梅進(jìn)明

空氣動(dòng)力學(xué)在客車(chē)造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

梅進(jìn)明

（廈門(mén)金龍旅行車(chē)有限公司，福建廈門(mén)361000）

結(jié)合流體力學(xué)軟件計(jì)算出原客車(chē)模型的風(fēng)阻系數(shù)；通過(guò)結(jié)果分析，為客車(chē)模型的型體優(yōu)化提供精確的參考，從而有效減少風(fēng)阻，改善整車(chē)的操控性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

客車(chē)造型設(shè)計(jì)；空氣動(dòng)力學(xué)；風(fēng)阻

隨著國(guó)家節(jié)能減排法規(guī)的日益嚴(yán)格，以及運(yùn)營(yíng)商對(duì)于客車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能增效等訴求的日益增多，許多客車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家在新車(chē)型開(kāi)發(fā)階段便將空氣動(dòng)力學(xué)作為一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)輸入對(duì)造型設(shè)計(jì)提出新的要求[1-3]。在三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)完成之后，采用數(shù)值模擬（或縮比模型）和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行氣動(dòng)性能分析和造型優(yōu)化，從而設(shè)計(jì)出風(fēng)阻系數(shù)較小的造型方案，提高該產(chǎn)品的客車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力?？諝鈩?dòng)力學(xué)對(duì)于汽車(chē)設(shè)計(jì)的意義不僅在于改善其操控性，同時(shí)也是降低油耗的一個(gè)竅門(mén)。

以某車(chē)型為例，本次分析流程如圖1所示。

1 建立主模型并求解

1.1 幾何模型

首先建立整車(chē)三維幾何模型，應(yīng)盡可能貼合最終產(chǎn)品，如后視鏡、外裝飾件等配件，直接影響著數(shù)值模擬的最終結(jié)果。所以整車(chē)的三維幾何模型應(yīng)盡可能完整，以保證最終數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如圖2所示。該車(chē)主要尺寸參數(shù)為：車(chē)長(zhǎng)L=12 000mm，車(chē)寬W=2 500 mm，車(chē)高H= 3 850 mm，軸距B=6 180 mm，離地間隙C=315 mm。

1.2 確立計(jì)算域

計(jì)算域是模擬客車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)空氣的流動(dòng)區(qū)域，采用長(zhǎng)方體，其尺寸如圖3所示。

1.3 建立有限元模型

利用Hypermesh和ICEM軟件建立的整車(chē)有限元模型如圖4（a）和圖4（b）所示。

圖4 （a）和圖4（b）分別采用面單元和體單元的單元類(lèi)型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，客車(chē)的基本網(wǎng)格大小選取40 mm；對(duì)于前部、尾部及后視鏡氣流存在分離處的網(wǎng)格適當(dāng)加密，網(wǎng)格尺寸為20 mm；局部細(xì)節(jié)特征如腰線(xiàn)、燈輪廓線(xiàn)和后視鏡尺寸為10 mm；進(jìn)出口以及壁面網(wǎng)格尺寸為400 mm。于車(chē)體對(duì)稱(chēng)，兩側(cè)流暢一致，為節(jié)約計(jì)算資源，可采用半側(cè)模型建模，有限元模型的總網(wǎng)格數(shù)約376萬(wàn)個(gè)。

1.4 求解

1）邊界條件。將生成的整車(chē)有限元模型導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件Fluent中進(jìn)行邊界條件設(shè)置，邊界條件設(shè)置為：入口速度30 m/s，出口壓強(qiáng)101 325 Pa，車(chē)體及輪胎固定無(wú)滑移壁面，地面移動(dòng)速度30 m/s，側(cè)壁為靜止壁面。

2）計(jì)算模型。本次計(jì)算采用雷諾時(shí)均湍流模型，項(xiàng)源和擴(kuò)散項(xiàng)計(jì)算采用二階中心差分格式，壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)求解，使用SIMPLEC算法進(jìn)行數(shù)值求解。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 氣動(dòng)系數(shù)

根據(jù)汽車(chē)氣動(dòng)力系數(shù)公式：

式中：空氣密度ρ=1.225 kg/m3，客車(chē)相對(duì)空氣速度V=30 m/s，客車(chē)正面迎風(fēng)面積A=4.55 m2，F(xiàn)D和FL分別為客車(chē)的氣動(dòng)阻力和升力。通過(guò)Fluent軟件求解FD和FL分別為1386.50N和-612.91N（該軟件基于有限體積法（FVM）求FD和FL，求解的方程類(lèi)型是形如N-S方程的對(duì)流擴(kuò)散方程）。

將上述數(shù)值代入公式，計(jì)算結(jié)果分別為CD=0.553，CL=-0.244

其中客車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)CD即是平時(shí)所說(shuō)的風(fēng)阻系數(shù)。氣動(dòng)阻力系數(shù)CD值一般在0.45～0.8之間，低風(fēng)阻客車(chē)的CD值在0.45～0.55之間，該客車(chē)模型的風(fēng)阻系數(shù)較低?？蛙?chē)行駛過(guò)程中的環(huán)流產(chǎn)生了上下壓力差，這個(gè)壓力差就是升力，氣動(dòng)升力系數(shù)CL值越小表明汽車(chē)行駛貼地性好，反之，則行駛貼地性差，甚至?xí)霈F(xiàn)平常所說(shuō)的“發(fā)飄現(xiàn)象”。CL的控制也是客車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究的重要課題，但本文就常關(guān)注的風(fēng)阻系數(shù)作詳細(xì)論述。

2.2 車(chē)身表面壓強(qiáng)云圖

客車(chē)前后壓強(qiáng)差形成的壓差阻力是氣動(dòng)阻力的主要來(lái)源[4]，本次客車(chē)壓差阻力為1 228.47 N，占?xì)鈩?dòng)阻力的88.60%。一般在空氣中運(yùn)動(dòng)速度較大的物體如客車(chē)，受到的阻力主要是壓差阻力，其余來(lái)源于其受到的粘滯阻力，包括后視鏡、側(cè)圍突出的輪罩、裝飾板等物體產(chǎn)生的擾動(dòng)以及漩渦阻力。壓強(qiáng)云圖見(jiàn)圖5。

正壓區(qū)主要集中在車(chē)身前部中心，后視鏡和車(chē)輪前部，尾部為負(fù)壓區(qū)。要進(jìn)一步減少壓差阻力，可通過(guò)縮小前圍正壓區(qū)和尾部負(fù)壓區(qū)來(lái)降低客車(chē)風(fēng)阻系數(shù)。

2.3 速度矢量圖

通過(guò)速度矢量圖觀察氣流在車(chē)身表面的貼合情況。比較理想的氣流流動(dòng)特點(diǎn)是氣流緊貼車(chē)身平滑流動(dòng)而不產(chǎn)生分離。從圖6可以看出，氣流與車(chē)身整體貼合較好，但在前圍與頂部、側(cè)圍以及底部過(guò)渡處，后視鏡和輪胎邊緣，氣流速度發(fā)生突變，產(chǎn)生明顯的氣流分離現(xiàn)象，導(dǎo)致了氣流擾動(dòng)和能量損失。

為了獲得良好的客車(chē)氣動(dòng)造型，可通過(guò)增大前圍與側(cè)圍，頂部與底部的曲率半徑過(guò)渡，采用流線(xiàn)型造型的后視鏡來(lái)減少分離區(qū)域，從而降低客車(chē)風(fēng)阻系數(shù)[5-6]。

2.4 速度流線(xiàn)圖

通過(guò)速度流線(xiàn)圖觀察氣流在車(chē)身周?chē)牧鲃?dòng)與分布情況。如圖7所示。

總體上，車(chē)身周?chē)鷼饬鞣植驾^為均勻流暢，但前圍頂部A處和前圍下部B處氣流發(fā)生突變，尾部氣流流速降低，匯合形成兩個(gè)方向渦核（C處）。因此，得優(yōu)化三處的造型面，盡量結(jié)合造型設(shè)計(jì)，避免嚴(yán)重的氣流分離[7]。

關(guān)于速度矢量圖和速度流線(xiàn)圖，分析內(nèi)容較為接近，相互論證式的分析，使得分析更為全面和準(zhǔn)確，在圖6圖7圖上，可以較為直觀的看到氣流在車(chē)身表面的貼合情況和流動(dòng)與分布情況，對(duì)造型曲面優(yōu)化提供更為精確的參考。

2.5 湍動(dòng)能云圖

湍動(dòng)能可表征客車(chē)行駛時(shí)用于客服空氣阻力消耗的能量，通過(guò)湍動(dòng)能云圖可確定客車(chē)能量耗散的關(guān)鍵部位，為客車(chē)造型設(shè)計(jì)提供依據(jù)。如圖8所示，該客車(chē)在尾部、前頂部、前底部、后視鏡與側(cè)圍連接處和前后輪罩后補(bǔ)的能耗耗散較為明顯。所以，通過(guò)這些部位的造型優(yōu)化設(shè)計(jì)，可降低湍動(dòng)能范圍和數(shù)值，提高客車(chē)氣動(dòng)性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著客車(chē)工業(yè)水平的提高和制造技術(shù)的改進(jìn)，高速客車(chē)氣動(dòng)外形及氣動(dòng)特性越來(lái)越受到重視?？蛙?chē)受到的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩主要影響燃油經(jīng)濟(jì)性和行車(chē)穩(wěn)定性[8]。這就要求客車(chē)造型設(shè)計(jì)師，在設(shè)計(jì)一個(gè)車(chē)型的初始階段，就具備整車(chē)型體氣動(dòng)性能意識(shí)的基礎(chǔ)上，還必須了解和學(xué)習(xí)一定的空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)。結(jié)合造型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出低風(fēng)阻的客車(chē)型體，提高整車(chē)動(dòng)力性能及燃油經(jīng)濟(jì)性，使其在市場(chǎng)中具備更好的競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]雪梅.中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展史[J].中國(guó)科技史雜志，1987（5）：47-47.

[2]Theodore von Karman.空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展[M].科學(xué)技術(shù)出版社出版，1958.

[3]丁巖，陳永光，李寧.空氣阻力與車(chē)身造型研究[J].公路與汽運(yùn)，2008（2）：5-8.

[4]張英朝，李杰，張喆.轎車(chē)開(kāi)窗行駛時(shí)的氣動(dòng)阻力分析[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，31（6）：651-655.

[5]范士杰，王開(kāi)春.國(guó)產(chǎn)新型轎車(chē)空氣動(dòng)力特性的三維仿真計(jì)算[J].汽車(chē)工程，2000，22（5）：293-295.

[6]張揚(yáng)軍，呂振華，徐石安，等.汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真研究進(jìn)展[J].汽車(chē)工程，2001，23（2）：82-91.

[7]張海峰.基于湍流模型的汽車(chē)氣動(dòng)特性研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2011.

[8]岳建雄.高速客車(chē)氣動(dòng)特性的研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，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

梅進(jìn)明（1981-）男，工程師；主要從事客車(chē)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的造型和內(nèi)飾設(shè)計(jì)工作。