volkswagen Van。是由 1951 年由 Molller[2]所 設計，它有兩大特色，一個是大量降低風阻及獨佔長久的市場，其前端的 圓角設計使他擁有較低風阻(0.76~0.42)的原因，第一個採用 Pawlowski 設 計的車輛是 Volkswagen LT(Light Truck)，在實際的測試中得知車頭前端只 要倒一個小圓角就可避免氣流分離，經實驗獲得；r/b =0.045(r 為圓角半徑， b 為車寬)即可得到最佳的風阻係數；亦有相關研究顯示，對巴士及小客車 車頭前端導引邊分別給予 150mm 及 40mm 之圓角邊，其對於風阻的降低有最 大的效果。大於此值後風阻降低則趨於平坦。Hucho 及 Emmelmann[2]在實 際的車輛上，對 A 柱的外型作了些許的改善，即加上一點圓角，這使得前 端氣流不會剝離，並可降低Ｃd 值 0.02。 對於長方型車體外型車輛，其長度與寬度的關係會影響到側邊氣流的 剝離程度，Barth[2]則對車身長度與寬度對風阻係數之關係做了相關研究， 結果顯示車長(L)/車寬(W)<1.6 時，氣流會因為車身前端之導引邊而剝 離，若 L/W>1.6 時(1.6~1.8)經由車身前端之導引邊而剝離之氣流又重新與 車身側邊接觸，由此可知長寬比為 1.6~1.8 時，阻力最小。 另外，1930 年代強調低阻力的車身外型，其尾部的外型是採用錐形延 長的車尾設計，基於使用者及操作者的需求而漸不被接受。實際可行的外 9.
(16) 型是尾部較溫和的變化圓角及從尾部車頂漸漸落下的圓角，和輕微的側邊 錐型。考量車輛的乘坐空間，將尾部的邊緣圓角化後Ｃd 值可降低(4~8%)， 側邊及車頂呈錐度化可降低(6~20%)，附加的尾部圓角化可降低(9~22%) 。 對於車輛外型而言，Buchheim[5]也提出了自己的主張，他認為一部全 新設計的車子，其前端邊緣可作以下幾個參數考量： ˙車頭前端錐度化設計 ˙如果沒有車頭前端錐度化設計，檔風玻璃錐度化設計是非常有效的 方法。 ˙圓角化在前端只有在特定的尺寸才有影響。如果前端為理想化設 計，則後端就成為主要阻力產生的區域。 Gilhaus[6]將此設計使用在巴士上，在加入圓角邊緣設計後使原來銳角 邊之車型阻力值由 0.88 降低至 0.36，再加上檔風玻璃的錐度與流線化後其 值又降低至 0.34。 5. 商用車輛之風阻 (1)流場與壓力分佈 在風洞中使用煙霧對貨車進行流體流動特性之流場觀測，可以瞭解空 氣流過車輛時穩順或擾亂之部位與程度。圖 1-2 是煙霧由車頭平行流向車尾 之照片， 圖 1-3 是煙霧以 30 度角度流向車輛之照片，原本平順的流體流向 卡車時，會沿著車輛外型移動，在車頭與貨櫃車廂之頂部(與自由流體平行 之水平方向)，邊界層逐漸成長；在整體流場中，車頭與貨櫃車廂之間的空 隙，流場最為混亂。由此可推斷，車頭與貨櫃車廂之間的距離(s)，以及車 頭頂端與貨櫃車廂頂端之高度差(h)，是影響流場與空氣阻力的兩大因素， 如圖 1-4。因此，車輛壓力分佈，高壓區是發生在駕駛室正前方以及車體， 這是因為氣流直接的撞擊；負壓區發生在車輛的頂端及尾端，這是因為氣 流剝離所產生。. 10.
(17) 從空氣阻力角度來看，拖車、卡車、曳引車，其氣流的形成是由於各 小部分車身外型的交互作用，為了便於觀察，必須將車身分開為各個作探 討，可分為駕駛室、車身、底盤，其空氣阻力比為 4:3:2，增加駕駛室與貨 櫃之寬度 S，阻力會輕微增加，若增加偏移角，則車身與底盤之阻力明顯增 加，主要是由於向下的氣流分開，以及流經底盤的氣流，相對之下，對駕 駛室影響較少。 (2)駕駛室外型對阻力之影響 Hucho[2]將駕駛室間隙 S，與車體對駕駛高度 h，分別以三種(銳角型、 流線型、量產型)不同外型之駕駛室外型，但具有相同外型尺寸之拖車作了 風阻相關實驗，如圖 1-5 所示。兩種車型具有相同尺寸、車身及底盤，所 以只有駕駛室是影響阻力的因素，他發現幾乎大部分有著銳角外型的拖車 都有著相同的 Cd 值；但是查看部分”車身”和”駕駛室”的對稱流，很明 顯的可以看到銳利外型的駕駛室幾乎佔有全部的阻力，並且成為後面車體 氣流的屏障，所以車身可能有零或負的阻力產生，”重新分配的阻力”的 現象也同樣明顯的在量測時產生，其實驗結果如下： 駕駛室外型：銳角型 ˙S 改變對阻力影響較少。 ˙h 為 1.0m 時阻力最小。 ˙h>1.0m 時阻力較流線型駕駛室更小。 駕駛室外型：流線型 ˙改變 S 得到更大範圍的 Cd 值，h 增加阻力也增加。 ˙與銳角型駕駛室比，h<1.0m 阻力較小。 駕駛室外型:量產型 ˙屬於較佳的”理想”流線型設計。 ˙h<0.6m 時，相對流線型駕駛室 Cd 值高。 此狀況會因加入偏移角的考量有所變化，流線型車頭在偏移角增加後 僅有少許阻力增加。 11.
(18) 近年來由於電腦分析速度的加快，楊錫慶[7]等人也對不同型式之卡車 車頭進行風阻係數之數值模擬分析，結果發現車頭的幾何外型對流場的作 用情形是直接且明顯的影響到車頭的風阻係數。 (3)卡車加裝降低風阻裝置 為了進一步改善貨車的空氣動力效應，Saunders[2]在 1967 年發展了 cab-spoiler 導風裝置，此導引氣流之構想與裝置早在 1933 年被採用在火車 蒸氣車頭，使黑煙遠離駕駛室，也降低風阻。1960 年間行駛於北美洲的車 輛有些安裝了導風板，這是最早使用導風板的例子，初期的導風板設計較 簡單，只被用來填補空間，爾後才漸漸導入流線外形。 導風板裝置安裝在駕駛室頭部與側邊的導風裝置是有其效果的，容易 安裝、有效且便宜，安裝在車體上以降低駕駛室和車體間之渦流， 1980 年 間義大利 FIAT Research Center 的 Berts, C., 及 Bonis,B.[3] 兩人製作 1/2 比例之貨車、曳引車、與巴士模型，在風洞中進行風阻測試；他們的研究 結果發現，若搭配性能優良之導風板，則貨車之風阻係數可降低 30%，曳引 車之風阻係數可降低 45%，巴士之風阻係數可降低 30%；其結果顯示貨車可 節省油耗 10.5%，曳引車可節省油耗 9%。 圖 1-6 比較加裝六種不同形式導風板之貨車 Cd 降低的百分比，其降低 比例△Cd 介於 9% 至 30% ，一般常見的二維幾何外型之導風板△Cd=28%， 三維幾何外型之導風板△Cd=30%，兩者幾乎相等，此表示二維與三維幾何 外型之導風板效果相差不多。 除了裝置在車頭頂部的導風板外，近年來也有許多先進的導風裝置陸 續的被發展與採用，Richard[8]發展了三種導流裝置，如圖 1-7 所示，分別 裝置於車頭與貨櫃間隙以及車尾貨櫃、底盤之輪胎後方，以達到整流與導 流的效果，其結果顯示可節省 6.5%~16.5%之燃油消耗；Kevin R[9]也將貨 櫃車加上三種導流裝置，如圖 1-8 所示，其中車頭與貨櫃間隙加裝一平板將 間隙左右區隔並封閉車頭與貨櫃間隙，藉以達到區隔左右渦流，並在底盤. 12.
(19) 部份加入側群角，以及船型的尾部延伸，如此共降低風阻 38%，由此可見， 貨車加裝導風板必可顯著降低風阻並節省油耗。 圖 1-9 所示兩種輕型貨車為 FORD 公司貨車與 MAN 公司貨車，因貨 櫃截面積較大，在未加裝導風板之前風阻係數較高(0.78)，經過特別的設 計，在車頭與貨櫃之間的間隙蓋滿導風板，此時風阻係數降為 0.50，降低 比例為 36%，這種設計之導風板效果最佳。Gilhaus, A.與 Hau, E.[10] 兩人 在 1982 年的 International Symposium on Vehicle Aerodynamics 中以專文討 論貨車兩節車廂之間隙對風阻之影響，如圖 1-10 所示。在第二節車廂前端 安裝圓滑導風板，風阻係數降低 5.5%；若導風板改為整流直板，風阻係數 降低 6.5%；若導風板是整流直板與圓滑板之總和，風阻係數降低比例為 10%；若兩節車廂中間之間隙封閉，風阻係數降低比例為 12%，這表示減少 作用於車廂之間的氣流作用有助於降低風阻係數。Mason, W. T. 與 Beebe, P. S.﹝11﹞之研究發現，在車輛尾端中間加裝一倍車廂寬度的水平或垂直平 板，或是在車輛尾端上、左、右邊緣加裝 1/4 倍車廂寬度之直板或圓弧板， 如圖 1-11 所示，加裝此種導風板所得到之風阻係數只改變一些或者根本沒 有改變。 另外藉助氣流干擾效應也可降低風阻係數，此現象可在密集車隊行駛 (Driving in convoy)之風洞實驗中獲得驗證。若車輛以較密集的程度在公路 上行駛， 則第一輛車子尾端所產生之氣流分離，將降低第二輛車子前端之 氣流動壓。參考圖 1-12 與圖 1-13 可發現，兩輛前後行駛之巴士，若前後 距離 20m，則風阻係數降低 30%；三輛前後行駛之巴士，若前後距離 20m， 則第三輛巴士之風阻係數降低 40%；以 40 噸卡車而言，當車輛間距介於 20m 至 80m 之間， 第二輛車子大約可節省 9%之燃料。 6. 側風對風阻係數之影響 事實上，車輛行駛時外界空氣通常都不是靜止，許多時候是以側風 VW 吹向車輛，如圖 1-14 所示。車輛以速度 V 向前行駛，負的車輛行駛速度-V. 13.
(20) 與側風 VW 之合向量 V∞是空氣直接吹向車輛之淨速度，-V 與 V∞之夾角ψ即 為風向偏離角度(Yaw angle)。 Gardell, L.[12] 於 1980 年在瑞典量測離地面 2 公尺高度之全年風速 分佈，由他的實驗可看出，一年當中最高風速約為 7.5m/s，且風速高於 20km/h(即 5.5m/s)之時間約占 20%。若以 5.5m/s 之側風垂直吹向車輛，且 車輛之速度為 80km/h(即 22.2m/s)，則風向偏離角度為 14 度；假如車輛之 速度為 100km/h(即 27.8m/s)，則風向偏離角度為 11 度。 參考資料顯示，空氣以合向量 VW 吹向車輛，在這個方向所形成之力量 即為空氣阻力 D。通常車輛行駛之速度很大，且 VW 很小，即 VW 與-V 相比非 常小，故夾角ψ也不會太大，大約在 8 度以內，因此在美國，T 通常被用 °. 來表示為空氣阻力。一般而言，有側風時( ψ≠ 0 )之風阻係數比無側風 時要高，若車輛加裝導風板，其外形之不同，因側風造成 Cd 之增加量也 不一樣。 1-3 研究方法 早期電腦不像今天般進步，那時車輛之風阻係數幾乎都是在風洞中測 試而獲得，雖然說利用整部車輛在風洞中進行實驗可得到最真實的風阻係 數，但是花費太大，因為需要很大的風洞及空氣動力源，以目前世界上最 大的風洞都很難測到小貨車或小巴士之 1:1 模型，如 40 噸大貨車就無法進 行 1:1 模型測試，故通常是利用縮小模型作實驗，採用縮小模型必須注意 幾何外型及流體力學﹝即雷諾數﹞之相似性。 美國 SAE J1252 介紹了貨車風洞測試方法，其中對風洞測試段與測試 車輛模型大小均提供建議值。例如：模型正面之投影面積不能超過風洞測 試段面積的 5%，模型高度不能超過風洞測試段高度的 30%，模型前端至少 要有兩倍模型長度之距離，模型後端至少要有四倍至六倍模型長度之距 離，在測試段內部之空氣流速不要大於 92m/s，以避免馬赫數接近 1 時之 空氣壓縮效應等。 14.
(21) 利用風洞量測風阻係數之前，可先在風洞中使用煙霧進行流體流動特 性之流場觀測，以瞭解空氣流過車輛時穩順或擾亂之部位與程度。圖 1-2 是煙霧由車頭平行流向車尾之照片，圖 1-3 是煙霧以 30 度角度流向車輛之 照片。風洞測試常使用之儀器有五種[13]： (1)力量(Force)或力矩(Moment)量測儀器：置於風洞內部之車輛模型 可利用支撐台或吊線固定在風洞測試段中，再利用荷重單元(Load cell)或應 力計(Straingauge)量測車輛承受之力量或力矩。(2)投影面積量測儀器：用 來量測車輛正面之投影面積，儀器有雷射光源、X-Y 位移平台、及投影平 面。(3)風速計：用來量測流過車輛之空氣速度，儀器有葉輪式風速計(Vane anemometer) 、 熱 線 風 速 計 (Hot-wire anemometer) 、 或 雷 射 測 速 儀 (Laser-Doppler anemometer)。(4)風向計：用來量測流過車輛之氣流方向， 儀器有多孔皮氏管。(5)溫度計：用來量測測試段之空氣溫度。 為了符合客戶求新求變的需求同時擁有產品競爭性，今日的汽車製造 廠必須不斷的開發較低價位、較安全、及駕駛舒適性的車輛，以立足於市 場上。新車型的開發若依據傳統的風洞測試與實車測試，則時程相當久， 如此往往會喪失市場先機。今天由於電腦及流體力學理論的進步，使得利 用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics 簡稱 CFD)以設計性能優異 之車輛外型已成為車輛業界產品開發必備的工具。經驗證實，它有逐漸取 代風洞測試的趨勢。誠如德國的 CFD 專家 Ahmed 博士所說，『風洞』與 『計算流體力學』都屬於流場模擬工具，風洞是類比模擬工具(Analog simulator)，計算流體力學是數位(Digital)模擬工具；兩者各有特性，同時 使用具有互補的功效。現今藉由多次風洞測試的車型開發工作，可能會被 將來的「先利用多次電腦 CFD 分析，最後再進行風洞測試，以驗證分析結 果」研發方式所取代。 計算流體力學是借助電腦來模擬流體運動的一門學問，它結合了流體 力學、電腦科技、數值分析、及數學方法。近幾年來，由於電腦的進步以 及 CFD 技術成熟，市面上已有許多商用軟體可用來分析流過車輛之外流 15.
(22) 場，例如：CFX、FIDAP、Fluent、STAR-CD、TASCflow、UNIC…..等等。 近年來也有許多相關文獻的發表，如工研院林國楨[14]、中山大學劉明山 等人[15]，使用市售商用軟體進行三度空間及二度空間之貨車外流場及風 阻係數之研究探討；其中劉明山等人利用 k − ε 穩態紊流模式進行貨車加裝 導風板之二維模擬分析，結果發現，當車頭與貨櫃之間未封閉時，加裝導 風板可減少 36%的空氣阻力；若當車頭與貨櫃之間封閉，加裝導風板可減少 61%的空氣阻力。林國楨的研究結果則發現車頭與貨櫃之間有間隙的貨櫃曳 引車加裝導風板後風阻係數降低 8.4%，無間隙且加裝導風板之貨車比有間 隙未裝導風板之貨櫃曳引車的風阻係數降低 14.9%。 上述對於車輛風阻之研究以風洞，或使用二維或三維之簡單外型為主 之數值方法進行計算。由於現今導風板之外型更為複雜，若能以三維實體 物理模型搭配三維分析軟體進行模擬分析，不僅可獲得更接近實際狀況的 結果，且可大幅減少實驗研究的時間。. 16.
(23) 圖 1-1 車輛外型之發展(摘自參考文獻[2]). 圖 1-2 煙霧由車頭平行流向車尾(摘自參考文獻[2]) 17.
(24) 圖 1-3 煙霧以 30 度角度流向車輛(摘自參考文獻[2]). 圖 1-4 影響流場與空氣阻力的兩大因素(摘自參考文獻[2]). 18.
(25) 圖 1-5 駕駛室外型對風阻之影響(摘自參考文獻[2]). 圖 1-6 貨車加裝導風板對阻力之影響(摘自參考文獻[2]) 19.
(26) 圖 1-7 Richard 發展的三種導流裝置(摘自參考文獻[8]) 20.
(27) 圖 1-8 Kevin R 發展的三種導流裝置(摘自參考文獻[9]). 21.
(28) 圖 1-9 車頭與貨櫃間隙加裝平板. 圖 1-10 貨車兩節車廂之間裝導風板對風阻之影響(摘自參考文獻[2]). 22.
(29) 圖 1-11 車輛尾端加裝導風板(摘自參考文獻[11]). 圖 1-12 並排行駛之巴士前後距離與風阻係數降低之關係 (摘自參考文獻[2]). 23.
(30) 圖 1-13 並排行駛之貨車前後距離與油耗量降低之關係(摘自參考文獻[2]). 圖 1-14 車輛行駛於側風時速度及作用力向量圖. 24.
(31) 第二章、物理模式 2-1 物理模型 物理模型主要是以三度空間方式建立，其尺寸主要參考現行市面上所 行駛及販售之貨櫃拖車加以簡化而來[16]，簡化之貨櫃車尺寸除省略輪 胎，另將車頭與貨櫃間利用底板連接，主要尺寸分別為：車頭長 2m，高 2.5m， 貨櫃長 12.2m，高 2.5m，底板長 13.8m，高 0.8m，車頭與貨櫃之間隙 1.6m， 車寬 2.5m，整車離地面高度 0.5m，如圖 2-1 所示。 流場分析之物理模型為長方體，入口處 Vin(25m/s=90km/h)為等速分佈 (Uniform flow)，以模擬高速公路之行車速度；Perzon 等人(1999)[17]的研 究發現，假如入口為等速分佈之流場，則車頭前面必需有足夠之距離，以 便在車頭處獲得較佳之壓力，因此建議此距離至少為 10 倍車高，本研究中 入口到車頭間之距離有 94.8m，大於 20 倍以上車高，符合建議值。 經測試分析後發現流場模型分別為 6 倍車長、寬、高時所計算之風阻 係數最為穩定。於是將貨車定位於中央近地面處，Z 方向距貨車前後各有 6 倍車長距離，Y 方向距貨車車頂有 6 倍車高距離，X 方向距貨車左右各有 6 倍車寬距離。座標取法為：空氣流向貨車之方向為正 Z，垂直貨車且與重力 方向相反為正 Y，面向車頭右手方向為正 X。整個流場模型尺寸長(L) × 寬 (W) × 高(H)為 205.4m × 32.5m × 23.6m，如圖 2-2 所示。 本研究主要將貨櫃車之導風板，依裝設位置加以區分為前方與後方， 在前方加裝之導風板，依現行市售及生產廠商所提供之產品資料[16]，可 歸納三種基本外型，主要為斜板、弧形板、三次曲線板；後方之導風板的 加裝在國內並不多見，目前主要於歐美國家使用，其外型主要為斜板式。 研究中主要將導風板外型特徵及裝設位置加以歸納為 3 大類進行分析 研究，探討每一種類型的流場行為及風阻特性，其分類如下：. 25.
(32) (1)基本導風板形式： 2. 外型主要為斜板、弧形板(曲線方程式: y = -0.0002x + 0.8342x + 3. 2. 11.671)、三次曲線板(曲線方程式: y = 2E-07x - 0.0006x + 0.8224x + 3.0466)，在此以分別以一次式、二次式、三次式稱之，導風板之高度均與 貨櫃相等，前端與車頭等高，如圖 2-3 所示。 (2)針對前方導風板外型變數之探討： 圓角化：Hucho(1998)[2]的書中提到，對公共汽車的研究顯示:如果小 心注意前方的輪廓設計，要將阻力減少達到 25%是有可能的。其中的研究是 將巴士的車頭頂端邊緣加以導圓角，以量測不同導圓角半徑下對風阻之影 響，結果顯示風阻係數隨導圓角半徑增加而小，而半徑超過 150mm 後，風 阻係數下降趨勢趨於平緩，超過 250mm 後，風阻係數不再下降而呈穩定狀 態；在 Heinz Heisler[4]的書中也對巴士車頭的兩側邊緣做了圓角化的風阻 研究，研究結果也發現在導圓角半徑超過 120mm 以後風阻係數開始趨於平 緩，超過 250mm 後風阻只有些微下降，兩者研究皆有相同的趨勢；因此， 參考上述之研究結果，在分析模型中是將基本型導風板之邊緣加以圓角 化，圓角半徑則為 300mm 加以分析，如圖 2-4 所示。 高度變化：Fujimoto 等人(1995)[18]利用 1/10 模型貨車進行風洞測 試，研究中將導風板逐漸加高，結果發現加裝導風板後所引導之氣流，最 好不要撞擊到貨櫃之迎風面，如此可減少阻力，改變導風板高度可影響風 阻係數達 40%；Heinz Heisler[4]在其所著作一書中提到，若將導風板前端固 定一位置為轉軸，逐漸增加角度，會出現風阻之臨界值，亦即隨角度之增 加會降低風阻係數，但超過此一角度後風阻係數又逐漸增加。在現今的導 風板設計上，為了能對車頭頂部至貨櫃頂部的高度差進行調整，也加入調 整機構以調整導風板高度，達到較佳的風阻效果。為探討導風板高度變化 對流場之影響；在此模型中將一次式導風板以貨櫃等高為基礎，每次往上 方增加 5°，共 10 次，如圖 2-5 所示。. 26.
(33) 角度內縮：對於導風板左右兩側往內縮對風阻的影響，Fujimoto 等人 [18]，將導風板前端固定一寬度，再將其左右兩端與貨車車廂形成一直線 作為參考角度，以此參考角度分別做往外增加及往內縮小角度之風阻研 究，結果發現加裝導風板後所引導之氣流，最好不要撞擊到貨櫃之左右兩 側迎風面，如此可減少阻力。為探討導風板角度往內縮對流場之影響；將 一次式導風板前端以貨櫃等寬為基礎，分 6 次往車頭軸線方向縮小 5°，共 6 次。如圖 2-6 所示。 角度往外擴：探討導風板角度往外擴張對流場之影響；將一次式導風 板後端以貨櫃等寬為基礎，分 6 次往車身外部方向增加 5°，如圖 2-7 所示。 (3)尾部加裝導風板： 大約在西元 1900~1930 年間，車輛外型大多仿照海軍船艦或飛艇，所 以大部份車輛，尤其在尾部都具有如船艦之細長的尾部，當時會有如此的 尾部外形，主要是認為完全細長化的尾部可使在前端分散的氣流可利用船 尾延長的外型延伸再做結合。但是因為氣流在向外擴張的前檔板及外露的 輪胎、車燈就被大量的分散了，氣流到了車尾也無法再合併。 以空氣動力學的理論基礎來看，車輛尾部紊流的產生主要是因為邊界 層內的摩擦力所產生的阻力，使得流經物體表面之流體粒子離開物體表面 而產生尾跡(wake)，而尾跡的壓力通常是非常的低，在車輛的尾部造成一 股吸引車輛而與車輛行進方向相反的力量，大部分空氣力學中的阻力是由 於低壓的尾跡所造成，若可以降低或消除尾跡，阻力就可以大幅縮小。考 慮車輛尾部的造型，若車尾流線改變的很快，則應力勢必增加十分迅速， 若將尾部變成”淚滴”形狀，流線打開的速度很緩和，因此壓力梯度增加 的很緩慢，這樣流體粒子不會被強制與物體分離，尾跡也較不易產生，但 此時尾部必須有相當的長度，必須考慮其實用性及合理性。 近期也有許多研究針對降低尾部紊流之裝置進行研究，由於早期使用 風洞大多只能對風阻係數進行量測或以煙流線進行流場流線之觀察，對於 較複雜之尾流(Wake)無法進行細部的觀察，近年來由於電腦輔助工程分析 27.
(34) (CAE)技術的發展，對於複雜的紊流型態以可做較細微的分析與觀察， Bahram Khalighi,S.Zhang and C.Koromilas 在 General Motors R＆D Center[19] 中以實驗及數值方法對尾流作模擬及分析，其中發現尾流為上下對稱之雙 渦旋組織，加裝分流板後其風阻可降低 20%。 Kevin R.Cooper[9]在考量實用性及合理性情況下，在貨櫃車輛的尾部 加裝彈性可摺式的導風裝置，其尺寸為距車後方 20 吋並向下、向內傾斜 15 °，結果對於尾跡的改善也有相當的成效。 為探討尾部加裝導風板對流場之影響；將貨櫃尾部加裝延伸 500mm 導 風板，並由上下左右往內側縮小，每次縮小 5°，共 6 次，如圖 2-8 所示。 2-2 數學模式 數學模式 本文選擇使用高雷諾數 k − ε 紊流模式來模擬流場。為簡化分析，本研 究對流場作了以下假設: (1)空間為三維直角座標系統。座標取法為：空氣流向貨車之方向為正 Z，垂直貨車且與重力方向相反為正 Y，面向車頭右手方向為正 X， 如圖 2-2 所示。 (2)工作流體為空氣，流體性質為牛頓流體(Newtonian fluid)。 (3)不考慮重力影響 (4)流體與物體之界面滿足無滑移條件(no-slip condition) 流場的控制方程式為： 質量方程式： ∂ρ ∂ + ( ρU i ) = 0 ∂t ∂χ j. 28.
(35) 動量方程式： ∂ ∂ ∂P ∂ + ( ρU i ) + ( ρU iU j ) = − ∂t ∂χ j ∂χ i ∂χ j. ∂U i ∂U j + µ ∂ χ ∂ χ i j. 紊流動能方程式( κ )：. µ ∂κ ∂µ ∂µ ∂ ∂ (ρκ) + ρµjκ − µ + t = µt p + pB − ρε− 2 µt i + ρκ i + µt pNL ∂t ∂χ σ ∂χ 3 ∂χ ∂χ i j k j i 其中 ：. (. p = S ij p p. B. ∂µ i ∂χ j. =−. NL. ). g i 1 ∂ρ σ h,t ρ ∂χ i. =−. ∂µ 2 ∂µ ρκ ∂µ i ρ µ i ' µ j ' i − P − i + 3 ∂µ j µ t ∂χ i ∂µ j µt. 紊流能量消散率( ε )： µ ∂ ∂ ∂ ε ( ρε ) + ρµ j ε − µ + t ε = C ε1 κ ∂t ∂χ i σ ε ∂χ j ∂µ ε2 ε ε C µt p − C P + C Pε i + C B ε 4 ∂χ ε2 κ ε1 κ ε3 κ i 其他相關的實驗建議值為: Cµ 0.09. σκ 1.0. σε 1.22. σh 0.9. σm 0.9. ∂µ ∂µ 2 µt p − (µt i + ρκ ) i + 3 ∂χ i ∂χ i . µt p. NL. Cε 1. Cε 2. Cε 3. Cε 4. 1.44. 1.92. 0.0 or 1.44. -0.33. κ. Ε. 0.419. 9.0. 由 流 場 入 口 高 度 23.6m 所 算 出 之 雷 諾 數 (Reynolds number) 為 3.9×10-6，為節省計算時間及複雜度，本研究採用穩態(Steady)方法進行分 析。 2-3 邊界條件 1.入口條件:. 29.
(36) Z=-L/2，紊流強度(Turbulence intensity) Tu=0.05，渦流尺度(Eddy length scale) L=0.001m。 u=0，v= 0，w=Vin. 2.出口邊界: Z=L/2，出口壓力 P=0(以大氣壓力為基準壓力) ∂κ ∂ε , =0 ∂n ∂n. 3.Y=H、X=±W/2，速度梯度=0 Y=0；u=0，v= 0，w=0. κ 與 ε 則採用 near-wall model 處理 y+ u = 1 + k ln( Ey ). y+ ≤ y+m. +. y+ ≥ y+m. 其中 u + :(u-u w )/u τ. u : 流體切線速度. u w :壁面速度. τ 2 uτ = w ρ. τ w :壁面剪應力. ρcµ4κ 2 y + y = µ. k :為經驗係數，0.42. E :為經驗係數，0.9. 1. 1. y + m 滿足右列方程式. y+m -. 1. κ. 1. ln(Eym+ )=0. 30.
(37) 圖 2-1 貨櫃車基本物理模型(單位:mm). 圖 2-2 流場分析物理模型. 一次式. 二次式. 三次式. 圖 2-3 三種基本型式導風板 31.
(38) 前視圖. 側視圖 R=300mm. 圖 2-4 三種基本型式導風板邊緣加導圓角. 上視圖. 側視圖. 圖 2-5 一次式導風板高度變化. 32.
(39) 上視圖. 側視圖. 圖 2-6 一次式導風板角度往內縮. 上視圖. 側視圖. 圖 2-7 一次式導風板左右角度往外擴. 33.
(40) 側視圖. 上視圖. 圖 2-8 尾部導風板. 34.
(41) 第三章、數值方法 3-1 數值方法及收斂標準 本研究係利用 CFD 軟體 STAR-CD 進行分析，此軟體採用有限體積法 (Finite Volume Method)，並使用非結構網格(Unstructured Meshes)以及使用 SIMPLER 演算法則，直接對控制體積積分，計算過程中各變數的殘餘數 -3. (Residual)收斂標準訂為 1.0×10 。 3-2 網格品質 STAR-CD 的網格可以是 Multi-block、Unstructured、Body-fitted 以及不. 規則的網格形狀，因此，可以適當的呈現出模型實際形狀。不論是圓柱或 是不規則幾何形狀，皆可以完整的符合物理模式。然而，這種不規則的幾 何形狀以及不規則的網格對數值計算會造成些許誤差，這可藉由局部劃分 更細的網格區域，將誤差降至最低。如圖 3-1 所示。 品質好的網格可以使計算疊代次數較少，結果也較為準確；相反的， 不好的網格品質會造成數值計算的發散或無法收歛，而網格數目之多寡會 影響分析結果及計算時間，因此在正式模擬之前，先進行格點測試(Grid independent test)。測試的格點數目分別為 178,017、233,846、412,654、. 626,497、873,117、124,382，結果如圖 3-2 所示，由圖中可看出當格點數 目超過 626,497， Cd 值已接近穩定，因此選定格點數目 873,117。 3-3 無因次係數 本文所討論的無因次係數為： Fp + Ff. 風阻係數 Cd = 1. 2. ρVin 2 A. ，. 35.
(42) 其中 Fp 為貨車在垂直 Z 軸面上之作用壓力(Pressure force) ，Ff 為作用 於貨車表面之摩擦力(Friction force)。ρ 為空氣密度，Vin 為車速或流速， A 為 車身前方正投影面積。. 36.
(43) 圖 3-1 網格建構. 1.5. CD值. 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.0E+00 2.0E+05 4.0E+05 6.0E+05 8.0E+05 1.0E+06 1.2E+06 1.4E+06 網格數. 圖 3-2 網格測試比較. 37.
(44) 第四章、結果與討論 4-1 三種基本形式導風板 三種基本形式之導風板包括斜板(一次式)、弧形板(二次式)、三次曲 線板(三次式)，這三種形式導風板為目前市面上主要使用之外型，將這三 種基本外型之導風板模型與未加裝導風板之原始車輛模型加以組合，分別 進行流場之分析模擬，並與未加裝導風板之原始車行進行分析比較，結果 如下: 1.速度分佈. 圖 4-1 為車寬 1/2 處 Y-Z 平面剖面之速度分佈。當空氣流向車頭受到 阻擋後，分別往車頭上下方向分開流動，在未加裝導風板之原始車型之車 頭前端，如圖(a)，因車頭斷面突然改變，流體呈剝離現象，在車頭前端上 方形成一負壓區；裝置一次式導風板後，如圖(b)，車頭前端上方之流場仍 呈現剝離現象，但情況較為緩和，二次式及三次式導風板的氣流剝離現象 相對顯得平順，如圖 (c)、(d)，顯示對氣流有較好的導引作用。 氣流越過車頭後隨即進入車頭與貨櫃之間隙中，在未裝置擋風板之原 始車型中，來自車頭方向之氣流，因無導風板之導引，使得部分氣流直接 撞擊貨櫃前端，形成極大之正面壓力，撞擊貨櫃之氣流往下方移動，隨後 氣流又撞擊到間隙的底部，然後以反時針方向往上方低速流動形成迴流 區，如圖(a)。裝置導風板後，可以明顯觀察到，經由導風板之導引作用， 部分氣流不再直接撞擊貨櫃正面，而是沿導風板表面移動，並越過間隙區 域，由於車頭與貨櫃間之流體受導風板上方氣流吸引使得原本反時針的迴 流區呈現較為水平並往上方移動；間隙內氣流往上方流動時與流經導風板 氣流相結合往車身後方流動。裝置導風板之各圖中，間隙內之氣流呈現迴 流現象，此區域為主要之負壓區，也是速度變化最大之區域。 隨後，氣流流至貨櫃尾端才往下擴散，此時由於車身左右兩側外型斷 面的突然改變，使得氣流進入尾部後形成渦流，一部分渦流因上方之流體 38.
(45) 吸引而在車尾上方形成一迴流區，此迴流區部分氣流撞擊貨櫃尾部後再往 下方流動，然後與通過車體下方偏向後上方流動之噴流會合形成另一迴流 區，複雜的渦流區域使得車尾之貨櫃表面呈負壓狀態，這是一個拉動車輛 與其行進方向相反的力量，圖中顯示，不管有無加裝導風板，其尾部之流 場狀態均大致相同，如圖(e)~(h)。 圖 4-2 為車高 2.5 公尺處 X-Z 平面剖面流場速度分佈；間隙區域中心 部分為迴流產生區域；當空氣流向車頭受到車頭阻擋後往兩側分開流動， 四種車型之流場均受車頭之影響，氣流在左右兩側呈現剝離狀態，隨後部 份氣流進入車頭與貨櫃之間隙並撞擊貨櫃前端，再往車頭方向進入間隙流 動而形成以車輛中心軸流動的水平左右對稱迴流區；圖中流場顯示，四種 車型，不管有無加裝導風板，對於車輛水平方向之流場改變並不明顯，如 圖(a)~(d)。 隨後流體流向車尾，左右兩側之流體向內壓縮，再以車輛中心軸流動 形成水平雙迴流區，渦流隨車輛長度之增長而逐漸消散平順，如圖(e)~(h)。 圖 4-3 為車頭與貨櫃間隙寬度 1/2 處 X-Y 平面之流場速度分佈，其中 可以明顯看到，流體以車輛中心軸為分野，區分為左右兩個迴流區域，未 裝導風板之車型，如圖(a)，氣流在撞擊貨櫃前端後隨即往間隙下方流動， 在間隙的氣流最後與車身左右兩側氣流結合流出，形成左右兩個迴流區。 加裝一次式與二次式導風板車型，如圖(b)、(c)，因裝置導風板，使得間 隙中之氣流受上方氣流吸引而有往上流動之趨勢，左右兩個迴流區愈變的 較平緩，兩個迴流區也較未裝導風板車型往上方移動，氣流由上方及車身 左右兩側流出。而加裝三次式導風板車型，如圖(d)，因三次曲線外型提供 氣流往上方加速之能量，氣流往上方流動之向量更為明顯，與其他車型相 比較，左右兩個迴流區已消失且氣流在中心軸由原來的上下分流，改變成 全部由下往上移動，因導風板之作用，氣流結構完全改變。 圖 4-4(a)~(d)為尾部 1.5 公尺處 X-Y 平面之流場速度分佈，圖中顯示 車尾之流場情形，氣流流至車尾後方，在車尾形成雙迴流區域，此雙渦流 39.
(46) 之形成主要是因為通過左右兩側之氣流，相對流經車頂及底部有較大的斷 面積所形成，而整體來看，不管有無裝置導風板，其尾端均會形成雙渦流 之現象，在未裝導風板車型中雖然其車頭部份流場較混亂，但可明顯看到 其尾部渦流分佈較其他車型平緩，如圖(a)；Gilhaus[20]等人研究也發現加 裝導風板後全車之風阻係數會降低，但也會導致阻力之重新分配，前方流 場與後方流場呈反比關係，亦即若前端流場較平順則後方流場較混亂，反 之亦然，因此分析結果符合其研究理論。 由流場分佈及渦流現象而言，加裝導風板在車頭與貨櫃間之垂直方向 (Y-Z 平面)流場幫助較大，但對水平方向(X-Z 平面)之流場影響則較小。 2.壓力分佈. 圖 4-5 為車寬 1/2 處 Y-Z 平面之等壓線分佈，在車頭迎風面壓力最大 處即為停滯點(Stagnation point)發生位置，車頭前方停滯點附近的流體均向 該處擠壓再向四周流動，所以壓力梯度較密。圖中可看出，停滯點壓力最 高，隨後往上逐漸降壓，直到車頂前端壓力降最大；而次低壓區正好位於 貨櫃上方前端。整體而言，車頭前及車尾後遠處之壓力為正值，其餘部份 為負值。在未加裝導風板之車型中，如圖(a)，車頭所受的正面壓力相當大， 車身前半部均壟罩在負壓區的狀態，在車頭及貨櫃之負壓區範圍也較其他 三種車型大，並向車頭頂端前方延伸，在貨櫃前端頂部及底部亦有負壓區 之產生，負壓區域代表渦流之位置，圖中顯示車頂前端壓力降最大，而次 低壓區位於間隙與車頂上方；加裝一次式導風板後，如圖(b)，整個流場中 的負壓區減少許多，貨櫃尾端上方之壓力區域有向前移的趨勢，車頭與貨 櫃之間隙是壓力降最大的區域，但此負壓區範圍較小。加裝導二次式導風 板後，如圖(c)，整個流場中的負壓區更加減少，其中間隙之負壓區縮小至 導風板後方，而與導風板上方之負壓區數值相同，且數值較高，使得流體 在通過導風板時，更容易跨越間隙至貨櫃前端，以避開導風板尾端空間變 大，流體壓力短暫密集變化增加阻力的問題，車頭與貨櫃之間隙內負壓區. 40.
(47) 更為縮小。三次式導風板與一次式導風板有相同的壓力分佈，如圖(d)，對 間隙內之負壓區也有縮小的效果。 另外，貨櫃尾端的等壓區即為渦流對發生的位置，由於貨櫃尾端上方 轉至下方處時，因為空間突然變大，壁面流體失去依靠，進而產生負壓區； 三種加裝導風板車型等壓區數值及區域相似，尾端所產生之兩個正壓區顯 示，在一次式與二次式導風板之兩個正壓區為相互連結且區域較大，顯示 尾部流場的壓力分佈較差，三次式導風板車型的兩個正壓區則呈現分離狀 態，且區域較小，尾部流場較佳；整體而言，整車共有六處壓力梯度變化 較大，分別為車頭前上方及下方、停滯點、貨櫃前上方、後方上、下兩處。 3.車身表面壓力分佈. 圖 4-6 為車寬 1/2 處 Y-Z 平面車身表面壓力分佈圖，未裝導風板之車 型，如圖(a)，由車頭前方下端處值接近 0 開始往上增加至停滯點的值最大， 隨後急劇下降至車頭前頂端，此為最低點，然後又上升至車頂尾端，在車 頭與貨櫃之間隙呈上下振盪，這是間隙渦流區壓力不穩定所造成；至貨櫃 前方處壓力開始上升，貨櫃前端轉折處又開始下降，此為次低點，隨後緩 慢上升並維持在一定值，到達貨櫃尾端時先下降再上升，再維持定值直到 車底。 安裝一次式導風板後，如圖(b)，車頭前端至車頂前端轉折處，壓力係 數並無明顯改變，但至車頂範圍之壓力係數上升則較為平緩，而間隙中的 壓力變低許多，最重要的是在車頭與貨櫃之間隙呈現的振盪較為平緩；安 裝二次式導風板後，如圖(c)，車頭前頂端之壓力係數明顯提升，顯示導風 板對氣流產生導引作用，且導風板之壓力不會突然升高，擾亂流體流動， 有助於流體流經該處時以較平滑之速度流過；而且其略低的壓力可加速流 體通過間隙，使得間隙中的流體在流出間隙時對該處流場的破壞減至最 小，也因此使得間隙中流體向外流出的力量受到抑制且流速減慢，但相對 的，也使得間隙與貨櫃上方的壓力差降低，讓流體在流經間隙及貨櫃上方 的速度變化減小，降低阻力；三次式導風板在車頭前端轉折處之壓力也有 41.
(48) 稍微提升之現象，如圖(d)，但受到三次曲線往上提升之外型，流體經過時 會產生一阻力突然上升之現象，進入間隙之後的壓力係數分佈則與一次式 相同。 整體而言，流體流經二次式導風板的壓力及速度變化，比其他形式之 導風板或未加裝之車型更為滑順，且流體在間隙與貨櫃的壓力及速度差也 較小。 4.風阻係數. 加裝不同導風板計算所得之風阻係數如表 1 所示，可看出加裝導風板 後，其風阻係數均降低 10%以上。 風阻係數最高的是未裝導風板的車型(Cd=1.232)，當裝上導風板後， 一次式導風板 Cd=1.101，風阻係數降低 10.6%，二次式導風板 Cd=1.074， 風阻係數降低 12.8%，三次式導風板 Cd=1.106，風阻係數降低 10.2%；三 種基本型式導風板以二次式導風板有最低的風阻係數，風阻效果最佳。. 42.
(49) (a)未裝導風板(車頭). (b)一次式導風板(車頭). (c) 二次式導風板(車頭). (d)三次式導風板(車頭). (e)未裝導風板(車尾). (f)一次式導風板(車尾). (g)二次式導風板(車尾). (h)三次式導風板(車尾). 圖 4-1 四種基本外型之 Y-Z 平面速度分佈(車寬 1/2) 43.
(50) (a) 未裝導風板(車頭). (b) 一次式導風板(車頭). (c) 二次式導風板(車頭). (d) 三次式導風板(車頭). (e) 未裝導風板(車尾). (f) 一次式導風板(車尾). (g) 二次式導風板(車尾). (h) 三次式導風板(車尾). 圖 4-2 四種基本外型，X-Z 平面速度分佈(車頭-車尾，車高 2.5 公尺) 44.
(51) (a)未裝導風板. (b)一次式導風板. (c)二次式導風板. (d)三次式導風板. 圖 4-3. 四種基本外型，X-Y 平面速度分佈(車頭與貨櫃間隙 1/2 處). 45.
(52) (a)未裝導風板. (b) 一次式導風板. (c)二次式導風板. (d)三次式導風板. 圖 4-4 四種基本外型，X-Y 平面之速度分佈(車尾 1.5 公尺處). 46.
(53) (a)未裝導風板. (b)一次式導風板. (c)二次式導風板. (d) 三次式導風板. 4-5 四種基本外型，Y-Z 平面等壓線之分佈(車寬 1/2) 47.
(54) (a)未裝導風板. (b)一次式導風板. (c)二次式導風板. (d)三次式導風板. 圖 4-6 Y-Z 平面車身表面壓力分佈(車寬 1/2) 表 1 基本型式導風板風阻係數表 型式. Cd 值. Cd 降低(%). 原始外型. 1.232. -. 一次式. 1.101. 10.6. 二次式. 1.074. 12.8. 三次式. 1.106. 10.2. 48.
(55) 4-2 基本型 基本型式導風板邊緣加上導圓角 在早期，商用車的車頭邊緣大多為銳角邊緣，氣流流過時容易產生邊 界層剝離情況，進而造成阻力增加，為了達到較佳的風阻特性，目前已有 很多人將心力擺放在車輛前面的輪廓設計；在本研究中將基本外型之導風 板模型邊緣導圓角 300mm 分析比較其流場狀態。 1.速度分佈. 圖 4-7(a)~(f)為三種基本外型在導風板邊緣處加上半徑 300mm 圓角與 未加導圓角之車型在車寬之 1/2 處 Y-Z 平面剖面之速度分佈，當空氣流向 車頭，氣流受到車頭阻擋後，分別往車頭上下方向分開流動，氣流進入車 頭及車底轉角處，氣流會因為車頭外型劇烈之變化而產生氣流被剝離現 象，此時導圓角對於車頭所受之正面壓力及流體流動行為之改變較不明 顯，隨著導風板的導引，氣流往上方移動，導風板經導圓角後，原來在導 風板上流動之氣流因導風板邊緣圓角化特徵使得部分氣流流向兩側，進而 使得導風板上之氣流堆積之邊界層較薄，流動較為順暢；但在間隙之氣流 則因導圓角將部分氣流導引至兩側，進而降低導風板往上方導引之作用， 在導風板後方之氣流呈現較為混亂現象。 圖 4-8(a)~(f)為 X-Z 平面之流場速度分佈；為便於觀察導圓角對流場 速度分佈之影響，將分析之平面位置由原本車高 2.5 公尺提高至 3.2 公尺， 圖中顯示當空氣流向導風板，受到阻擋後往兩側分開流動，比較未導圓角 與導圓角之導風板，氣流流經導風板邊緣時，導風板邊緣未導圓角，其邊 緣為銳角，流過之氣流經劇烈之變形區域，流體呈現剝離狀態，往左右兩 側及後方流動，導風板經圓角化處裡後，氣流沿圓角邊緣平緩流動，邊界 層變厚且未產生剝離狀況，顯示導圓角對氣流產生導引功能，提供較佳之 流體特性。 圖 4-9(a)~(f)為車頭與貨櫃間隙寬度 1/2 處 X-Y 平面流場速度分佈， 其中可以明顯看到，氣流的流動是以車輛中心軸為分野，在未導圓角之導 49.
(56) 風板上，一次式(圖(a))與三次式(圖(e))導風板，在間隙之氣流是由中心 軸往上方及左右外側流動，二次式導風板之氣流分上下方向流動並往左右 兩側流動(圖 (c))，在導風板上方左右兩側形成迴流區；在經過導圓角處 理後，一次式導風板在導圓角區域後方產生左右相對迴流區(圖(b))，此迴 流區形成後對往上流動之流體形成誘導作用，在底部也產生左右對應之迴 流區；二次式導風板則在導圓角後方產生左右相對之迴流區(圖(d))，而三 次式導風板因三次曲線輪廓提供往上方之切線速度較大，所以圓角後方迴 流區之形成不明顯，氣流仍由下往上流動(圖(f))。 整體而言，導風板經圓角化處理，對於流體流過時可提供較佳的導引 作用，氣流沿著圓角邊緣流動，不致因劇烈之輪廓變化產生剝離；但在經 導圓角處理後容易在圓角後方之間隙中產生左右對稱之渦流。 2.壓力分佈. 圖 4-10(a)~(f)為車寬 1/2 處 Y-Z 平面之壓力分佈，導風板在加圓角特 徵後，車頭正面所受之壓力大致相同，但外圍之正壓區範圍較小，壓力梯 度較密，顯示流動較順暢；氣流流入間隙後，壓力就有明顯之改變，在間 隙內之迴流區較為收斂集中，如圖(a)(b)；其中，二次式導圓角導風板在 間隙內之迴流區出現往上方縮小並沿導風板往車頭前方延伸，如圖 (c)(d)；將原來分離的兩個負壓區相連，使得氣流流過時更加順暢，這主 要是因為導風板圓角化後流經左右兩側氣流較為平順，對於間隙內氣流影 響較小所致。在車頭部份的壓力分佈，很明顯的，最外層的正壓區在經導 風板導圓角後呈現往上收斂的現象，壓力梯度較密，此顯示氣流之流速變 快且較順暢。 圖 4-11(a)~(f)為車高 3.2 公尺之 X-Z 平面壓力分佈；來自車輛前方之 氣流經受導風板阻擋後形成阻力，導風板在正面所的受壓力，經導風板加 入圓角設計後，壓力梯度明顯變密，負壓區變小，顯示流體流動速度加快， 這是因為導圓角所產生之氣流導引作用；在車頭與間隙的周圍區域中也可 以明顯看到，負壓區的分佈範圍明顯變小；氣流進入間隙後，在間隙產生 50.
(57) 迴流區，導風板加入圓角特徵後，在一次式導圓角導風板間隙內之負壓值 明顯減小(圖(a)(b))，且分佈較為平均，在二次式(圖(c)(d))與三次式(圖 (e)(f))導圓角之導風板之間隙區域內之最大負壓值無明顯之變化，但分佈 較平均。而導風板加入圓角化設計後，對於尾部流場之壓力分佈則無明顯 之影響。 整體而言，導風板加入圓角化處理後主要對於對車頭、間隙之流場可 提供較佳之壓力分佈，對降低阻力有明顯之幫助。 3.車身表面壓力分佈. 圖 4-12(a)~(f) 為車寬 1/2 處車身表面壓力分佈圖。圖中顯示二次式 (圖(d))及三次式(圖(f))導風板導圓角後，氣流流經車頭頂端之轉折處 時，壓力較為提升，主要是因為在導風板正面之氣流受到導圓角之導引作 用，部分氣流往左右兩側流動，進而減少轉折區負壓的產生；也由於氣流 流動較順暢，壓力分佈較平均，使氣流更容易通過間隙區域，其中二次式 及三次式導圓角之導風板在表面上的壓力上升較為平緩，且間隙內之壓力 變化也較小。 4.風阻係數. 導風板加入導圓角化處理後計算所得之風阻係數如表 2 所示，其中顯 示導風板經圓角化處理後，其風阻係數可再降低約 4%。 一次式導風板經圓角化處理後 Cd=1.074，風阻係數再降低 2.5%，二次 式導風板 Cd=1.025，風阻係數再降低 4.6%，三次式導風板 Cd=1.058，風 阻係數再降低 4.3%。 將三種基本型導風板加以圓角化處理後，風阻係數均有降低的趨勢， 其中以二次式導風板降低幅度最大，顯示其效果最佳。若與原始未加導風 板之車型相比較，其風阻總共降低 17%，效果相當顯著。. 51.
(58) (a)一次式導風板. (b)一次式導風板＋導圓角. (c)二次式導風板. (d)二次式導風板＋導圓角. (e)三次式導風板. (f)三次式導風板＋導圓角. 圖 4-7 基本型導風板邊緣導圓角，Y-Z 平面速度分佈(車寬 1/2). 52.
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