稳态侧风作用下类客车形体气动特性分析

袁志群，于国飞，梅丽芳

(1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024；2.中南大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410075)



稳态侧风作用下类客车形体气动特性分析

袁志群1,2，于国飞1，梅丽芳1

(1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024；2.中南大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410075)

以提高客车高速行驶时侧风安全性为目的，利用计算流体动力学方法建立类客车形体稳态侧风工况下的数值计算模型，研究其在不同横摆角下的空气动力学特性.计算结果表明：气动升力系数和气动侧力系数随着横摆角的增加而增加，气动阻力系数对横摆角变化不敏感，呈现先增加后减小的趋势.增加顶盖与侧围过渡圆角，增加侧围与后围过渡圆角，减小顶盖倾角都能不同程度地降低气动力系数，对改善客车高速行驶时侧风稳定性有较好的效果.模型的风洞试验数据验证了数值计算方法的准确性，计算结果为客车造型设计提供了理论依据.

客车；稳态侧风；横摆角；气动力系数

汽车在高速行驶的时候，经常会遇到侧向风的干扰(包括超车和会车引起的环境侧风以及自然侧风)，造成气动力和气动力矩瞬间发生变化，影响汽车行驶稳定性，也增加了驾驶员频繁修正方向引起的驾驶疲劳，对汽车主动安全影响很大，国内外已出现多起由于侧风而引起的汽车侧翻事故.客车由于车身高且侧面迎风面大，高速行驶时对侧风更为敏感，因此对侧风状态下的客车进行空气动力学分析非常重要[1].目前对于汽车侧风气动特性的分析多倾向于轿车，对客车空气动力学的相关研究主要集中在减阻[2-7].文献[4-5]对轿车在侧风下的气动特性进行了数值计算与试验研究，总结了相应的计算方法.文献[6]对电动客车的外流场进行了数值计算，提出了相应的改进建议.文献[7]对中型客车外流场进行了数值计算，分析尾部造型对气动力的影响规律.本文通过对类客车形体(Ahmed模型)进行研究，分析其在侧风影响下气动力的变化规律，研究结果可为客车造型设计时提高其侧风稳定性提供必要的理论依据.Ahmed模型是1984年S R Ahmed提出的一个空气动力学标准模型[8]，主要用于汽车空气动力学基础理论研究，该模型总体尺寸和造型与客车相似(相当于1∶10客车模型)，国内外很多学者对其作了大量的研究，其试验数据可以验证本文计算分析方法的正确性.

1　数值分析模型的建立

Ahmed模型的长宽高尺寸为1 044 mm×389 mm×288 mm，离地间隙50 mm，前部圆角半径为100 mm，尾部倾角为25°.在前处理软件ICEM-CFD中采用OCTREE方法对空气流动区域进行离散.模型表面拉伸出与其平行的三棱柱网格，精确模拟壳体表面的附面层.在流动变化剧烈的区域进行网格加密，通过采用不同的网格数目验证网格的无关性，数值分析模型网格达到200万.

汽车车速一般远低于声速，马赫数较小，汽车空气动力学属于低速空气动力学，因而汽车周围流场可以看作是三维不可压缩粘性等温流场，由于其外形复杂容易引起分离，所以应按湍流处理，研究表明Realizable k-ε湍流模型在气动参数计算方面比较理想，被广泛应用于汽车绕流问题中，本文即选用该湍流模型.计算采用二阶迎风格式，方程求解采用SIMPLE算法.入口采用速度入口边界条件，出口采用压力边界条件，地面采用滑移壁面边界条件，车身表面为无滑移璧面边界条件，其余为对称边界条件.图1为Ahmed模型表面网格和边界层网格.

侧风计算时，根据车速与风速关系计算出横摆角β，然后将车偏转β角度，侧风计算方法如图2所示.

该方法与目前汽车模型风洞侧风试验方法相同.根据气动力定义，得到气动阻力、气动侧力以及气动升力坐标转换关系如下：

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中:Fx，Fy，Fz分别为数值计算得到的Ahmed模型坐标分力；FD，FS，FL分别为Ahmed模型的气动阻力、气动侧力及气动升力.

2　结果分析与讨论

表1 数值计算结果与风洞试验结果对比Table1 Numericalresultandtestresultcompared参数气动阻力系数气动升力系数数值计算值0.2940.383风洞试验值[8]0.2850.400计算误差/%3.164.25

本文主要分析类客车形体Ahmed模型横摆角在0°～25°之间变化时气动特性的变化规律，每隔5°一个工况.当横摆角为0°时，得到的气动力数据如表1所示.与文献[8]气动力试验数据进行对比，误差在允许范围之内,表明数值计算方法在气动力计算方面结果可靠.尾部流场计算结果与文献[9]进行对比，图3为距离尾部0.2 m处流场结果.由图3可知，尾部涡系形态和速度云图形态基本相同，气流流动方向一致,但局部速度大小存在一定差别.尾部流场的试验数据验证了数值计算方法在流场计算方面结果可靠性.

Yplus值是评价计算模型合理性的重要参数，从图4可知，该模型Yplus值在6～108之间，大部分区域在30～60区间，符合要求，进一步验证了文中数值计算的合理性.

图5为横摆角为0°时的速度云图和压力云图.由图5可知，流场左右对称，车头前部为流动阻滞区，动压转变为静压，该处静压最大.在前围与侧围过渡的左右对称两处存在速度峰值，压力减小.车尾有两个左右对称的拖曳窝.当横摆角增加到15°时，车头气流阻滞区和最大正压区向迎风侧靠近，车头与侧围过渡的背风侧存在速度峰值，压力减小，如图6所示.由于侧围与顶盖、侧围与后围过渡圆角为零，当遇到侧风时，气流在这些地方发生明显的气流分离，如图7所示.

图8为不同横摆角下气动力变化规律.气动阻力、气动升力与气动侧力随横摆角变化各不相同，气动阻力对横摆角变化不敏感，而横摆角对气动升力和气动侧力影响较大.

气动阻力随横摆角变化先增加后减小，临界角度为15°左右.客车后车体造型是产生气动阻力的主要原因，随着横摆角增加，后车体气动阻力增加明显，而前车体气动阻力则减小.

横摆角越大，气动侧力系数越大，近似线形关系变化.前车体造型是是产生气动侧力的主要原因，随着横摆角的增加，前车体气动侧力增加明显，后车体气动侧力对横摆角变化不敏感.

横摆角越大，气动升力系数越大，近似二次函数关系变化.通过进一步分析可知，客车后车体造型是产生气动升力的主要原因，后轴升力明显大于前轴升力，随着横摆角的增加，前车体和后车体气动升力增加明显.

在其它造型参数不变的情况下，通过改变类客车形体前后围和顶盖的过渡参数(如图9所示)，分析其对整车气动特性的影响.

对Ahmed侧围与顶盖倒圆角50 mm(模型1)、后围与侧围倒圆角50 mm(模型2)、顶盖与后围的倾角修改为0°(模型3)，分析得到修改模型在横摆角为15°的情况下，气动力参数如图10所示.

由图10分析可知，增加侧围与顶盖圆角半径，不仅可以降低类客车形体的气动阻力，同时也对降低气动升力和气动侧力有效；增加后围与侧围的圆角半径，气动阻力和气动侧力有一定程度增加，但是气动升力减小比较明显；减小顶盖与后围的倾角，气动侧力有一定程度增加，但是气动升力减小非常明显.

3　结论

通过对不同横摆角下的类客车形体Ahmed模型进行数值分析，计算误差在5%以内，证明了本文的方法可行，结果可靠，研究结果对于提高客车侧风安全性有一定的参考价值，具体得出以下结论.

1)气动力系数对横摆角的敏感程度不同.当横摆角较小时，气动阻力系数和气动升力系数随着横摆角增加而增加，当横摆角较大时，气动升力增加趋势比较明显，而气动阻力呈减小趋势；气动侧力系数则随着横摆角的增加基本呈线性趋势增加.

2)增加侧围与顶盖过渡圆角半径可以大幅降低气动力系数，从而降低整车的横摆力矩和侧倾力矩，在提高燃油经济性的同时，对改善客车高速行驶稳定性有较好的效果.

3)减小顶盖倾角、增加侧围与后围过渡圆角对降低升力系数效果非常显著，从而降低整车的侧倾力矩，对避免客车高速行驶时发生侧翻有较好的效果.

[1]谷正气.汽车空气动力学[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]MOHAMED E A,RADHWI M N,GAWAD A F A.Computational investigation of aerodynamic characteristics and drag reduction of a bus model[J].American Journal of Aerospace Engineering,2015,2(1):64-73.

[3]CHUL-HO K.A streamlined design of a high-speed coach for fuel savings and reduction of carbon dioxide[J].International Journal of Automotive Engineering,2011,2(4):101-107

[4]龚旭,谷正气,李振磊.侧风状况下轿车气动特性的仿真与实验研究[J].系统仿真学报,2012,24(6):1 308-1 313.

[5]龚旭,谷正气,李振磊,等.侧风状态下轿车气动特性数值模拟方法的研究[J].汽车工程,2010,32(1):13-16.

[6]夏应波.电动客车外流场的数值模拟[J].客车技术与研究,2014(3):17-19.

[7]胡树清,庄国华,林凤场.中型客车气动特性优化仿真分析[J].机电技术,2015(1):62-63.

[8]AHMED S,RAMM G,FALTIN G.Some salient features of the time-averaged ground vehicle wake[C]//SAE Motosports Engineering Conference&Exhibition.Detroit:[s.n.],1984:84-93.

[9]LIENHART H，BECKER S.Flow and turbulence structure in the wake of a simplified car model[J].Notes on Numerical Fluid Mechanics,2002(77):323-330.

(责任编辑李宁)

Analysis on Aerodynamic Characteristics of Similar Bus in Steady Cross-wind

YUAN Zhiqun1,2,YU Guofei1,MEI Lifang1

(1.School of Mechanical & Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China； 2.School of Traffic and Transportation Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

To improve safety of cross-wind for high-speed bus,a numerical analysis model of similar bus in steady cross-wind was established by using computational fluid dynamics technique.The aerodynamic characteristics of similar bus in different yaw angles were summarized.The results show that the aerodynamic lift coefficient and aerodynamic side force coefficient increases with the yaw angle.The aerodynamic drag coefficient increases first and then decreases，not sensitive to the change of the yaw angle.Increase of radius between the bus body side and roof，increase of radius between the bus body side and back，or decrease of angle of the bus body roof can all decrease the lift coefficient that brings good effect in improving cross-wind safety for high-speed buses.The simulation results proves the accuracy of the numerical simulation under discussion that helps the future bus design.

bus；steady cross-wind；yaw angle；aerodynamic force coefficient

2015-12-02

2015-12-28

福建省教育厅科技项目(JB13151)；国家自然科学基金项目(51405411)

袁志群(1983-)，男，讲师，硕士，研究方向为车辆空气动力学.E-mail：yzqxmut@163.com

U462

A

1673-4432(2016)03-0001-05