Trailer

Onderzoek op het gebied van truck aerodynamica wordt uitgevoerd bij de faculteit Luchtvaart-en Ruimtevaarttechniek van de Technische Universiteit Delft, Nederland. Samen met PART en haar partners zijn meerdere full-scale tests uitgevoerd. Onderzoek naar de prestaties van verschillende oplossingen voor trailers. Hieronder een overzicht.

Onderkant

Met behulp van Computational Fluid Dynamics (CFD), zijn er numerieke simulaties van de stromingen rondom een trekker-opleggercombinatie uitgevoerd. Zo zijn de gebieden in kaart gebracht waar veel luchtweerstand wordt veroorzaakt, ref [53]. In figuur 3.8 is de stroming aan de onderkant van een combinatie te zien. Grote losgelaten gebieden zijn zichtbaar en dragen bij aan de totale luchtweerstand van het voertuig.
Figure 1: Stroming rond een trekker-opleggercombinatie.

1. SideWings

Windtunnel experimenten

Verschillende aerodynamische oplossingen voor de onderkant van de oplegger werden ontworpen en vervolgens getest in de windtunnel met een schaalmodel. Een serie van windtunnelexperimenten werd uitgevoerd in de lage snelheids windtunnel van de TU Delft. Tijdens de experimenten zijn meer dan 100 verschillende aerodynamische oplossingen ontworpen en getest. De best presterende oplossing wordt hieronder verder besproken.


Figuur 2: SideWings met geïntegreerde flow conductor (links boven), standaard side skirts (links onder) en windtunnel resultaten (rechts).

Standaard side skirts leveren een luchtweerstandvermindering van 8,5% op, zoals te zien is in figuur 2. De SideWing configuratie, rechte skirts met een geoptimaliseerd profiel, leveren de grootste luchtweerstandvermindering op, namelijk: 14% tot 17%. De uitstekende aerodynamische eigenschappen van de SideWings zijn toe te schrijven aan het voorste deel: de flow conductor, zie figuur 3.11. Het vleugelvormige onderdeel vangt de luchtstroom achter de trekker op. Hierdoor wordt de gehele combinatie naar voren geduwd en wordt bovendien loslating voorkomen. Deze unieke gepatenteerde vleugelvorm verdubbelt bijna de prestaties van bestaande skirts.

Fuel economy test op circuit en openbare weg

De Ephicas SideWing is uitgebreid getest op het circuit (zie figuur 3), maar ook op de openbare weg tijdens de dagelijkse werkzaamheden van verschillende transportbedrijven. De SideWings leverden een gemiddelde brandstofbesparing op van 1,5 liter per 100 km bij snelwegsnelheden. Dit komt overeen met een verschil van 5% voor een absolute brandstofconsumptie van 30 l/100 km. De resultaten van deze testen zijn verkregen volgens het SAE testprotocol. Met hogere windsnelheden werd een brandstofbesparing van meer dan 2 liter per 100 km gemeten.


Figuur 3: SideWings worden getest op het circuit.

2. Aerodynamische spatlappen

Een andere technologie voor de onderkant van de oplegger, de aerodynamische spatlappen, zijn ook getest op het circuit. Tijdens een eendaagse test, gebaseerd op het SAE Type II test protocol, werd een brandstofbesparing van 0,3 liter per 100 km gemeten. Er werd met een constante snelwegsnelheid gereden en de spatlappen werden achter de achterste as van de oplegger gemonteerd. Behalve het besparen van brandstof, voorkomen spatlappen ook grotendeels opspattend water.

Figuur 4: Aerodynamische spatlappen.

1. Tails

Een trailer kan worden omschreven als een taps toelopende toevoeging achter aan de trailer, deze zorgt ervoor dat er minder turbulentie achter de trailer ontstaat wat minder luchtweerstand tot gevolg heeft.

Simulaties en windtunnel experimenten

Om inzicht te krijgen in de eigenschappen en het gedrag van de luchtstromingen direct achter de oplegger, zijn er CFD-simulaties uitgevoerd (zie figuur 5). Met behulp van deze simulaties is er een eerste indruk gekregen van de mogelijk luchtweerstandvermindering bij het toepassen van een boat tail. Aan de hand van deze simulaties werd een weerstandsvermindering van 12% gemeten voor een vrachtwagenmodel.

Figuur 5: Simulaties (links) en experimenten (rechts) met het boat tail concept.

Tijdens windtunnelexperimenten zijn er meerdere configuraties van boat tails getest om de weerstandsvermindering te bepalen. De invloed en noodzakelijkheid van een bodempaneel is onderzocht, er is gekeken naar de hellingshoek van de panelen en de holte van de boat tail (open, halfopen, dicht). Uit de windtunnelexperimenten blijkt dat een open boat tail met bodemplaat het beste presteert. Met deze configuratie werd een luchtweerstandvermindering van 12% bereikt voor het trekker-oplegger model.

Getrapte tail

Een getrapte tail bestaat uit dunwandige platen, die aan de achterkant van de oplegger gehangen worden. Door de verspringing aan de achterkant ontstaan wervels die het zog verkleinen en de druk in het zog verhogen en daarmee de drukweerstand verlagen. Met behulp van numerieke simulaties en windtunnel experimenten zijn de gewone boat tail en degetrapte tail op een vereenvoudigd vrachtwagenmodel getest. Uit de resultaten bleek dat een langere tail een hogere luchtweerstandvermindering opleverde. Voor de getrapte tail is dit te zien in figuur 6. De best presterende getrapte tail levert een luchtweerstandvermindering op van 10%. De luchtweerstandvermindering van de kortere tails zijn verwaarloosbaar. Een gewone boat tail levert een vermindering op van bijna 40% op hetzelfde vereenvoudigde vrachtwagenmodel.


Figuur 6: Numerieke simulaties (l) en windtunnelresultaten (r) v/d getrapte tail.

Starre tail

Een eerste test op de openbare weg met een starre boat tail is in 2008 uitgevoerd. Voordat de tail op de oplegger werd gemonteerd was het brandstofverbruik al in kaart gebracht. Hierdoor kon het verschil in brandstofverbruik met en zonder starre tail geanalyseerd worden. Tijdens de testperiode werd de lengte van de tail gevarieerd. Een brandstofbesparing van 2 liter per 100 km werd behaald met een starre tail van 2 m. Bij het inkorten van de tail naar 1,5 m en 1 m werden besparing gemeten van respectievelijk 1,7 en 0,8 liter per 100 km.


Figuur 7: Weg testresultaten (rechts) van de starre tail (links).

Opvouwbare en opblaasbare tail

Meer praktische concepten van de tail zijn ontworpen en getest op het circuit (SAE Type II test protocol) en de openbare weg. Het eerste concept is een tail die handmatig naar buiten gevouwen kan worden om zo de toegang tot de opleggerdeuren te garanderen, zie figuur 8. Bij circuittesten kwam een brandstofbesparing van 1 liter per 100 km naar voren. Ook is deze opvouwbare tail vijf maanden lang door TNT Express getest tijdens operationele activiteiten. Hieruit bleek een brandstofbesparing van 1,6 liter per 100 km. De opvouwbare tail blijkt een effectieve oplossing te zijn die de activiteiten van de chauffeur niet hindert.

Figuur 8: Opvouwbare (links) en opblaasbare (rechts) tail.

Een tweede concept dat ontworpen is en vervolgens uitvoerig getest op het circuit, is de opblaasbare tail, zie figuur 8. De opblaasbare tail is gemaakt van flexibel materiaal en wordt met behulp van pompen opgeblazen tot de gewenste vorm. Circuit testen met een prototype gaven een brandstofbesparing van 1 liter per 100 km.

2. Vanes

Een andere en eenvoudige manier om luchtweerstand te verminderen is door het gebruik van kleine vleugeltjes (vanes) op de achterkant van de oplegger. Met behulp van numerieke simulaties werden verschillende parameters van de vanes gesimuleerd om een eerste indruk te krijgen van de weerstandsvermindering. De vorm van het vleugelprofiel werd gevarieerd net als de locatie van de vanes. Ook werden de hoeken van de vanes gevarieerd om een optimale hoek te bepalen.

Numerieke analyse en windtunnel experimenten

Figuur 9: 3D numerieke simulatie (links) en windtunnel model (rechts).

De windtunnelexperimenten gaven een duidelijk beeld van het effect van de verschillende vane configuraties op de totale luchtweerstand van het voertuig. Een potentiële luchtweerstandvermindering van 20% werd gemeten met een volledige omsluitende ring, d.w.z. vanes op elke kant van de oplegger, zie figuur 9.

Fuel economy test op circuit

Tijdens een testweekend werden de vanes op een oplegger gemonteerd om zo de optimale configuratie en bijbehorende brandstofbesparing te bepalen. Deze testen zijn gebaseerd op het SAE Type II testprotocol. De configuratie met alleen de bovenste vane gaf een brandstofbesparing van 0,5 liter per 100 km. Ook de configuratie met alle vier de vanes werd getest. Deze resulteerde in een kleine verbetering in vergelijking met alleen de bovenste vane. Meer onderzoek is nodig om het rendement van de vanes te verbeteren.

Figuur 10: Vanes aan vier zijden (links) alleen bovenste vane (rechts)


3. System Drag Reduction

System Drag Reduction (SDR) kan worden beschouwd als een windgeleider en wordt gemonteerd aan de achterkant van de oplegger op het dak, zie figuur 11. De aerodynamische prestaties en bijbehorende brandstofbesparingen verkregen bij het toepassen van de SDR werden gemeten tijdens een eendaagse circuittest gebaseerd op het SAE Type II testprotocol. Een absolute brandstofbesparing van 0,28 liter per 100 km werd gemeten. Dit komt overeen met 1,2% voor een gemiddeld brandstofverbruik van 23,96 liter per 100 km bij de aanwezige windsnelheden.

Figuur 11: SDR devices.

4. Active Flow Control

Door het bereiken van volledige buiging van een luchtstroom over een Coandă-oppervlak zal de stroming sneller naar binnen gebogen kunnen worden. Hierdoor zal het zog dichter bij de basis van het model komen waardoor de gemiddelde basisdruk stijgt en de luchtweerstand wordt verminderd. In figuur12 is het verschil te zien tussen loslating en luchtstroombuiging. Te zien is hoe de luchtstroom gehecht blijft aan het Coandă-oppervlak waardoor het naar binnen buigt en vervolgens de basisdruk verhoogt.

Figuur 12: stroomvlak loslating (links) luchtstroom afbuiging (rechts).