客車基本形體的空氣動力學(xué)特性研究＊

江 濤 高 嵩 汪怡平 鄧亞東

（武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室 武漢 430070）

0 引 言

隨著節(jié)能環(huán)保社會的發(fā)展需要，無論是汽車企業(yè)的開發(fā)者還是消費者都對汽車的燃油經(jīng)濟性提出了更高的要求.目前主要的節(jié)能手段包括采用新能源技術(shù)、提高發(fā)動機的熱效率、輕量化等，此外還有通過空氣動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計減少空氣阻力.在轎車、SUV等乘用車的風(fēng)阻優(yōu)化設(shè)計與研究中，由于設(shè)計車速較高，對空氣動力學(xué)給予了很大的重視，無論是企業(yè)界還是學(xué)術(shù)界都開展了大量的CFD（computer fluid dynamics）仿真研究和風(fēng)洞試驗測試［1］.商用貨車由于高速路況行駛的需要，對空氣動力學(xué)研究也逐漸深入［2］.

從學(xué)術(shù)研究的角度來看，同屬商用車的客車在空氣動力學(xué)的研究上開展較少，原因在于大部分客車特別是公交車，運營速度不高，受空氣阻力的影響較小.但對于城際和高速公路的客運客車，由于運營速度較高且迎風(fēng)面積較大，開展空氣動力學(xué)研究具有一定的經(jīng)濟價值.一般客車的迎風(fēng)面積在6.5～8.5m2，而轎車在2～2.5m2；國內(nèi)高速公路和市郊快速公路上的客運客車，車速可以達到90km／h.

Ashok Leyland商用車公司的技術(shù)人員對城市客車和城際客車的空氣動力學(xué)進行了研究，結(jié)論是100km／h時客車的空氣阻力較大，在1 000 N以上，并對客車橫截面形狀與風(fēng)阻的關(guān)系進行了研究，當(dāng)橫截面在頂部向內(nèi)收縮時能減少3.5%的風(fēng)阻［3］.MAN商用車公司的技術(shù)人員對Neoplan高檔客車進行了低風(fēng)阻設(shè)計，通過1∶4比例的模型風(fēng)洞試驗去探索外部造型，采用大圓角半徑頭部造型的Neoplan Cityliner客車的實車風(fēng)阻系數(shù)達到 了 0.35 的 水 平［4］，Raveendran Arun等［5］提出了一種低風(fēng)阻的概念客車原型，廖海祥［6］對某客運客車進行了CFD仿真和改型.

從客車的空氣動力學(xué)研究工作來看，主要集中在具體客車產(chǎn)品的改型和優(yōu)化運用上，對客車形體的基礎(chǔ)研究和氣動布局分析較少，本文因此開展了對客車空氣動力學(xué)的基礎(chǔ)研究，構(gòu)建了一客車基本模型，并從模型的長度、頭部切角等因素進行分析.

1 構(gòu)建研究模型

在市區(qū)運營的客車受空氣動力學(xué)影響較小，本文主要的研究對象是高速公路上運營的客車，一般為單一車廂結(jié)構(gòu)而非鉸接結(jié)構(gòu)，從整車尺寸上看，長度8～13.7m，高度3.1～3.8m，寬度為2.5m，離地間隙0.3～0.4m.客車作為商用車輛其寬度一般是固定的，高度則隨著座位下方行李艙容積需求的變化而改變，受乘坐人數(shù)的影響在車身長度上變化較大，最小長度一般為8m，最大長度受交通法規(guī)的限制，可以達到13.7m.

從前臉造型看，客車的前大擋風(fēng)玻璃與水平面保持較大的傾角，甚至達到垂直的程度.車身前臉與側(cè)面、頂部與側(cè)面、頂部與尾部、側(cè)面與尾部均有一定程度的圓角.

根據(jù)該現(xiàn)狀，本文建立了如圖1所示的客車基本模型，寬度、高度、離地間隙符合現(xiàn)有客車產(chǎn)品的設(shè)計，而長度出于研究需要可以改變，基準(zhǔn)模型長度為9m、高度為3.125m，離地間隙為0.36 m；對于造型則進行了簡化，頭部造型的傾角能夠進行調(diào)整，基準(zhǔn)模型的前臉與水平面的傾角為75°，尾部與水平面的傾角為90°，尾端的離去角為8°，并對邊界進行了圓角處理，圓角半徑為0.1 m，出于仿真需要車輪底部設(shè)計成臺階形.具體尺寸見圖2.

圖1 客車基本模型

圖2 基本模型的尺寸

2 CFD仿真

本文對研究模型采用了CFD仿真方法，建立計算域，模型前部留3倍車長，上部留4倍車高，后部留6倍車長，兩側(cè)均留5倍車寬，考慮到模型是對稱的為優(yōu)化計算資源，采用半車進行求解.利用OCTREE方法在整個計算流域生成非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，在車身表面拉伸出三棱柱網(wǎng)格以模擬車身表面的附面層，見圖3.最終網(wǎng)格數(shù)約為462萬，通過采用不同的網(wǎng)格數(shù)驗證網(wǎng)格計算無關(guān)性，測試表明所劃分的網(wǎng)格單元數(shù)足以消除網(wǎng)格密度的影響.

圖3 模型的網(wǎng)格劃分圖

對于邊界條件，設(shè)定為穩(wěn)態(tài)不可壓縮流，入口流速為30m／s，出口為靜壓力出口，計算域墻壁表面及上表面為滑移壁面，車身表面為非滑移壁面，地面為移動壁面，因為汽車在實際行駛時，地面是不存在附面層的.采用k－epsilon Realizable湍流模型進行計算模擬［7］.通過求解得出原始模型的風(fēng)阻系數(shù)和速度流線分布圖，見圖4.風(fēng)阻系數(shù)為0.365 1，迎風(fēng)面積為3.617m2.

圖4 模型的速度流線分布圖

3 客車長度與風(fēng)阻的研究

客車的車身寬度一般為固定值，而車身長度會受到設(shè)計乘員數(shù)的影響，研究長度與風(fēng)阻變化的關(guān)系對客車設(shè)計是有指導(dǎo)意義的.在原始模型9m車長的基礎(chǔ)上，通過加長或縮短模型中間一段形面，使模型的長度在7～14m之間發(fā)生變化，見圖5.

圖5 基本模型的長度變化

對上述變化方案按同樣的標(biāo)準(zhǔn)進行仿真，各方案下的流場參數(shù)對比見表1.

取統(tǒng)一的壓力上下限－3 200，600Pa來作為壓力云圖標(biāo)尺的上下限，對各方案進行壓力云圖對比，見圖6.

仿真說明在客車寬度一定的情況下風(fēng)阻系數(shù)隨著車身長度發(fā)生變化，變化的波動在0.008 2以內(nèi)，占原車風(fēng)阻比例的2.2%，并且存在一個風(fēng)阻最優(yōu)值，過短或過長都會使風(fēng)阻增加.車身長度的變化對流場的影響主要體現(xiàn)在，頂部氣流和側(cè)面氣流向尾渦的流動狀況，從而使整車阻力系數(shù)發(fā)生變化.各方案的最大流速在73～75m／s之間，壓力最大絕對值在2 967～3 009Pa之間波動.總體來看，客車長度對風(fēng)阻有一定影響，但程度不大.

表1 模型長度與流場參數(shù)

圖6 不同長度下的壓力云圖

4 前擋玻璃傾斜角與風(fēng)阻的研究

模型的前擋風(fēng)玻璃傾斜角直接影響到前部正壓力區(qū)的分布，從客車車身的結(jié)構(gòu)來看，前部造型可以分為擋風(fēng)玻璃和包納車燈與保險杠的前圍面，而擋風(fēng)玻璃和前圍面會形成一定的傾角，不同傾斜角與風(fēng)阻的關(guān)系見圖7.對各方案按同樣的仿真條件進行計算，并加上基本模型75°角方案，流場參數(shù)如表2.

取統(tǒng)一的壓力上下限－3 200，600Pa來作為壓力云圖標(biāo)尺的上下限，對各方案進行壓力云圖對比，見圖8.

通過對比各方案的結(jié)果，傾角越小則風(fēng)阻系數(shù)越小，變化的波動在0.053 7以內(nèi)，變化幅度達到了原車風(fēng)阻值的14.7%，傾角對風(fēng)阻的影響是顯著的.而且風(fēng)阻系數(shù)越小，最小負壓的絕對值和最大流速也就越小.通過速度云圖和壓力云圖分析可以得出，最大流速區(qū)域為頂部轉(zhuǎn)角過渡處，氣流在從前部正壓力區(qū)向頂部流動時，流速急劇增加，也使得對應(yīng)的負壓力絕對值增加.在入口初始風(fēng)速為30m／s的情況下，90°的垂直造型在該過渡區(qū)達到了75.8m／s的高值，而該高速氣流需要經(jīng)過頂部流動、尾端氣流分離和尾渦回復(fù)到30 m／s的入口流速水平，相比之下30°的傾斜造型在該區(qū)域的流速為63.9m／s，因此流速越高造成的能量損失越大，對應(yīng)的風(fēng)阻系數(shù)越大.

圖7 基本模型的角度變化

表2 模型角度與流場參數(shù)

圖8 不同角度下的壓力云圖

5 結(jié) 論

1）根據(jù)目前城際客車的尺寸和造型，構(gòu)建了一種客車基本模型.對基本模型的長度、前玻璃傾斜角度與風(fēng)阻的規(guī)律進行了CFD仿真研究.

2）模型長度對風(fēng)阻的影響較小，當(dāng)長度從7 m到14m間變化時，風(fēng)阻系數(shù)先下降到一最低值，然后隨著長度的增加而增加，變化范圍在2.2%以內(nèi).

3）前部傾角對風(fēng)阻的影響較大，當(dāng)傾角從90°變化到30°時，風(fēng)阻系數(shù)有較大程度的下降，下降范圍達到了14.7%.

4）仿真說明客車車身的長度對風(fēng)阻的影響較小，但頭部造型對風(fēng)阻的影響較大，在進行空氣動力學(xué)設(shè)計與優(yōu)化時需要予以重視.

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