空气动力学在客车造型设计中的应用

梅进明

空气动力学在客车造型设计中的应用

梅进明

（厦门金龙旅行车有限公司，福建厦门361000）

结合流体力学软件计算出原客车模型的风阻系数；通过结果分析，为客车模型的型体优化提供精确的参考，从而有效减少风阻，改善整车的操控性和燃油经济性。

客车造型设计；空气动力学；风阻

随着国家节能减排法规的日益严格，以及运营商对于客车燃油经济性、节能增效等诉求的日益增多，许多客车生产厂家在新车型开发阶段便将空气动力学作为一个很重要的设计输入对造型设计提出新的要求[1-3]。在三维设计数据完成之后，采用数值模拟（或缩比模型）和风洞试验相结合的方法进行气动性能分析和造型优化，从而设计出风阻系数较小的造型方案，提高该产品的客车市场竞争力。空气动力学对于汽车设计的意义不仅在于改善其操控性，同时也是降低油耗的一个窍门。

以某车型为例，本次分析流程如图1所示。

1 建立主模型并求解

1.1 几何模型

首先建立整车三维几何模型，应尽可能贴合最终产品，如后视镜、外装饰件等配件，直接影响着数值模拟的最终结果。所以整车的三维几何模型应尽可能完整，以保证最终数据的准确性，如图2所示。该车主要尺寸参数为：车长L=12 000mm，车宽W=2 500 mm，车高H= 3 850 mm，轴距B=6 180 mm，离地间隙C=315 mm。

1.2 确立计算域

计算域是模拟客车风洞试验时空气的流动区域，采用长方体，其尺寸如图3所示。

1.3 建立有限元模型

利用Hypermesh和ICEM软件建立的整车有限元模型如图4（a）和图4（b）所示。

图4 （a）和图4（b）分别采用面单元和体单元的单元类型，采用非结构化网格，客车的基本网格大小选取40 mm；对于前部、尾部及后视镜气流存在分离处的网格适当加密，网格尺寸为20 mm；局部细节特征如腰线、灯轮廓线和后视镜尺寸为10 mm；进出口以及壁面网格尺寸为400 mm。于车体对称，两侧流畅一致，为节约计算资源，可采用半侧模型建模，有限元模型的总网格数约376万个。

1.4 求解

1）边界条件。将生成的整车有限元模型导入到计算机流体力学软件Fluent中进行边界条件设置，边界条件设置为：入口速度30 m/s，出口压强101 325 Pa，车体及轮胎固定无滑移壁面，地面移动速度30 m/s，侧壁为静止壁面。

2）计算模型。本次计算采用雷诺时均湍流模型，项源和扩散项计算采用二阶中心差分格式，壁面函数采用标准壁面函数求解，使用SIMPLEC算法进行数值求解。

2 计算结果与分析

2.1 气动系数

根据汽车气动力系数公式：

式中：空气密度ρ=1.225 kg/m3，客车相对空气速度V=30 m/s，客车正面迎风面积A=4.55 m2，FD和FL分别为客车的气动阻力和升力。通过Fluent软件求解FD和FL分别为1386.50N和-612.91N（该软件基于有限体积法（FVM）求FD和FL，求解的方程类型是形如N-S方程的对流扩散方程）。

将上述数值代入公式，计算结果分别为CD=0.553，CL=-0.244

其中客车气动阻力系数CD即是平时所说的风阻系数。气动阻力系数CD值一般在0.45～0.8之间，低风阻客车的CD值在0.45～0.55之间，该客车模型的风阻系数较低。客车行驶过程中的环流产生了上下压力差，这个压力差就是升力，气动升力系数CL值越小表明汽车行驶贴地性好，反之，则行驶贴地性差，甚至会出现平常所说的“发飘现象”。CL的控制也是客车空气动力学研究的重要课题，但本文就常关注的风阻系数作详细论述。

2.2 车身表面压强云图

客车前后压强差形成的压差阻力是气动阻力的主要来源[4]，本次客车压差阻力为1 228.47 N，占气动阻力的88.60%。一般在空气中运动速度较大的物体如客车，受到的阻力主要是压差阻力，其余来源于其受到的粘滞阻力，包括后视镜、侧围突出的轮罩、装饰板等物体产生的扰动以及漩涡阻力。压强云图见图5。

正压区主要集中在车身前部中心，后视镜和车轮前部，尾部为负压区。要进一步减少压差阻力，可通过缩小前围正压区和尾部负压区来降低客车风阻系数。

2.3 速度矢量图

通过速度矢量图观察气流在车身表面的贴合情况。比较理想的气流流动特点是气流紧贴车身平滑流动而不产生分离。从图6可以看出，气流与车身整体贴合较好，但在前围与顶部、侧围以及底部过渡处，后视镜和轮胎边缘，气流速度发生突变，产生明显的气流分离现象，导致了气流扰动和能量损失。

为了获得良好的客车气动造型，可通过增大前围与侧围，顶部与底部的曲率半径过渡，采用流线型造型的后视镜来减少分离区域，从而降低客车风阻系数[5-6]。

2.4 速度流线图

通过速度流线图观察气流在车身周围的流动与分布情况。如图7所示。

总体上，车身周围气流分布较为均匀流畅，但前围顶部A处和前围下部B处气流发生突变，尾部气流流速降低，汇合形成两个方向涡核（C处）。因此，得优化三处的造型面，尽量结合造型设计，避免严重的气流分离[7]。

关于速度矢量图和速度流线图，分析内容较为接近，相互论证式的分析，使得分析更为全面和准确，在图6图7图上，可以较为直观的看到气流在车身表面的贴合情况和流动与分布情况，对造型曲面优化提供更为精确的参考。

2.5 湍动能云图

湍动能可表征客车行驶时用于客服空气阻力消耗的能量，通过湍动能云图可确定客车能量耗散的关键部位，为客车造型设计提供依据。如图8所示，该客车在尾部、前顶部、前底部、后视镜与侧围连接处和前后轮罩后补的能耗耗散较为明显。所以，通过这些部位的造型优化设计，可降低湍动能范围和数值，提高客车气动性能。

3 结束语

随着客车工业水平的提高和制造技术的改进，高速客车气动外形及气动特性越来越受到重视。客车受到的气动力和气动力矩主要影响燃油经济性和行车稳定性[8]。这就要求客车造型设计师，在设计一个车型的初始阶段，就具备整车型体气动性能意识的基础上，还必须了解和学习一定的空气动力学知识。结合造型设计，设计出低风阻的客车型体，提高整车动力性能及燃油经济性，使其在市场中具备更好的竞争力。

[1]雪梅.中国空气动力学发展史[J].中国科技史杂志，1987（5）：47-47.

[2]Theodore von Karman.空气动力学的发展[M].科学技术出版社出版，1958.

[3]丁岩，陈永光，李宁.空气阻力与车身造型研究[J].公路与汽运，2008（2）：5-8.

[4]张英朝，李杰，张喆.轿车开窗行驶时的气动阻力分析[J].江苏大学学报：自然科学版，2010，31（6）：651-655.

[5]范士杰，王开春.国产新型轿车空气动力特性的三维仿真计算[J].汽车工程，2000，22（5）：293-295.

[6]张扬军，吕振华，徐石安，等.汽车空气动力学数值仿真研究进展[J].汽车工程，2001，23（2）：82-91.

[7]张海峰.基于湍流模型的汽车气动特性研究[D].长沙：湖南大学，2011.

[8]岳建雄.高速客车气动特性的研究[D].济南：山东大学，2012.

修改稿日期：2017-02-20

Application of Aerodynamics to Coach Modeling Design

Mei Jinming
（1.Xiamen Golden Dragon Bus Co.,Ltd,Xiamen 361000,China）

The author calculates the drag coefficient of the original coach model combining with fluid software. Through the results analysis,he provides references for the molded body optimization of the coach model,so as to effectivelyreduce the wind resistance,and improve the handlingbehavior and fuel economy.

coach modelingdesign;aerodynamics;wind resistance

U466

B

1006-3331（2017）02-0029-03

梅进明（1981-）男，工程师；主要从事客车新产品开发的造型和内饰设计工作。