大客车不同前围和尾翼下的风洞试验对比研究

杨永柏，黄宜坚，谭鸿迅，胡兴军

大客车不同前围和尾翼下的风洞试验对比研究

杨永柏1，黄宜坚1，谭鸿迅2，胡兴军3

（1.华侨大学机电及自动化学院，福建厦门361021；2.厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门361023；3.吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室，长春130012）

为评价客车的气动特性，针对一量产大客车模型进行不同前围造型和尾翼方案的风洞试验对比研究。结果表明，前围倾角加大，气动阻力系数变小；侧向力系数随横摆角增加而大幅增加；加装合理尾翼可减少气动阻力。

大客车；风洞试验；气动特性；前围；尾翼

随着我国高速公路的发展，大客车的平均行驶速度逐步提高。当车速达到80 km/h时，客车气动阻力基本与滚动阻力相等，即有50%左右的燃油消耗用于克服气动阻力。若能降低气动阻力系数10%，则燃油消耗可降低3%～4%，有利于车辆节能减排。为了增大行李舱容积，现今大客车的净高可达3.6 m，使其正面和侧面的迎风面增大，随着车速提高，其对侧风的敏感性增强。大客车的整体造型也与过去有较大差异，且不同造型的气动阻力也有差异；再者，通过增加尾翼等附属装置，也可改善其气动特性[1]。已有文献多是关于大客车简化模型的风洞试验[2-6]或是数值模拟[6-9]，但很少关于现今量产实车造型和尾翼方案的探讨。本文旨在通过风洞试验探讨当今大客车量产车不同造型、不同尾翼装置对其气动特性的影响，用于指导大客车的造型和尾翼的设计，并为数值模拟提供验证依据。

1 试验设备及模型

本次试验在吉林大学汽车风洞试验室进行。该风洞为回流式风洞，有模拟地面效应的移动带装置，有模拟横摆角的转盘系统，试验段尺寸为8 m×4 m×2.2 m（长×宽×高），收缩比为5.17，最大风速为60 m/s，动力段主电机功率为1 000 kW。风洞试验段如图1所示。本试验的横摆角是为了研究侧风的影响，如侧风速度5 m/s，行车速度30 m/s，则横摆角的正切值（tan）为5/30=1/6=0.167，横摆角约9.46°。实车外形尺寸为12 m×2.5 m×3.6 m（长×宽×高），轴距6 m。试验模型选取实车1：5的缩比模型，采用数控加工，与实车几何相似，装有后视镜、刮水器、天窗与空调等附属装置，忽略了发动机舱、车身底部细部结构对流场的影响。模型包括三种不同前围造型方案和三种尾翼方案，车身侧围、后围、顶盖都一致，在此称为A、B、C车头（如图2所示）和1、2、3号尾翼（如图3所示）。其中，A车头前挡风玻璃分为上下两块，上挡风玻璃倾角较大；B车头为单片挡风玻璃，倾角较小；C车头倾角更小，顶盖有导流装置，用于一层半车型，可多布置座位数。1号尾翼装于后围，2、3号尾翼位于顶盖。

图1 吉林大学汽车风洞试验段

图2 三种不同形式车头

图3 三种尾翼的安装位置及造型

2 试验结果及分析

本试验主要进行了不同前围造型、不同尾翼方案在各种横摆角情况下的测力试验（横摆角试验主要是为了研究侧风的影响）。测力试验是使用空气动力天平测量作用在模型上的空气动力，即测量空间直角坐标系中沿三个坐标轴的作用力和绕三个坐标轴的作用力矩。试验时，可以全部测量六个分量，也可以只测一个或几个分量。试验方案如表1所示。

表1 风洞试验方案

2.1 变雷诺数对整车气动特性的影响

本次试验中，对A车头进行了变雷诺数气动力系数测量，试验中横摆角度保持为0°不变（一般做变雷诺数研究时，只研究0°横摆角情况，不研究不为0°情况）。具体试验结果如图4所示，可以看出：对同一模型而言，在横摆角一定的情况下，随着风速的提高，模型的气动阻力系数呈下降趋势。

图4 A车头变雷诺数阻力系数

2.2 横摆角对整车气动特性的影响

本次试验中，共对6种不同造型在100 km/h的风速下，横摆角分别为-15°、-10°、-5°、0°、5°、10°、15°的工况进行了测力试验。图5至图7为6种不同造型的阻力系数、侧向力系数、侧倾力矩系数随横摆角变化的曲线图。

图5 不同造型下阻力系数随横摆角变化图

从图5中可以发现，对于B车头及C车头的两种造型而言，阻力系数随着横摆角的增加而增加；对于A车头、A车头+尾翼1、A车头+尾翼2、A车头+尾翼3四种造型而言，阻力系数随着横摆角的增加先增大而后又呈现出下降趋势。从总体上看，阻力系数与横摆角之间的变化无统一的规律，阻力系数与横摆角之间的变化关系与实验对象的造型有一定关系。从图5中可以发现，横摆角对B车型的阻力系数影响最大，横摆角变化对其阻力系数的影响可高达30%。

图6 不同造型下侧向力系数随横摆角变化图

从图6中可以发现，随着横摆角的增加，各造型的侧向力系数（侧向力系数、侧倾力矩系数等与阻力系数一起，组成气动力的六分力）基本上均线性增加，侧向力系数与横摆角间的变化关系与造型无关，且侧向力系数随横摆角变化的变化率基本保持一致。在横摆角为± 15°时，侧向力系数达±1.1（乘用车一般仅为0.2），即大客车以100 km/h时速行驶，遭遇8 m/s（5级左右风力）的侧风时，可产生18 700 N（1/2Csρv2A=1/2×1.1×1.225 ×（100/3.6）2×12×3=18 700 N，其中Cs为侧向力系数，ρ为空气密度，v为车速，A为侧面迎风面积）的侧向力，引起车辆侧向偏移，对行车安全极为不利。

图7 不同造型下侧倾力矩系数随横摆角变化图

从图7中可以发现，对所有造型而言，随着横摆角的增加，其侧倾力矩系数均增加，侧倾力矩系数与横摆角间的变化关系大致上为线性的。A车头+尾翼1、A车头+尾翼2、A车头+尾翼3三种造型的侧倾力矩系数与横摆角间基本呈线性变化，且其变化率基本保持一致。

2.3 不同车头造型对整车气动阻力系数的影响

图8为风速为100 km/h时，不同车头造型下阻力系数随横摆角变化图，从中可以看出，不论在何种横摆角下，A、B、C三种车头的阻力系数从小到大依次为A、C、B。其中，在横摆角度为0°时，较A车头而言，B车头阻力增加了6%，C车头阻力增加了3.22%。究其原因是A车头前围倾角更大，来自前围气流更顺畅地过渡到顶盖；而C车头车顶气流没有直接冲击到空调前沿，所以C车头比B车头阻力低。

图8 不同车头造型下阻力系数随横摆角变化图

2.4 不同尾翼造型对整车气动阻力系数的影响

图9为风速为100 km/h时，不同尾翼造型下阻力系数随横摆角变化图。从中可以看出，在A车头造型基础上加装尾翼时，其阻力系数不一定会降低，阻力系数的变化情况与尾翼造型有关。在本次试验中，对A车头造型而言，尾翼1能够起到很好的减阻效果，尾翼2、尾翼3没有起到减阻作用，反而起到增阻的作用。其中，在横摆角度为0°时，与A车头造型相比，尾翼1使其阻力系数降低了2.58%，尾翼2使其阻力系数增加了7.38%，尾翼3使其阻力增加了4.93%。究其原因是尾翼1布置于后围，使车顶气流能更顺畅地导向后围，减少气流分离，车尾尾涡减小，阻力降低；而尾翼2、3布置于车顶，自身产生了一定的形状阻力，也没很好地引导气流流向后围，致使阻力增加。

图9 不同尾翼造型下阻力系数随横摆角变化图

3 结论

通过上述分析可知：

1）对同一车型而言，在横摆角一定的情况下，随着风速的提高，模型的气动阻力系数呈下降趋势。

2）风速一定时，阻力系数与横摆角之间的变化无统一的规律，阻力系数与横摆角之间的变化关系与大客车的造型有一定关系；侧向力系数与横摆角间的变化关系与造型无关，侧向力系数随横摆角变化的变化率基本保持一致，且线性变化斜率大；侧倾力矩系数随横摆角的增加而增加，侧倾力矩系数与横摆角间的变化关系大致上为线性的。

3）风速一定时，不同前围造型的阻力系数不同，前围倾角加大，阻力系数变小。

4）风速一定时，加装尾翼可使大客车的阻力系数发生变化，布置合适外形的尾翼（一般加装在后围上）可有效降低阻力系数。

[1]傅立敏.汽车空气动力学[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]谷正气.大客车模型的气动特性研究[J].客车技术与研究，1996，18（2）：69-72.

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[4]高利，范炜，蔡红民，等.国产客车模型风洞试验研究[J].汽车技术，2002（7）：27-31.

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修改稿日期：2016-06-30

Comparative Research on Wind Tunnel Test for Different Front Walls and Tail Wings of a Big Coach

YangYongbai1，HuangYijian1，Tan Hongxun2，Hu Xingjun3
（1.College ofMechanical Engineeringand Automation,HuaqiaoUniversity,Xiamen 361021,China; 2.Xiamen KinglongUnited Automotive IndustryCo.,Ltd,Xiamen 361023,China; 3.State KeyLaboratoryofAutomotive Simulation and Control,Jilin University,Changchun 130012,China）

In order to evaluate the aerodynamic characteristics of coaches,the authors take the wind tunnel tests for different front walls modeling and tail wings of a product big coach.The research results indicate that the aerodynamic drag coefficient decreases when the inclination angel of the front wall increases,the lateral force coefficient increases rapidly when the yawing angle increases,and the aerodynamic drag decreases when a reasonable tail wing is installed.

bigcoach;wind tunnel test;aerodynamic characteristics;front wall;tail wing

U461.1

A

1006-3331（2016）06-0054-04

国家自然科学基金资助项目（50805062）；华侨大学高层次人才科研启动项目（09BS613）

杨永柏（1971-），男，讲师；主要从事汽车空气动力学的研究工作。