前围造型对大客车气动特性影响研究

彭 倩，胡汉桥，黄红武，韩锋钢，Emmanuel Matsika,张 纲

(1. 厦门理工学院 机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024；2. 纽卡斯尔大学 轨道交通研究中心，英国 纽卡斯尔 NE1 7RU;3.厦门金龙旅行车有限公司 技术中心，福建 厦门 361024)

前围造型对大客车气动特性影响研究

彭 倩1，胡汉桥1，黄红武1，韩锋钢1，Emmanuel Matsika2,张 纲3

(1. 厦门理工学院 机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024；2. 纽卡斯尔大学 轨道交通研究中心，英国 纽卡斯尔 NE1 7RU;3.厦门金龙旅行车有限公司 技术中心，福建 厦门 361024)

为了评估前围局部造型参数对大客车气动特性的影响，结合Ahmed模型及其风洞试验数据，论证数值模拟方案的有效性；针对12 m大客车模型评估前围局部特征，包括前顶弧、前侧弧以及前扰流板对大客车气动阻力和升力系数的影响规律。研究表明：前顶弧半径、前侧弧半径以及前扰流板角度增加时，客车的气动阻力系数降低，气动升力系数升高；对气动阻力影响程度的大小依次为：前侧弧半径>前顶弧半径>前扰流板角度，而对气动升力影响无显著差异。

车辆工程；前顶弧半径；前侧弧半径；前扰流板角度；气动性能；大客车

0 引 言

大客车在高速公路行驶过程中，由于其速度高、迎风面积大、载客量多及整车质量大，其动力性、经济性、安全性和稳定性[1-2]不同程度地受到气动力作用的影响。过去相当长时间内,客车在造型设计上倡导更大的乘用空间及独特的美学特点，以致气动特性未能得到足够的重视。要提高大客车的综合性能及市场竞争力，推动公共交通行业的节能型发展，开展大客车的空气动力学研究具有十分重要的意义。

近年来，国内专家对大客车的气动特性开展了有益的探索。谷正气等[3]基于风洞试验提出了大客车整体布置以及减阻可行的方案。张志沛等[4]利用风洞试验方法评估JT6120型号的客车气动性能。傅立敏等[5]，李杰等[6]研究了JT6120型大客车与MIRA阶背式轿车会车时气动力系数随两车横向和纵向相对位置的变化规律，揭示了不同间距两车外部流场相互干扰的流动特性。

笔者旨在揭示前围局部造型变化对客车气动特性的影响。以12 m大客车为研究对象，采用数值模拟方法，研究前顶弧半径、前侧弧半径和前扰流板角度的改变与客车气动阻力和升力之间的关系。

1 控制方程

实际车辆行驶时，认为汽车外流场为三维不可压缩黏性等温流场[7],流体流动遵守质量守恒和动量守恒定律，由于客车周围气流流动处于湍流状态，因而系统还需遵守湍流输运方程。本次计算采用定常Realizablek-ε二方程湍流模型，其对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现，且计算结果与风洞试验数据匹配性较好[8]，在汽车外流场的数值计算中得到了广泛应用。

质量守恒方程为

(1)

动量守恒方程为

(2)

湍动能方程为

(3)

湍动耗散率方程为

(4)

式中：k为湍流动能；ε为湍流耗散率；ρ为空气密度；μt为湍流黏度；σk和σε分别为湍动能和湍流耗散率的Prandlt数，分别取1和1.3；C1，C2为经验常数，分别取1.44和1.92[9]。

2 模型建立与验证

本研究涉及的车体模型有两个：背部倾角25°的Ahmed模型；在Ahmed标准模型基础上改型的大客车模型。

2.1 Ahmed模型建立与验证

Ahmed模型是一种国际通用的标准简化汽车模型，如图1。其基本尺寸(长×宽×高)为：1 044 mm×398 mm×338 mm。该车体钝体模型最早于1984年由SR Ahmed在研究时均汽车尾涡过程中提出，当前已广泛应用于汽车空气动力学研究[10]。

图1 Ahmed模型Fig.1 Ahmed model

在ICEM软件中构建基于Ahmed模型的有限元模型。网格采用四面体+三棱柱+六面体的混合方案，单元总数为223万，如图2。计算域最外层采用六面体网格，中间层采用四面体网格，内层贴近模型表面采用三棱柱网格。以上混合网格方案可充分发挥不同网格单元的优势。

图2 混合网格方案Fig.2 Hybrid mesh scheme

计算域选取原则为：距离前端为2倍车长，车身后端8倍车长，车身侧面3倍车宽，车身顶部3倍车高[10]；计算域尺寸(长×宽×高)为11 484 mm×2 786 mm×1 352 mm。

数值模拟边界条件的设置如表1。该Ahmed模型的风洞试验是由H.LIENHART等[11-12]在LSTM低速风洞中完成的,为了验证计算方案的准确性，边界条件的设置均与风洞试验保持一致。

表1 边界条件

采用Fluent软件进行求解，将得到的计算结果与风洞试验结果对比，如表2。由表2可见，数值模拟得到的气动阻力和升力系数与风洞试验数据的偏差分别为+4.8%和+3.2%，相对误差较小，表明以上数值模拟方案可信度较高，能为后续研究提供可靠的依据。

表2 气动系数对比

2.2 客车建模

建立简化的12 m大客车分析模型。该模型是在Ahmed模型基础上进行改型及尺寸缩放，基本尺寸(长×宽×高)为12 000 mm×2 500 mm×3 000 mm。笔者主要探索大客车前围造型对客车气动性能影响，为提高计算效率，客车数值分析模型可适当简化，忽略后视镜、空调罩和雨刮器等车身附件，客车底部和顶部作平滑处理，不考虑内流影响等[13]。客车计算域与Ahmed模型计算域的选取原则一致，均为距离前端2倍车长，车身后端8倍车长，车身侧面3倍车宽，车身顶部3倍车高；计算域尺寸(长×宽×高)为：132 m×17.5 m×12 m。客车数值模拟边界条件与Ahmed模型设置保持一致，来流速度为20 m/s，地面为移动边界，出口为压强边界，车身壁面为固定边界。大客车模型采用与Ahmed模型相同的建模方案，其外造型在Ahmed模型基础上开发，因此数值分析的精确度可得到很好的保障。

前围造型参数如图3。主要包括前顶弧半径R1，前侧弧半径R2和前扰流板角度∂，其中基准模型的这3个参数值均设为0。

图3 前围参数Fig.3 Front face parameters

3 计算结果与分析

3.1 前顶弧半径R1对客车气动特性的影响

基于大客车基准模型，研究R1对气动系数的影响规律。其中R1的变化范围为0～1 000 mm，变化梯度200 mm，共6组算例。

气动力系数的变化见图4。

图4 气动力系数随R1变化规律Fig.4 Law of dynamic coefficients changing with variable R1

由图4可见，随着前顶弧半径R1从0增至1 000 mm，气动阻力系数CD值持续降低而气动升力系数CL值明显增加，且以R1在0～200 mm之间的变化幅度最为突出。当R1为0 mm时，CD和CL值分别为0.891 6和-0.184 5；当R1为200 mm时，CD和CL值分别为0.707 7和-0.120 2；阻力和升力系数的变化幅度分别达到20.57%和34.85%。随着R1继续增大，尽管CD和CL保持原有变化趋势，但变化幅度逐渐降低。

湍动能云图见图5。由图5可见，随着R1增加，客车前顶部湍动能强度逐渐降低。湍动能强度反映气流流经车身所耗散的能量，可表征车辆行驶时克服空气阻力消耗能量的大小。当R1为0 mm时，前顶部湍动能强度最高，这是由于前顶弧过渡不够平缓，气流分离现象十分严重而造成较大的能量耗散。R1为200 mm时，相比基准模型湍动能强度急剧减小，表明气流在过渡处可平滑的流过，分离现象减弱。随着R1继续增大，气流湍动能逐步减小但降低程度缓慢，气动性能逐渐改善。湍动能强度变化趋势与图4中的CD值变化一致。

图5 不同圆角半径对称面上湍流动能Fig.5 Turbulent energy on the symmetry plane with different fillet radiuses

3.2 前侧弧半径R2对客车气动特性的影响

研究R2对客车气动系数的影响规律。其中R2的变化范围0～1 000 mm，变化梯度200 mm，共6组算例。

气动力系数计算结果见图6。

图6 气动系数随R2变化规律Fig.6 Law of dynamic coefficients changing with variable R2

由图6可见，随着前侧弧半径R2由0增至1 000 mm，气动阻力系数CD值逐渐降低，而气动升力系数CL值升高，其中均以R2在0～200 mm范围间变化最显著。相比基准模型，当R2为200 mm，CD值由0.891 6下降到0.512 2，降低幅度达到42.54%；CL值由-0.184 5增加到-0.110 3升高幅度为40.19%。此后随着R2继续增加，CD和CL变化幅度逐渐减弱。

速度矢量见图7。由图7可见，随着R2增大，客车前部流经侧围的气流流速逐渐增大，再附着点前移，前顶弧过渡对气流的阻碍作用逐渐减弱。R2为0 mm时，前顶弧转折处气流无法紧贴车身壁面，而再附着点位置比较靠后，侧围前端反向涡流十分严重，客车前部气流特性不够理想。随着R2增大，气流分离点后移而再附着点提前，分离涡的区域范围逐渐缩小，客车前部气流特性更加流畅。

图7 不同过渡半径z向截面速度矢量(z=2 000 mm)

(z=2 000 mm)

3.3 前扰流板角度α对客车气动特性的影响

研究α对客车气动系数的影响规律。计算α分别为0°，2°，4°，6°，8°，10°时的6种算例。

气动力系数计算结果见图8。

图8 气动系数随α变化规律Fig.8 Law of dynamic coefficients changing with variable α

由图8可见，随着α增大，气动阻力系数CD值和气动升力系数CL值分别呈现出减小和增大的趋势。值得注意的是，CD值全程变化幅度仅为7.12%，而CL值变化幅度达到62.08%。这表明α值的变化对气动阻力基本没有影响，而对气动升力影响较为显著。

车身纵向对称面压力云图见图9。由图9可见，随着α增加，前扰流板上翘区压强持续增大，而客车顶部压强基本无变化，造成客车顶部与底部压强差增大，导致升力逐渐增加。α为0°时，底部负压区域分布最广；α增大时，底部压强逐渐增大，负压区范围逐渐减小。当α在6°以后，底部负压区有向上翘区与底盘交接处转移的趋势，但总体负压区呈减小趋势。

图9 车身纵向对称面压力云图Fig.9 Pressure contour of longitudinal symmetry plane of a coach

综合可见，前围造型因素对于客车气动阻力系数影响程度从大到小依次为：前侧弧半径R2，前顶弧半径R1和前扰流板角度α。由于客车存在左右对称侧弧，其造型参数对于气动阻力影响十分关键。以上因素对升力系数的影响程度相差不大,但在整体造型不变的前提下，可通过设计不同的前扰流板角度来调节客车气动升力系数。

4 结 论

1)前顶弧和前侧弧半径对客车气动阻力特性具有很大影响。适当的圆角半径，可显著降低气动阻力。

2)前扰流板角度对客车升力系数具有重大影响，而对客车气动阻力影响较小。

3)对气动阻力影响程度的大小依次为前侧弧半径，前顶弧半径和前扰流板角度。在前期，造型设计为了提高客车气动性能，可优先考虑这些参数的影响。

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Effect of Front Wall Styling on Aerodynamic Characteristics of A Coach

PENG Qian1, HU Hanqiao1, HUANG Hongwu1, HAN Fenggang1, Emmanuel Matsika2,ZHANG Gang3

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, Fujian,P.R.China;2. New Rail Research Centre, Newcastle University, Newcastle,NE1 7RU,UK; 3.Xiamen Golden Dragon Tour Coach Co.,Ltd.,Tech Center,Xiamen 361024,Fujian,P.R.China)

In order to assess the effect of styling parameters of front wall on the aerodynamic characteristic of a coach, The validity of the numerical simulation was verified based on Ahmed model and the relevant wind tunnel testing. According to a 12 m coach model, the local features of front wall were evaluated, which included the influence rule of arc radius of front roof, arc radius of front side and front spoiler angle on the drag factor and lift factor of a coach. The results indicate that the drag factor and lift factor of the coach respectively reduce and go up when arc radius of front roof, arc radius of front side and front spoiler angle increase; the influential sequence of the above factors on the drag factor is arc radius of front side > arc radius of front roof > front spoiler angle, whereas there is no significant difference on the effect of the lift factor.

vehicle engineering; arc radius of front roof; arc radius of front side; front spoiler angle; aerodynamic characteristics; coach

2015-09-17；

2015-12-03

国家外专局高端外国专家项目(GDT20153600065)；福建省教育厅JK项目(JK2014036)

彭 倩(1983—)，男，湖北天门人，讲师，博士，主要从事整车性能集成方面的研究。E-mail：pengqian603@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.32

U466

A

1674-0696(2016)06-158-05