客車基本形體的空氣動力學特性研究＊

江 濤 高 嵩 汪怡平 鄧亞東

（武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室 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、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優(yōu)化設計減少空氣阻力.在轎車、SUV等乘用車的風阻優(yōu)化設計與研究中，由于設計車速較高，對空氣動力學給予了很大的重視，無論是企業(yè)界還是學術界都開展了大量的CFD（computer fluid dynamics）仿真研究和風洞試驗測試［1］.商用貨車由于高速路況行駛的需要，對空氣動力學研究也逐漸深入［2］.

從學術研究的角度來看，同屬商用車的客車在空氣動力學的研究上開展較少，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面積較大，開展空氣動力學研究具有一定的經(jīng)濟價值.一般客車的迎風面積在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商用車公司的技術人員對城市客車和城際客車的空氣動力學進行了研究，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阻的關系進行了研究，當橫截面在頂部向內(nèi)收縮時能減少3.5%的風阻［3］.MAN商用車公司的技術人員對Neoplan高檔客車進行了低風阻設計，通過1∶4比例的模型風洞試驗去探索外部造型，采用大圓角半徑頭部造型的Neoplan Cityliner客車的實車風阻系數(shù)達到 了 0.35 的 水 平［4］，Raveendran Arun等［5］提出了一種低風阻的概念客車原型，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的基礎研究，構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 構建研究模型

在市區(qū)運營的客車受空氣動力學影響較小，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)構而非鉸接結(jié)構，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)品的設計，而長度出于研究需要可以改變，基準模型長度為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阻系數(shù)和速度流線分布圖，見圖4.風阻系數(shù)為0.365 1，迎風面積為3.617m2.

圖4 模型的速度流線分布圖

3 客車長度與風阻的研究

客車的車身寬度一般為固定值，而車身長度會受到設計乘員數(shù)的影響，研究長度與風阻變化的關系對客車設計是有指導意義的.在原始模型9m車長的基礎上，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準進行仿真，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)，占原車風阻比例的2.2%，并且存在一個風阻最優(yōu)值，過短或過長都會使風阻增加.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阻的研究

模型的前擋風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)構來看，前部造型可以分為擋風玻璃和包納車燈與保險杠的前圍面，而擋風玻璃和前圍面會形成一定的傾角，不同傾斜角與風阻的關系見圖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阻值的14.7%，傾角對風阻的影響是顯著的.而且風阻系數(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，也使得對應的負壓力絕對值增加.在入口初始風速為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，對應的風阻系數(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阻的規(guī)律進行了CFD仿真研究.

2）模型長度對風阻的影響較小，當長度從7 m到14m間變化時，風阻系數(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）前部傾角對風阻的影響較大，當傾角從90°變化到30°時，風阻系數(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阻的影響較小，但頭部造型對風阻的影響較大，在進行空氣動力學設計與優(yōu)化時需要予以重視.

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