客车基本形体的空气动力学特性研究＊

江 涛 高 嵩 汪怡平 邓亚东

（武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室 武汉 430070）

0 引 言

随着节能环保社会的发展需要，无论是汽车企业的开发者还是消费者都对汽车的燃油经济性提出了更高的要求.目前主要的节能手段包括采用新能源技术、提高发动机的热效率、轻量化等，此外还有通过空气动力学优化设计减少空气阻力.在轿车、SUV等乘用车的风阻优化设计与研究中，由于设计车速较高，对空气动力学给予了很大的重视，无论是企业界还是学术界都开展了大量的CFD（computer fluid dynamics）仿真研究和风洞试验测试［1］.商用货车由于高速路况行驶的需要，对空气动力学研究也逐渐深入［2］.

从学术研究的角度来看，同属商用车的客车在空气动力学的研究上开展较少，原因在于大部分客车特别是公交车，运营速度不高，受空气阻力的影响较小.但对于城际和高速公路的客运客车，由于运营速度较高且迎风面积较大，开展空气动力学研究具有一定的经济价值.一般客车的迎风面积在6.5～8.5m2，而轿车在2～2.5m2；国内高速公路和市郊快速公路上的客运客车，车速可以达到90km／h.

Ashok Leyland商用车公司的技术人员对城市客车和城际客车的空气动力学进行了研究，结论是100km／h时客车的空气阻力较大，在1 000 N以上，并对客车横截面形状与风阻的关系进行了研究，当横截面在顶部向内收缩时能减少3.5%的风阻［3］.MAN商用车公司的技术人员对Neoplan高档客车进行了低风阻设计，通过1∶4比例的模型风洞试验去探索外部造型，采用大圆角半径头部造型的Neoplan Cityliner客车的实车风阻系数达到 了 0.35 的 水 平［4］，Raveendran Arun等［5］提出了一种低风阻的概念客车原型，廖海祥［6］对某客运客车进行了CFD仿真和改型.

从客车的空气动力学研究工作来看，主要集中在具体客车产品的改型和优化运用上，对客车形体的基础研究和气动布局分析较少，本文因此开展了对客车空气动力学的基础研究，构建了一客车基本模型，并从模型的长度、头部切角等因素进行分析.

1 构建研究模型

在市区运营的客车受空气动力学影响较小，本文主要的研究对象是高速公路上运营的客车，一般为单一车厢结构而非铰接结构，从整车尺寸上看，长度8～13.7m，高度3.1～3.8m，宽度为2.5m，离地间隙0.3～0.4m.客车作为商用车辆其宽度一般是固定的，高度则随着座位下方行李舱容积需求的变化而改变，受乘坐人数的影响在车身长度上变化较大，最小长度一般为8m，最大长度受交通法规的限制，可以达到13.7m.

从前脸造型看，客车的前大挡风玻璃与水平面保持较大的倾角，甚至达到垂直的程度.车身前脸与侧面、顶部与侧面、顶部与尾部、侧面与尾部均有一定程度的圆角.

根据该现状，本文建立了如图1所示的客车基本模型，宽度、高度、离地间隙符合现有客车产品的设计，而长度出于研究需要可以改变，基准模型长度为9m、高度为3.125m，离地间隙为0.36 m；对于造型则进行了简化，头部造型的倾角能够进行调整，基准模型的前脸与水平面的倾角为75°，尾部与水平面的倾角为90°，尾端的离去角为8°，并对边界进行了圆角处理，圆角半径为0.1 m，出于仿真需要车轮底部设计成台阶形.具体尺寸见图2.

图1 客车基本模型

图2 基本模型的尺寸

2 CFD仿真

本文对研究模型采用了CFD仿真方法，建立计算域，模型前部留3倍车长，上部留4倍车高，后部留6倍车长，两侧均留5倍车宽，考虑到模型是对称的为优化计算资源，采用半车进行求解.利用OCTREE方法在整个计算流域生成非结构化的四面体网格，在车身表面拉伸出三棱柱网格以模拟车身表面的附面层，见图3.最终网格数约为462万，通过采用不同的网格数验证网格计算无关性，测试表明所划分的网格单元数足以消除网格密度的影响.

图3 模型的网格划分图

对于边界条件，设定为稳态不可压缩流，入口流速为30m／s，出口为静压力出口，计算域墙壁表面及上表面为滑移壁面，车身表面为非滑移壁面，地面为移动壁面，因为汽车在实际行驶时，地面是不存在附面层的.采用k－epsilon Realizable湍流模型进行计算模拟［7］.通过求解得出原始模型的风阻系数和速度流线分布图，见图4.风阻系数为0.365 1，迎风面积为3.617m2.

图4 模型的速度流线分布图

3 客车长度与风阻的研究

客车的车身宽度一般为固定值，而车身长度会受到设计乘员数的影响，研究长度与风阻变化的关系对客车设计是有指导意义的.在原始模型9m车长的基础上，通过加长或缩短模型中间一段形面，使模型的长度在7～14m之间发生变化，见图5.

图5 基本模型的长度变化

对上述变化方案按同样的标准进行仿真，各方案下的流场参数对比见表1.

取统一的压力上下限－3 200，600Pa来作为压力云图标尺的上下限，对各方案进行压力云图对比，见图6.

仿真说明在客车宽度一定的情况下风阻系数随着车身长度发生变化，变化的波动在0.008 2以内，占原车风阻比例的2.2%，并且存在一个风阻最优值，过短或过长都会使风阻增加.车身长度的变化对流场的影响主要体现在，顶部气流和侧面气流向尾涡的流动状况，从而使整车阻力系数发生变化.各方案的最大流速在73～75m／s之间，压力最大绝对值在2 967～3 009Pa之间波动.总体来看，客车长度对风阻有一定影响，但程度不大.

表1 模型长度与流场参数

图6 不同长度下的压力云图

4 前挡玻璃倾斜角与风阻的研究

模型的前挡风玻璃倾斜角直接影响到前部正压力区的分布，从客车车身的结构来看，前部造型可以分为挡风玻璃和包纳车灯与保险杠的前围面，而挡风玻璃和前围面会形成一定的倾角，不同倾斜角与风阻的关系见图7.对各方案按同样的仿真条件进行计算，并加上基本模型75°角方案，流场参数如表2.

取统一的压力上下限－3 200，600Pa来作为压力云图标尺的上下限，对各方案进行压力云图对比，见图8.

通过对比各方案的结果，倾角越小则风阻系数越小，变化的波动在0.053 7以内，变化幅度达到了原车风阻值的14.7%，倾角对风阻的影响是显著的.而且风阻系数越小，最小负压的绝对值和最大流速也就越小.通过速度云图和压力云图分析可以得出，最大流速区域为顶部转角过渡处，气流在从前部正压力区向顶部流动时，流速急剧增加，也使得对应的负压力绝对值增加.在入口初始风速为30m／s的情况下，90°的垂直造型在该过渡区达到了75.8m／s的高值，而该高速气流需要经过顶部流动、尾端气流分离和尾涡回复到30 m／s的入口流速水平，相比之下30°的倾斜造型在该区域的流速为63.9m／s，因此流速越高造成的能量损失越大，对应的风阻系数越大.

图7 基本模型的角度变化

表2 模型角度与流场参数

图8 不同角度下的压力云图

5 结 论

1）根据目前城际客车的尺寸和造型，构建了一种客车基本模型.对基本模型的长度、前玻璃倾斜角度与风阻的规律进行了CFD仿真研究.

2）模型长度对风阻的影响较小，当长度从7 m到14m间变化时，风阻系数先下降到一最低值，然后随着长度的增加而增加，变化范围在2.2%以内.

3）前部倾角对风阻的影响较大，当倾角从90°变化到30°时，风阻系数有较大程度的下降，下降范围达到了14.7%.

4）仿真说明客车车身的长度对风阻的影响较小，但头部造型对风阻的影响较大，在进行空气动力学设计与优化时需要予以重视.

［1］裴建杰，刘 鹏.某轿车气动性能试验与仿真分析研究［J］.汽车工程学报，2012，2（1）：66－71.

［2］姜 健，校 辉，吴朝晖，等.某款轻型商用车降油耗方法［J］.中国机械工程，2014，25（24）：3403－3407.

［3］VIGNESH T S，AYYAPPAN T，SREEDHAR R，et al.A holistic approach to aerodynamics of intercity and interurban buses［J］.SAE Technical Paper，2014（1）：58－61.

［4］STEPHAN K，STEPHAN S，HOLGER K.The design and aerodynamics of commercial vehicles［J］.ATZ，2009，7（11）：17－21.

［5］ARUN R，SRIDHARA S N，RAKESH D，et al.Exterior styling of an intercity transport bus for improved aerodynamic performance［J］.SAE Technical Paper，2009，28：60－66.

［6］廖海祥.XMQ6128Y客车造型的空气动力学优化设计研究［J］.机电技术，2015，2（1）：115－120.

［7］王新宇，王登峰，范士杰，等.商用车空气动力学附加装置减阻技术的研究及应用［J］.机械工程学报，2011，47（6）：107－112.