楊永柏，黃宜堅，譚鴻迅，胡興軍

大客車不同前圍和尾翼下的風(fēng)洞試驗對比研究

楊永柏1，黃宜堅1，譚鴻迅2，胡興軍3

（1.華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院，福建廈門361021；2.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門361023；3.吉林大學(xué)汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室，長春130012）

為評價客車的氣動特性，針對一量產(chǎn)大客車模型進(jìn)行不同前圍造型和尾翼方案的風(fēng)洞試驗對比研究。結(jié)果表明，前圍傾角加大，氣動阻力系數(shù)變??；側(cè)向力系數(shù)隨橫擺角增加而大幅增加；加裝合理尾翼可減少氣動阻力。

大客車；風(fēng)洞試驗；氣動特性；前圍；尾翼

隨著我國高速公路的發(fā)展，大客車的平均行駛速度逐步提高。當(dāng)車速達(dá)到80 km/h時，客車氣動阻力基本與滾動阻力相等，即有50%左右的燃油消耗用于克服氣動阻力。若能降低氣動阻力系數(shù)10%，則燃油消耗可降低3%～4%，有利于車輛節(jié)能減排。為了增大行李艙容積，現(xiàn)今大客車的凈高可達(dá)3.6 m，使其正面和側(cè)面的迎風(fēng)面增大，隨著車速提高，其對側(cè)風(fēng)的敏感性增強(qiáng)。大客車的整體造型也與過去有較大差異，且不同造型的氣動阻力也有差異；再者，通過增加尾翼等附屬裝置，也可改善其氣動特性[1]。已有文獻(xiàn)多是關(guān)于大客車簡化模型的風(fēng)洞試驗[2-6]或是數(shù)值模擬[6-9]，但很少關(guān)于現(xiàn)今量產(chǎn)實車造型和尾翼方案的探討。本文旨在通過風(fēng)洞試驗探討當(dāng)今大客車量產(chǎn)車不同造型、不同尾翼裝置對其氣動特性的影響，用于指導(dǎo)大客車的造型和尾翼的設(shè)計，并為數(shù)值模擬提供驗證依據(jù)。

1 試驗設(shè)備及模型

本次試驗在吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞試驗室進(jìn)行。該風(fēng)洞為回流式風(fēng)洞，有模擬地面效應(yīng)的移動帶裝置，有模擬橫擺角的轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)，試驗段尺寸為8 m×4 m×2.2 m（長×寬×高），收縮比為5.17，最大風(fēng)速為60 m/s，動力段主電機(jī)功率為1 000 kW。風(fēng)洞試驗段如圖1所示。本試驗的橫擺角是為了研究側(cè)風(fēng)的影響，如側(cè)風(fēng)速度5 m/s，行車速度30 m/s，則橫擺角的正切值（tan）為5/30=1/6=0.167，橫擺角約9.46°。實車外形尺寸為12 m×2.5 m×3.6 m（長×寬×高），軸距6 m。試驗?zāi)Ｐ瓦x取實車1：5的縮比模型，采用數(shù)控加工，與實車幾何相似，裝有后視鏡、刮水器、天窗與空調(diào)等附屬裝置，忽略了發(fā)動機(jī)艙、車身底部細(xì)部結(jié)構(gòu)對流場的影響。模型包括三種不同前圍造型方案和三種尾翼方案，車身側(cè)圍、后圍、頂蓋都一致，在此稱為A、B、C車頭（如圖2所示）和1、2、3號尾翼（如圖3所示）。其中，A車頭前擋風(fēng)玻璃分為上下兩塊，上擋風(fēng)玻璃傾角較大；B車頭為單片擋風(fēng)玻璃，傾角較??；C車頭傾角更小，頂蓋有導(dǎo)流裝置，用于一層半車型，可多布置座位數(shù)。1號尾翼裝于后圍，2、3號尾翼位于頂蓋。

圖1 吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞試驗段

圖2 三種不同形式車頭

圖3 三種尾翼的安裝位置及造型

2 試驗結(jié)果及分析

本試驗主要進(jìn)行了不同前圍造型、不同尾翼方案在各種橫擺角情況下的測力試驗（橫擺角試驗主要是為了研究側(cè)風(fēng)的影響）。測力試驗是使用空氣動力天平測量作用在模型上的空氣動力，即測量空間直角坐標(biāo)系中沿三個坐標(biāo)軸的作用力和繞三個坐標(biāo)軸的作用力矩。試驗時，可以全部測量六個分量，也可以只測一個或幾個分量。試驗方案如表1所示。

表1 風(fēng)洞試驗方案

2.1 變雷諾數(shù)對整車氣動特性的影響

本次試驗中，對A車頭進(jìn)行了變雷諾數(shù)氣動力系數(shù)測量，試驗中橫擺角度保持為0°不變（一般做變雷諾數(shù)研究時，只研究0°橫擺角情況，不研究不為0°情況）。具體試驗結(jié)果如圖4所示，可以看出：對同一模型而言，在橫擺角一定的情況下，隨著風(fēng)速的提高，模型的氣動阻力系數(shù)呈下降趨勢。

圖4 A車頭變雷諾數(shù)阻力系數(shù)

2.2 橫擺角對整車氣動特性的影響

本次試驗中，共對6種不同造型在100 km/h的風(fēng)速下，橫擺角分別為-15°、-10°、-5°、0°、5°、10°、15°的工況進(jìn)行了測力試驗。圖5至圖7為6種不同造型的阻力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)、側(cè)傾力矩系數(shù)隨橫擺角變化的曲線圖。

圖5 不同造型下阻力系數(shù)隨橫擺角變化圖

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，對于B車頭及C車頭的兩種造型而言，阻力系數(shù)隨著橫擺角的增加而增加；對于A車頭、A車頭+尾翼1、A車頭+尾翼2、A車頭+尾翼3四種造型而言，阻力系數(shù)隨著橫擺角的增加先增大而后又呈現(xiàn)出下降趨勢。從總體上看，阻力系數(shù)與橫擺角之間的變化無統(tǒng)一的規(guī)律，阻力系數(shù)與橫擺角之間的變化關(guān)系與實驗對象的造型有一定關(guān)系。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，橫擺角對B車型的阻力系數(shù)影響最大，橫擺角變化對其阻力系數(shù)的影響可高達(dá)30%。

圖6 不同造型下側(cè)向力系數(shù)隨橫擺角變化圖

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，隨著橫擺角的增加，各造型的側(cè)向力系數(shù)（側(cè)向力系數(shù)、側(cè)傾力矩系數(shù)等與阻力系數(shù)一起，組成氣動力的六分力）基本上均線性增加，側(cè)向力系數(shù)與橫擺角間的變化關(guān)系與造型無關(guān)，且側(cè)向力系數(shù)隨橫擺角變化的變化率基本保持一致。在橫擺角為± 15°時，側(cè)向力系數(shù)達(dá)±1.1（乘用車一般僅為0.2），即大客車以100 km/h時速行駛，遭遇8 m/s（5級左右風(fēng)力）的側(cè)風(fēng)時，可產(chǎn)生18 700 N（1/2Csρv2A=1/2×1.1×1.225 ×（100/3.6）2×12×3=18 700 N，其中Cs為側(cè)向力系數(shù)，ρ為空氣密度，v為車速，A為側(cè)面迎風(fēng)面積）的側(cè)向力，引起車輛側(cè)向偏移，對行車安全極為不利。

圖7 不同造型下側(cè)傾力矩系數(shù)隨橫擺角變化圖

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，對所有造型而言，隨著橫擺角的增加，其側(cè)傾力矩系數(shù)均增加，側(cè)傾力矩系數(shù)與橫擺角間的變化關(guān)系大致上為線性的。A車頭+尾翼1、A車頭+尾翼2、A車頭+尾翼3三種造型的側(cè)傾力矩系數(shù)與橫擺角間基本呈線性變化，且其變化率基本保持一致。

2.3 不同車頭造型對整車氣動阻力系數(shù)的影響

圖8為風(fēng)速為100 km/h時，不同車頭造型下阻力系數(shù)隨橫擺角變化圖，從中可以看出，不論在何種橫擺角下，A、B、C三種車頭的阻力系數(shù)從小到大依次為A、C、B。其中，在橫擺角度為0°時，較A車頭而言，B車頭阻力增加了6%，C車頭阻力增加了3.22%。究其原因是A車頭前圍傾角更大，來自前圍氣流更順暢地過渡到頂蓋；而C車頭車頂氣流沒有直接沖擊到空調(diào)前沿，所以C車頭比B車頭阻力低。

圖8 不同車頭造型下阻力系數(shù)隨橫擺角變化圖

2.4 不同尾翼造型對整車氣動阻力系數(shù)的影響

圖9為風(fēng)速為100 km/h時，不同尾翼造型下阻力系數(shù)隨橫擺角變化圖。從中可以看出，在A車頭造型基礎(chǔ)上加裝尾翼時，其阻力系數(shù)不一定會降低，阻力系數(shù)的變化情況與尾翼造型有關(guān)。在本次試驗中，對A車頭造型而言，尾翼1能夠起到很好的減阻效果，尾翼2、尾翼3沒有起到減阻作用，反而起到增阻的作用。其中，在橫擺角度為0°時，與A車頭造型相比，尾翼1使其阻力系數(shù)降低了2.58%，尾翼2使其阻力系數(shù)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布置于后圍，使車頂氣流能更順暢地導(dǎo)向后圍，減少氣流分離，車尾尾渦減小，阻力降低；而尾翼2、3布置于車頂，自身產(chǎn)生了一定的形狀阻力，也沒很好地引導(dǎo)氣流流向后圍，致使阻力增加。

圖9 不同尾翼造型下阻力系數(shù)隨橫擺角變化圖

3 結(jié)論

通過上述分析可知：

1）對同一車型而言，在橫擺角一定的情況下，隨著風(fēng)速的提高，模型的氣動阻力系數(shù)呈下降趨勢。

2）風(fēng)速一定時，阻力系數(shù)與橫擺角之間的變化無統(tǒng)一的規(guī)律，阻力系數(shù)與橫擺角之間的變化關(guān)系與大客車的造型有一定關(guān)系；側(cè)向力系數(shù)與橫擺角間的變化關(guān)系與造型無關(guān)，側(cè)向力系數(shù)隨橫擺角變化的變化率基本保持一致，且線性變化斜率大；側(cè)傾力矩系數(shù)隨橫擺角的增加而增加，側(cè)傾力矩系數(shù)與橫擺角間的變化關(guān)系大致上為線性的。

3）風(fēng)速一定時，不同前圍造型的阻力系數(shù)不同，前圍傾角加大，阻力系數(shù)變小。

4）風(fēng)速一定時，加裝尾翼可使大客車的阻力系數(shù)發(fā)生變化，布置合適外形的尾翼（一般加裝在后圍上）可有效降低阻力系數(shù)。

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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

國家自然科學(xué)基金資助項目（50805062）；華僑大學(xué)高層次人才科研啟動項目（09BS613）

楊永柏（1971-），男，講師；主要從事汽車空氣動力學(xué)的研究工作。