大客車尾翼的數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)

摘要： 為了研究尾翼對(duì)大客車氣動(dòng)特性的影響，采用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，從造型方案、位置布置、傾角變化等方面對(duì)大客車量產(chǎn)實(shí)車的3種尾翼進(jìn)行研究。結(jié)果表明：布置在車身后圍，與后圍曲面過(guò)渡平順，距后圍距離恰當(dāng)，傾角合適的尾翼能達(dá)到較好的減阻效果，可減小11.8%的氣動(dòng)阻力，產(chǎn)生一定節(jié)能效果，并具有后窗除塵的作用。

關(guān)鍵詞： 大客車； 尾翼； 風(fēng)洞試驗(yàn)； 氣動(dòng)特性； 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： U 461.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A"" 文章編號(hào)： 1000 5013（2024）04 0454 07

Numerical Simulation and Wind Tunnel Testing of Coach Rear Spoiler

YANG Yongbai1， WANG Jingyu2， ZHUANG Guohua3

（1. College of Mechanical Engineering and Automation， Huaqiao University， Xiamen 361021， China；

2. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control， Jilin University， Changchun 130025， China；

3. Xiamen Kinglong United Automotive Industry Limited Company， Xiamen 361023， China）

Abstract： To investigate the effect of rear spoiler on the aerodynamic characteristics of a coach， a combined method of numerical simulation and wind tunnel testing was employed. This study examined three types of rear spoiler for mass produced coaches in terms of design schemes， positional arrangements and variations in inclination angles. The results indicated that a rear spoiler positioned on the rear wall of the coach body， with a smooth transition to the curved surface of the rear wall， an optimal distance from the rear wall， and an appropriate inclination angle， achieved significant drag reduction. Specifically， it reduced aerodynamic drag by 11.8%， produced energy saving effects and facilitated dust removal in rear window.

Keywords： coach； rear spoiler； wind tunnel test； aerodynamic characteristics； numerical simulation

隨著我國(guó)高速公路的發(fā)展，大客車的平均行駛速度不斷增加，氣動(dòng)阻力對(duì)整車油耗的占比也隨之增大，氣動(dòng)減阻變得更加重要。目前，空氣動(dòng)力學(xué)附加裝置已廣泛應(yīng)用于乘用車和貨車，并取得良好的效果［1-12］，但在商用客車上應(yīng)用較少。此外，由于大客車車身造型與乘用車、貨車有較大差異，無(wú)法直接移植乘用車和貨車的空氣動(dòng)力學(xué)附加裝置，需根據(jù)其自身特點(diǎn)進(jìn)行研究［13］。國(guó)內(nèi)學(xué)者已就大客車的前圍造型、圓角半徑、尾部?jī)A角等細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入細(xì)致的試驗(yàn)和模擬研究［14-17］，但對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)附加裝置的研究較少，且少有實(shí)車的實(shí)際應(yīng)用研究?；诖?，本文對(duì)一款量產(chǎn)實(shí)車進(jìn)行尾翼方案的數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)研究。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

在吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，該風(fēng)洞為回流式風(fēng)洞，有模擬地面效應(yīng)的移動(dòng)帶裝置，試驗(yàn)段尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為8.0 m×4.0 m×2.2 m。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

選取1∶5的實(shí)車縮比模型，客車試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D1所示。

圖1中：X，Y，Z表示車身坐標(biāo)。

采用數(shù)控機(jī)床加工，與實(shí)車幾何相似，裝有后視鏡、雨刷器、天窗與空調(diào)等附屬裝置，忽略了發(fā)動(dòng)機(jī)艙、車身底部細(xì)部結(jié)構(gòu)。

3種尾翼方案的造型和安裝位置，如圖2所示。圖2中：尾翼用于干擾尾流，尾翼1安裝于后圍，尾翼2，3安裝于頂蓋。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

風(fēng)洞試驗(yàn)主要是讓安裝不同尾翼的模型在各種橫擺角情況下進(jìn)行測(cè)力試驗(yàn)（橫擺角試驗(yàn)主要是為

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)風(fēng)速為100 km·h-1時(shí)，不同尾翼造型下阻力系數(shù)隨橫擺角的變化，如圖3所示。圖3中：Cd為阻力系數(shù)。

由圖3可知：車身加裝尾翼后，阻力系數(shù)不一定會(huì)降低，阻力系數(shù)變化情況與尾翼造型有關(guān)；尾翼1具有較好的減阻效果，尾翼2，3未起到減阻作用，反而使氣動(dòng)阻力增加；當(dāng)橫擺角度為0°時(shí)，與原模型相比，尾翼1使阻力系數(shù)降低了2.58%，尾翼2使阻力系數(shù)增加了7.38%，尾翼3使阻力系數(shù)增加了4.93%。這是因?yàn)槲惨?布置于后圍，將車頂來(lái)流更順暢地導(dǎo)向后圍，減少氣流分離，減小車尾尾渦，降低阻力；尾翼2，3布置于車頂，自身產(chǎn)生了一定的形狀阻力，未能很好地引導(dǎo)氣流流向后圍，致使阻力增加。

2 數(shù)值模擬

對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)中的原模型和3種尾翼方案進(jìn)行仿真分析。

2.1 網(wǎng)格劃分

建立計(jì)算域后，采用STAR-CCM+的切面體網(wǎng)格模型（Trimer）生成體網(wǎng)格，車身表面拉伸6層邊界層，并對(duì)車身表面和尾翼部位進(jìn)行加密處理，總網(wǎng)格數(shù)約為1 200萬(wàn)。

車身對(duì)稱面網(wǎng)格，如圖4所示。

尾翼網(wǎng)格加密，如5所示。

2.2 計(jì)算設(shè)置

計(jì)算邊界條件設(shè)置：速度入口為100 km·h-1；出口為壓力出口；底面為滑移壁面；左右側(cè)面及頂面為固定壁面；車身表面為固定壁面。湍流模型為SST-k-ω。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 車身表面壓力 車身表面壓力（p）分布，如圖6所示。由圖6可知：空調(diào)、天窗迎風(fēng)面存在較大的正壓區(qū)，產(chǎn)生較大形狀阻力，使總阻力比無(wú)空調(diào)、天窗時(shí)增加了12.5%。

車身表面的流線分布，如圖7所示。由圖7可知：氣流在空調(diào)及天窗轉(zhuǎn)角處都發(fā)生了分離，而這部分分離的氣流沿著車身向后發(fā)展，與尾流混合在一起，使尾流變得更加復(fù)雜。

2.3.2 尾翼方案對(duì)比 1） 阻力系數(shù)變化。

通過(guò)模擬計(jì)算，可得3種尾翼相對(duì)于未加尾翼的阻力系數(shù)變化，如表2所示。

表2中：ΔCd，s為數(shù)值模擬阻力系數(shù)變化；ΔCd，t為風(fēng)洞試驗(yàn)阻力系數(shù)變化。

由表2可知：尾翼1可降低客車的阻力系數(shù)，尾翼2，3使客車的阻力系數(shù)增加，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差無(wú)幾。這表明采用的模擬方案可行，后續(xù)的尾翼優(yōu)化也沿用此方案。

2） 車身壓力圖、速度圖分析。

車身尾部壓力分布圖，如圖8所示。由圖8可知：尾翼3安裝于車頂，其迎風(fēng)面存在正壓區(qū)，產(chǎn)生形阻，造成整車阻力增加（尾翼2情況類似）；尾翼1位于后圍，具有擾動(dòng)尾流的作用，達(dá)到一定的減阻效果。

車身尾部縱向?qū)ΨQ面的速度分布圖，如圖9所示。由圖9可知：未加尾翼之前，車身尾部后面尾渦區(qū)域（紅色區(qū)域）較大，采用尾翼1后，尾渦區(qū)域明顯減少，尾渦能量耗散減少，這對(duì)減少客車阻力是有利的；采用尾翼2，3后，車身尾部尾渦雖有改善，但在靠近尾翼2，3區(qū)域卻出現(xiàn)尾渦，故車身阻力增大。

2.3.3 尾翼優(yōu)化 由以上風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬可知，尾翼1有一定減阻效果。為了得到更好的減阻效果，對(duì)尾翼1進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化工作主要從造型和安裝位置兩方面展開。

1） 造型優(yōu)化。為了使氣流不在尾翼與后圍結(jié)合處發(fā)生分離，對(duì)其進(jìn)行修改。

尾翼1修改前、后的側(cè)視圖，如圖10所示。由圖10可知：修改后尾翼過(guò)渡更加平順，且將尾翼前、后沿尖角倒圓。

將尾翼截面的三角形形狀下端一角截?cái)?，使其截面由三角形變?yōu)樗倪呅巍Ｎ惨硇薷那?、后尾部?duì)稱面速度分布圖，如圖11所示。

由圖11可知：尾翼修改后，阻力下降11.8%，原因是尾翼修改后，尾翼后方的尾渦變小，故阻力變小。

2） 安裝位置優(yōu)化。?。?調(diào)整尾翼與后圍的距離。

尾翼與后圍的距離示意圖，如圖12所示。圖12中：L為尾翼與后圍的距離。

經(jīng)計(jì)算可知，尾翼與后圍的距離分別為10，20，30，40，48.67，50，80，100 mm，對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)變化分別為0%，0%，-0.16%，0%，0%，0%，+0.32%，+0.48%。

由此可知，隨著尾翼與后圍的距離的變化，阻力系數(shù)基本沒有變化。

尾部對(duì)稱面的速度分布，如圖13所示。

由圖13可知：當(dāng)L=10 mm時(shí)，由于尾翼與后圍間隙較小，氣流無(wú)法通過(guò)間隙；當(dāng)L≥80 mm時(shí)，氣流直接掠過(guò)尾翼，流向車尾；當(dāng)20 mm≤L≤50 mm，頂蓋干凈的氣流通過(guò)間隙沖刷后窗玻璃塵土，起到除塵作用。

因此，尾翼與后圍的設(shè)計(jì)距離可以定為20～50 mm。

ⅱ） 調(diào)整尾翼傾角。

將尾翼與水平面間夾角（即尾翼傾角θ）改變?yōu)?°，8°，12°，16°，20°，25°，車尾不同尾翼傾角示意圖，如圖14所示。

不同尾翼傾角下阻力系數(shù)的變化，如表3所示。

由表3可知：尾翼傾角從4°增加到16°，整車阻力系數(shù)呈下降趨勢(shì)；尾翼傾角從16°增加到25°，阻力系數(shù)呈上升趨勢(shì)；當(dāng)尾翼傾角為16°時(shí)，相對(duì)不加尾翼的車身，阻力系數(shù)下降最多，達(dá)11.8%。

文獻(xiàn)［18］的結(jié)果表明，客車風(fēng)阻系數(shù)降低10%以上，油耗可降低4%以上，100 km油耗可節(jié)省約1.0～1.5 L，節(jié)能效果較為可觀。

3 結(jié)論

對(duì)大客車尾翼進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，并對(duì)尾翼進(jìn)行優(yōu)化，可得以下3個(gè)結(jié)論。

1） 尾翼最好布置在后圍，以避免布置在頂蓋部位產(chǎn)生形阻。

2） 尾翼與車身的結(jié)合部應(yīng)盡量平順，外形邊角盡量圓滑化，避免出現(xiàn)尖的棱角。

3） 尾翼在后圍的安裝位置也需優(yōu)化，使其達(dá)到最佳氣動(dòng)效果，如優(yōu)化后可有利于后風(fēng)窗除塵，并可減阻11.8%，節(jié)能效果明顯。

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（責(zé)任編輯：" 錢筠" 英文審校： 吳躍勤）