前圍造型對12 m客車空氣動力學性能影響研究

方 忠， 吳長風， 于霖沖， 林雪芳， 葉誠偉

(1.廈門理工學院 機械與汽車工程學院， 福建 廈門 361024；2.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司， 福建 廈門 361023)

汽車空氣動力學是研究汽車與空氣相對運動時的現(xiàn)象和作用規(guī)律的一門科學?？蛙嚳諝鈩恿W性能是指客車在流場中所受到氣動六分力(阻力、升力、側向力、側傾力矩、縱傾力矩、橫擺力矩)的作用而產(chǎn)生的車身外部和內部的氣流特性、氣動噪聲特性、側風穩(wěn)定性、泥土及灰塵的附著和上卷等特性，因為其中的作用以氣動阻力和氣動升力為主，故用氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)作為本次研究評價空氣動力學性能的指標[1-4]。對于客車空氣動力學性能方面的研究，國外學者結合客車模型以及近似車體模型(Ahmed模型)的風洞試驗驗證了數(shù)值模擬分析的可行性[5-7]。國內學者也用數(shù)值模擬方法對Ahmed模型和客車模型進行相關的氣動升力以及氣動減阻特性研究[8-10]；還采用風洞試驗對比研究的方法，對單一的前圍傾角變化進行了研究[11]。

結合國內外學者在客車空氣動力學方面的研究，本文基于某款12 m客車的開發(fā)，探尋前圍造型參數(shù)改變對客車氣動阻力和氣動升力的影響，為客車產(chǎn)品開發(fā)提供參考。

1 數(shù)值模擬方案的驗證

1.1 求解模型選擇

相對于航空風洞來說，汽車風洞是低速風洞。所以，在對客車外流場空氣動力學性能分析時，客車周圍的流場可以直接被認為是三維、定常、等溫、不可壓、粘性以及湍流流動的。相關研究表明，基于 K-Omega 模型的SST(剪切應力輸運)湍流模型能較準確地捕捉氣流分離特性，對湍流現(xiàn)象的模擬與實際物理現(xiàn)象吻合性較好，氣動參數(shù)計算結果較為精確，被廣泛應用于汽車繞流的數(shù)值仿真[12-13]。本文所有的數(shù)值計算都借助于STAR-CCM+仿真平臺，選用SST K-Omega湍流模型求解。

1.2 模型建立

Ahmed鈍體模型為近似車體模型，最早由S.R.Ahmed[5]用于風洞試驗研究汽車尾渦時提出，在汽車空氣動力學方面應用廣泛，是國際認可的風洞試驗模型，可以用來驗證數(shù)值模擬方法的準確性。圖1為在UG中建立的標準Ahmed模型[6](長×寬×高為1 044 mm × 389 mm × 288 mm)。

圖1 Ahmed鈍體模型

計算域的尺寸大小與幾何模型大小有關，Ahmed模型與客車模型的計算域選取原則保持一致。長方體的計算域大小是入口邊界距車頭為3倍車長、出口邊界距車尾為4倍車長、左右壁面邊界與車輛距離各為3倍車寬、總高度為5倍車高。

Ahmed模型的風洞試驗是由Hermann Lienhart等人[6]在LSTM低速風洞中完成的。為保證數(shù)值模擬方法的結果與風洞試驗數(shù)據(jù)具有可比性，邊界條件的設置與風洞試驗條件需要保持一致：入口邊界為速度入口，V=40 m/s；出口邊界為壓力出口，P=101 325 Pa；地面邊界為類似移動帶地面效應模擬系統(tǒng)，滑移速度40 m/s；壁面邊界為無滑移壁面。

1.3 計算結果分析

Ahmed模型數(shù)值模擬與風洞試驗的氣動力系數(shù)對比如表1所示，其中氣動阻力系數(shù)誤差為4.70%，氣動升力系數(shù)誤差為3.87%，均小于工程允許的誤差5%，說明所采取的數(shù)值模擬方法對氣動力系數(shù)的求解可信度較高。

表1 數(shù)值仿真與風洞試驗結果對比

如圖2所示，分別取數(shù)值模擬和風洞試驗距離模型尾部x=500 mm處的截面，觀測其速度矢量發(fā)現(xiàn)兩者在該截面都顯示出一對渦核，且流線一致性較好，進一步表明所采取的數(shù)值仿真方法具有較高的可信度。這樣通過驗證后的數(shù)值模擬方法，可以用來分析因客車前圍造型參數(shù)改變而引起的空氣動力學性能變化。

(a)數(shù)值模擬結果

(b)風洞試驗結果圖2 尾部截面速度矢量圖(x=500 mm)

2 客車模型及其空氣動力學性能

2.1 客車幾何模型

為研究客車前圍造型參數(shù)(前圍頂部半徑R1、前圍側方半徑R2、前圍底部仰角α)的變化對客車空氣動力學性能的影響，采取了3組算例，每組6個，總共18個。為更好地控制變量，對12 m大客車模型(長×寬×高為12 000 mm × 2 500 mm × 3 000 mm)作簡化處理，除了空調、天窗、后視鏡安裝位置外，對客車頂部、尾部、底部、前部均做平滑處理，如圖3所示。

圖3 客車前圍造型參數(shù)

前文已經(jīng)通過Ahmed模型驗證了數(shù)值模擬方案具有較高的可信度，所以選擇SST K-Omega湍流模型來模擬客車車身表面及其周圍空氣的流動情況。計算域的選取原則與Ahmed模型的選取原則保持一致，即入口邊界距車頭為3倍車長、出口邊界距車尾為4倍車長、左右壁面邊界與車輛距離各為3倍車寬、總高度為5倍車高。根據(jù)實際情況，車輪略微壓扁，則計算域地平面要比原始輪胎下切面高出0.05 m，如圖4所示。

圖4 車輪壓扁示意圖

體網(wǎng)格采用的是Trimmer(切面體網(wǎng)格)，邊界層采用Prism Layer(棱柱層網(wǎng)格)模型。除了計算域沒有邊界層之外，其余均是6層邊界層，厚度為16 mm，增長比1.2，體網(wǎng)格最大尺寸為500 mm。如圖5所示，通過該網(wǎng)格策略生成的整個模型的體網(wǎng)格數(shù)為1 100萬～1 200萬個。

圖5 計算域網(wǎng)格示意圖

為更準確地模擬客車在公路上行駛，模擬客車車速為100 km/h，具體邊界條件如下：入口邊界為速度入口，V=100 km/h；出口邊界為壓力出口，P=101 325 Pa；地面邊界為類似移動帶地面效應模擬系統(tǒng)，滑移速度100 km/h；壁面邊界為無滑移壁面。

2.2 R1對客車空氣動力學性能的影響

為研究R1的影響規(guī)律，選取6組算例，R1從0到1 000 mm，變化梯度為200 mm。所得氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)隨R1的變化規(guī)律如圖6所示：隨著R1的增大，氣動阻力系數(shù)逐漸減小，R1從0增加到200 mm，氣動阻力系數(shù)減小0.161，此時減幅最為明顯，之后R1從200 mm增加到1 000 mm，氣動阻力系數(shù)也才減小0.06。R1對氣動升力系數(shù)影響較小，最大絕對值為0.155，最大變化值為0.035。氣動升力系數(shù)為負值表示客車行駛時空氣對車體將產(chǎn)生下壓力，提升輪胎的抓地性能，從而提高客車行駛穩(wěn)定性。

圖6 不同R1的氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)

圖7為不同R1的對稱面速度云圖，對比可以發(fā)現(xiàn)，當前圍頂部半徑為0，即沒有過渡半徑時，氣流從正面流經(jīng)客車頂面，氣流不能沿著客車表面流動，分離現(xiàn)象最為嚴重，氣流再附著點后移，分離渦的區(qū)域范圍較大。在增加R1后，嚴重的分離渦消失。隨著R1的增大，氣流貼近車身表面的流動效果逐漸變好，能更平順地流經(jīng)轉折處，印證了圖6中氣動阻力系數(shù)隨R1增加而逐漸減小的結論。從圖7可以看出，R1在200～1 000 mm變化范圍，氣流附著效果雖然逐漸變好，但是附著區(qū)域變化范圍較小，氣動阻力系數(shù)降低而降幅不大。

(a) R1=0

(b) R1=200 mm

(c) R1=600 mm

(d) R1=1 000 mm圖7 不同R1的對稱面速度云圖

2.3 R2對客車空氣動力學性能的影響

為研究R2對空氣動力學性能的影響規(guī)律，選取6組算例，考慮到后視鏡的安裝位置，R2范圍不能過大，取0到500 mm，變化梯度為100 mm。所得氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)隨R2的變化規(guī)律如圖8所示，隨著R2的增大，氣動阻力系數(shù)逐漸減小，R2從0增加到100 mm，氣動阻力系數(shù)減小0.298，此時減幅最為明顯，而R2從100 mm增加到500 mm，氣動阻力系數(shù)僅減小0.045。R2對氣動升力系數(shù)影響較小，氣動升力系數(shù)均為負值，有利于提高客車高速行駛時的穩(wěn)定性。氣動升力系數(shù)無明顯變化規(guī)律，最大絕對值為0.155，最大變化值為0.058。

圖9顯示了不同R2對應的z向截面對稱平面的速度矢量圖。當R2為0時，前方氣流流經(jīng)側面時無法貼近車身，分離嚴重，反向渦流區(qū)域較大，氣流流動特性較差。隨著R2的增加，前方氣流流經(jīng)側面時能更好地貼近車身，渦流區(qū)域變得很小，氣流分離點靠后且再附著點前移，使得該處氣流流動特性較好。

圖8 不同R2的氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)

(a) R2=0

(b) R2=100 mm

(c) R2=300 mm

(d) R2=500 mm圖9 z向截面速度矢量圖(z=500 mm)

2.4 α對客車空氣動力學性能的影響

為研究α對空氣動力學性能的影響規(guī)律，選取6組算例，α從0到10°，變化梯度為2°。所得氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)隨α的變化規(guī)律如圖10所示：隨著α的增大，氣動阻力系數(shù)逐漸減小，但減小的幅度較小，α為10°時也才減小0.027。氣動升力系數(shù)隨著α的增大而逐漸增大，變化幅度也較小，最大絕對值為0.155，最大變化值為0.032。氣動升力系數(shù)均為負值，有利于提高客車高速行駛時的穩(wěn)定性。

圖11為不同α的對稱面速度云圖。對比可以發(fā)現(xiàn)，客車前圍與底部轉折處出現(xiàn)渦流區(qū)域，且隨著α的增加而逐漸變小，當α為10°時，該轉折處渦流區(qū)域最小。氣流流動雖有變化，但是變化范圍較小，總體來說各模型氣流流動效果相當，所以α對氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)影響較小。

圖10 不同α的氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)

(a) α=0

(b) α=2°

(c) α=6°

(d) α=10°圖11 不同α的對稱面速度云圖

3 結 論

前圍造型對客車氣動阻力系數(shù)影響較大，對氣動升力系數(shù)影響較小。氣動阻力系數(shù)隨前圍頂部半徑、前圍側方半徑、前圍底部仰角的增加而減小。其中，對氣動阻力系數(shù)影響最大的為前圍側方半徑，前圍頂部半徑次之，前圍底部仰角影響最小。較小的前圍頂部半徑和較小的前圍側方半徑就能顯著地降低氣動阻力系數(shù)，后續(xù)繼續(xù)增加半徑，氣動阻力系數(shù)降低不再那么明顯。因此在客車前圍造型設計時，應當優(yōu)先考慮前圍側方半徑的選擇，且選取適當?shù)那皣敳堪霃揭约斑m當?shù)那皣鷤确桨霃?，避免出現(xiàn)因過渡半徑過大而降阻效果不大卻損失客車內部乘坐空間的問題。

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