空氣動力學在客車造型設計中的應用

梅進明

空氣動力學在客車造型設計中的應用

梅進明

（廈門金龍旅行車有限公司，福建廈門361000）

結(jié)合流體力學軟件計算出原客車模型的風阻系數(shù)；通過結(jié)果分析，為客車模型的型體優(yōu)化提供精確的參考，從而有效減少風阻，改善整車的操控性和燃油經(jīng)濟性。

客車造型設計；空氣動力學；風阻

隨著國家節(jié)能減排法規(guī)的日益嚴格，以及運營商對于客車燃油經(jīng)濟性、節(jié)能增效等訴求的日益增多，許多客車生產(chǎn)廠家在新車型開發(fā)階段便將空氣動力學作為一個很重要的設計輸入對造型設計提出新的要求[1-3]。在三維設計數(shù)據(jù)完成之后，采用數(shù)值模擬（或縮比模型）和風洞試驗相結(jié)合的方法進行氣動性能分析和造型優(yōu)化，從而設計出風阻系數(shù)較小的造型方案，提高該產(chǎn)品的客車市場競爭力?？諝鈩恿W對于汽車設計的意義不僅在于改善其操控性，同時也是降低油耗的一個竅門。

以某車型為例，本次分析流程如圖1所示。

1 建立主模型并求解

1.1 幾何模型

首先建立整車三維幾何模型，應盡可能貼合最終產(chǎn)品，如后視鏡、外裝飾件等配件，直接影響著數(shù)值模擬的最終結(jié)果。所以整車的三維幾何模型應盡可能完整，以保證最終數(shù)據(jù)的準確性，如圖2所示。該車主要尺寸參數(shù)為：車長L=12 000mm，車寬W=2 500 mm，車高H= 3 850 mm，軸距B=6 180 mm，離地間隙C=315 mm。

1.2 確立計算域

計算域是模擬客車風洞試驗時空氣的流動區(qū)域，采用長方體，其尺寸如圖3所示。

1.3 建立有限元模型

利用Hypermesh和ICEM軟件建立的整車有限元模型如圖4（a）和圖4（b）所示。

圖4 （a）和圖4（b）分別采用面單元和體單元的單元類型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，客車的基本網(wǎng)格大小選取40 mm；對于前部、尾部及后視鏡氣流存在分離處的網(wǎng)格適當加密，網(wǎng)格尺寸為20 mm；局部細節(jié)特征如腰線、燈輪廓線和后視鏡尺寸為10 mm；進出口以及壁面網(wǎng)格尺寸為400 mm。于車體對稱，兩側(cè)流暢一致，為節(jié)約計算資源，可采用半側(cè)模型建模，有限元模型的總網(wǎng)格數(shù)約376萬個。

1.4 求解

1）邊界條件。將生成的整車有限元模型導入到計算機流體力學軟件Fluent中進行邊界條件設置，邊界條件設置為：入口速度30 m/s，出口壓強101 325 Pa，車體及輪胎固定無滑移壁面，地面移動速度30 m/s，側(cè)壁為靜止壁面。

2）計算模型。本次計算采用雷諾時均湍流模型，項源和擴散項計算采用二階中心差分格式，壁面函數(shù)采用標準壁面函數(shù)求解，使用SIMPLEC算法進行數(shù)值求解。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 氣動系數(shù)

根據(jù)汽車氣動力系數(shù)公式：

式中：空氣密度ρ=1.225 kg/m3，客車相對空氣速度V=30 m/s，客車正面迎風面積A=4.55 m2，F(xiàn)D和FL分別為客車的氣動阻力和升力。通過Fluent軟件求解FD和FL分別為1386.50N和-612.91N（該軟件基于有限體積法（FVM）求FD和FL，求解的方程類型是形如N-S方程的對流擴散方程）。

將上述數(shù)值代入公式，計算結(jié)果分別為CD=0.553，CL=-0.244

其中客車氣動阻力系數(shù)CD即是平時所說的風阻系數(shù)。氣動阻力系數(shù)CD值一般在0.45～0.8之間，低風阻客車的CD值在0.45～0.55之間，該客車模型的風阻系數(shù)較低?？蛙囆旭傔^程中的環(huán)流產(chǎn)生了上下壓力差，這個壓力差就是升力，氣動升力系數(shù)CL值越小表明汽車行駛貼地性好，反之，則行駛貼地性差，甚至會出現(xiàn)平常所說的“發(fā)飄現(xiàn)象”。CL的控制也是客車空氣動力學研究的重要課題，但本文就常關(guān)注的風阻系數(shù)作詳細論述。

2.2 車身表面壓強云圖

客車前后壓強差形成的壓差阻力是氣動阻力的主要來源[4]，本次客車壓差阻力為1 228.47 N，占氣動阻力的88.60%。一般在空氣中運動速度較大的物體如客車，受到的阻力主要是壓差阻力，其余來源于其受到的粘滯阻力，包括后視鏡、側(cè)圍突出的輪罩、裝飾板等物體產(chǎn)生的擾動以及漩渦阻力。壓強云圖見圖5。

正壓區(qū)主要集中在車身前部中心，后視鏡和車輪前部，尾部為負壓區(qū)。要進一步減少壓差阻力，可通過縮小前圍正壓區(qū)和尾部負壓區(qū)來降低客車風阻系數(shù)。

2.3 速度矢量圖

通過速度矢量圖觀察氣流在車身表面的貼合情況。比較理想的氣流流動特點是氣流緊貼車身平滑流動而不產(chǎn)生分離。從圖6可以看出，氣流與車身整體貼合較好，但在前圍與頂部、側(cè)圍以及底部過渡處，后視鏡和輪胎邊緣，氣流速度發(fā)生突變，產(chǎn)生明顯的氣流分離現(xiàn)象，導致了氣流擾動和能量損失。

為了獲得良好的客車氣動造型，可通過增大前圍與側(cè)圍，頂部與底部的曲率半徑過渡，采用流線型造型的后視鏡來減少分離區(qū)域，從而降低客車風阻系數(shù)[5-6]。

2.4 速度流線圖

通過速度流線圖觀察氣流在車身周圍的流動與分布情況。如圖7所示。

總體上，車身周圍氣流分布較為均勻流暢，但前圍頂部A處和前圍下部B處氣流發(fā)生突變，尾部氣流流速降低，匯合形成兩個方向渦核（C處）。因此，得優(yōu)化三處的造型面，盡量結(jié)合造型設計，避免嚴重的氣流分離[7]。

關(guān)于速度矢量圖和速度流線圖，分析內(nèi)容較為接近，相互論證式的分析，使得分析更為全面和準確，在圖6圖7圖上，可以較為直觀的看到氣流在車身表面的貼合情況和流動與分布情況，對造型曲面優(yōu)化提供更為精確的參考。

2.5 湍動能云圖

湍動能可表征客車行駛時用于客服空氣阻力消耗的能量，通過湍動能云圖可確定客車能量耗散的關(guān)鍵部位，為客車造型設計提供依據(jù)。如圖8所示，該客車在尾部、前頂部、前底部、后視鏡與側(cè)圍連接處和前后輪罩后補的能耗耗散較為明顯。所以，通過這些部位的造型優(yōu)化設計，可降低湍動能范圍和數(shù)值，提高客車氣動性能。

3 結(jié)束語

隨著客車工業(yè)水平的提高和制造技術(shù)的改進，高速客車氣動外形及氣動特性越來越受到重視。客車受到的氣動力和氣動力矩主要影響燃油經(jīng)濟性和行車穩(wěn)定性[8]。這就要求客車造型設計師，在設計一個車型的初始階段，就具備整車型體氣動性能意識的基礎上，還必須了解和學習一定的空氣動力學知識。結(jié)合造型設計，設計出低風阻的客車型體，提高整車動力性能及燃油經(jīng)濟性，使其在市場中具備更好的競爭力。

[1]雪梅.中國空氣動力學發(fā)展史[J].中國科技史雜志，1987（5）：47-47.

[2]Theodore von Karman.空氣動力學的發(fā)展[M].科學技術(shù)出版社出版，1958.

[3]丁巖，陳永光，李寧.空氣阻力與車身造型研究[J].公路與汽運，2008（2）：5-8.

[4]張英朝，李杰，張喆.轎車開窗行駛時的氣動阻力分析[J].江蘇大學學報：自然科學版，2010，31（6）：651-655.

[5]范士杰，王開春.國產(chǎn)新型轎車空氣動力特性的三維仿真計算[J].汽車工程，2000，22（5）：293-295.

[6]張揚軍，呂振華，徐石安，等.汽車空氣動力學數(shù)值仿真研究進展[J].汽車工程，2001，23（2）：82-91.

[7]張海峰.基于湍流模型的汽車氣動特性研究[D].長沙：湖南大學，2011.

[8]岳建雄.高速客車氣動特性的研究[D].濟南：山東大學，2012.

修改稿日期：2017-02-20

Application of Aerodynamics to Coach Modeling Design

Mei Jinming
（1.Xiamen Golden Dragon Bus Co.,Ltd,Xiamen 361000,China）

The author calculates the drag coefficient of the original coach model combining with fluid software. Through the results analysis,he provides references for the molded body optimization of the coach model,so as to effectivelyreduce the wind resistance,and improve the handlingbehavior and fuel economy.

coach modelingdesign;aerodynamics;wind resistance

U466

B

1006-3331（2017）02-0029-03

梅進明（1981-）男，工程師；主要從事客車新產(chǎn)品開發(fā)的造型和內(nèi)飾設計工作。