面向公路货运重型车辆能效提升的空气动力学技术系统综述：从压力与摩擦阻力解构到AI辅助设计与仿生策略

《European Transport Research Review》：Review of the state-of-the-art on aerodynamic solutions in freight transport trucks for improving energy efficiency

　　

道路货运是温室气体（GHG）排放的重要来源，而气动阻力（aerodynamic drag）在重型车辆（HDV）能耗中占据主要份额。既有综述对空气动力学技术的讨论较为碎片化，缺乏对人工智能（AI）与仿生启发方案，以及其对电动化转型影响的系统整合。为此，研究人员通过PRISMA方法学，借助Rayyan工具对2000年1月至2025年1月文献进行系统筛选与分析，将减阻技术按其对压力阻力（pressure drag）与摩擦阻力（friction drag）的作用机制分类，建立统一比较框架。研究进一步评估了AI辅助气动设计、受自然形态与表面纹理启发的仿生策略，以及气动优化对电动HDV续驶里程的增益。结果表明：多气动装置协同可将气动阻力最高降低45%，节油率可达8%。最后，研究人员指出学术成果向产业落地、大规模道路验证及AI驱动优化深度融合仍是关键研究空白。

1 引言

道路货运在欧洲交通能耗与排放中占比显著，重型车辆（heavy-duty vehicle, HDV）的气动损失在高速工况下尤为突出。研究人员指出，车辆可视为近地面的钝体（bluff body），其气动阻力主要来自形状或压力阻力（pressure drag），而非摩擦阻力（friction drag）。在低速不可压缩、近似等温流假设下，阻力可由阻力系数 C_D 表征：C_D = 2F_D / (ρv2A)，其中 F_D 为阻力，ρ 为空气密度，v 为来流速度，A 为参考面积。减阻率（drag reduction, DR）定义为 DR = 100(C_D,Initial ? C_D,reduced) / C_D,Initial。当车速超过110 km/h，气动相关能耗近似指数增长，甚至超过质量因素的影响。

在流场分解上，压力阻力源于流动分离与尾部低压尾迹（wake），摩擦阻力源于边界层黏性剪切，其局部剪切应力对应皮肤摩擦系数 C_f = τ_ω / (?ρ_∞v_∞2)。层流剪切低于湍流，但受控湍流结构可抑制大尺度分离，从而实现全局减阻。经典研究模型包括Ahmed body与DrivAer模型；附加装置分为被动与主动，亦可按形状优化（shape optimisation：导流罩、侧裙、boat-tail）与拓扑改造（topology modification：涡流发生器 VG、射流、等离子激励）划分。

1.1 既往综述局限

已有综述多聚焦形状优化与拓扑修改，对颠覆性构型、生物启发形貌与表面纹理、车队电气化、AI方法以及实验验证阶段讨论不足。本文据此补足上述维度。

1.2 能效与气动阻力

半挂卡车以100 km/h行驶时，气动损失约占全部能量损失的50%。钝体车辆中形式阻力约占气动损失90%，表面摩擦约10%；前者受形体尺度主导，后者受材料与表面纹理影响。

1.3 货运排放与政策背景

交通部门是欧盟温室气体重要来源，HDV与客车约占运输排放五分之一。欧洲绿色协议（European Green Deal）提出2050净零目标，并推动零排放卡车与电动化，但电动HDV受续航焦虑、电池质量与基建制约，气动优化成为释放续驶里程的关键路径。

1.4 空气动力学解决方案演进

从早期Benz专利车、Kamm-back截尾理念，到石油危机后的导流装置，再到CFD普及与电动概念车，气动设计呈持续演进。需注意：平均车辆迎风面积因SUV化回升，导致实际阻力未单调下降。

1.5 现有气动增强装置渗透不足

尽管单牵引车优化经济性强，但 trailer 侧裙、尾缘boat-tail、间隙密封等方案因运营约束、回报周期与 fleet 集成复杂度而未大规模装配。

1.6 研究空白

缺乏全尺寸道路验证；电动HDV专用气动研究、仿生设计、AI优化不足；学术与产业间转化断层；测试协议未标准化。

1.7 目标与范围

设定三项主旨：综述并分类HDV气动技术、量化性能、研判趋势。范围覆盖形状/拓扑文献分布、flow structure、tractor-trailer装置分配、DR关联、多装置叠加效应、CFD/风洞/道路相关性、bio-inspired纹理、AI设计预测及电动续航延展。

2 方法论

采用PRISMA 2020混合方法综述，定性归类加定量指标分析。文献库取自WoS与Scopus，检索式覆盖truck/trailer、aerodynamic、pressure/skin friction drag、emission、efficiency，语言限英德西，文献类型限研究/综述/章节。时间窗为2000—2025年，以契合CFD时代主线。

2.1 时间框架

二十世纪末风洞为主，二十一世纪CFD精度与算力提升，形成仿真—风洞闭环，故以2000年为起点。

2.2 筛选与偏倚控制

初检5438篇，去重后由多名研究人员独立在Rayyan中按标题、摘要、全文逐级筛除；纳入标准围绕HDV气动能效，排除横风安全、升力主导等非主题文献。方法异质性（CFD/风洞/道路配置不同）作为偏倚来源明示。

2.3 最终选择

经PRISMA流程留存347篇用于分析，并按流场机制、装置类型、车辆部位打标。

3 结果

3.1 文献计量

发文量近二十年上升；核心期刊为SAE International Journal of Commercial Vehicles、Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics等；高产国家为英国、美国、荷兰；高贡献作者集中于Gilliéron、Kourta、Minelli等。

3.2 减阻分类

文献按压力阻力与摩擦阻力导向聚类。压力侧关注尾部分离控制、间隙流、底流与冷却进排气阻力（cooling drag）；摩擦侧关注边界层、表面微结构、仿生非光滑纹理。

3.3 形状优化

形状优化通过调整几何降低 C_D。关键参数包括后背倾角β（Ahmed body中约12.5°为低阻区，近30°阻力跃升）、宽高比AR、横摆角θ。典型附加件有：

驾驶室顶导流（cab roof deflector）用于过渡驾驶室—货箱高度差；侧导流（side fairing）平滑侧向气流；冷却流道优化降低内流阻力；底护板与侧裙削减底盘涡系；尾部boat-tail/底襟翼收缩尾迹。主动装置含可变导流、等离子作动、射流控制。

形状参数研究表明，背部斜角过小或过大均不利；AR低于约0.75—0.9可抑制分离，过高则钝体尾流恶化；横摆角增大会改变左右不对称涡结构。

综述进一步汇总：多装置组合（顶罩+侧裙+尾缘+间隙密封）具有累加乃至协同效应，但需防范局部装置在横风或不同载荷下反向增阻。CFD与风洞存在系统偏差，道路滑行试验才是最终能效闭环验证。

在新兴方向中，仿生表面（如非光滑鳞片、沟槽、鲸鳍前缘）通过延迟分离或重构近壁湍流实现低摩擦；AI方法用于形状搜索、代理模型与工况预测，可加速从参数扫描到最优外形的迭代。对电动HDV，气动阻力下降直接转化为高速电耗降低与续驶里程提升，尤其在电池质量与成本受限场景价值显著。

综上，文章主体以“阻力物理分解—装置分类—系统评价—未来融合AI与仿生—电动化赋能”为链，明确了学术创新到产业部署的转化瓶颈与优先研究方向。