前围造型对12 m客车空气动力学性能影响研究

方 忠， 吴长风， 于霖冲， 林雪芳， 叶诚伟

(1.厦门理工学院 机械与汽车工程学院， 福建 厦门 361024；2.厦门金龙联合汽车工业有限公司， 福建 厦门 361023)

汽车空气动力学是研究汽车与空气相对运动时的现象和作用规律的一门科学。客车空气动力学性能是指客车在流场中所受到气动六分力(阻力、升力、侧向力、侧倾力矩、纵倾力矩、横摆力矩)的作用而产生的车身外部和内部的气流特性、气动噪声特性、侧风稳定性、泥土及灰尘的附着和上卷等特性，因为其中的作用以气动阻力和气动升力为主，故用气动阻力系数和气动升力系数作为本次研究评价空气动力学性能的指标[1-4]。对于客车空气动力学性能方面的研究，国外学者结合客车模型以及近似车体模型(Ahmed模型)的风洞试验验证了数值模拟分析的可行性[5-7]。国内学者也用数值模拟方法对Ahmed模型和客车模型进行相关的气动升力以及气动减阻特性研究[8-10]；还采用风洞试验对比研究的方法，对单一的前围倾角变化进行了研究[11]。

结合国内外学者在客车空气动力学方面的研究，本文基于某款12 m客车的开发，探寻前围造型参数改变对客车气动阻力和气动升力的影响，为客车产品开发提供参考。

1 数值模拟方案的验证

1.1 求解模型选择

相对于航空风洞来说，汽车风洞是低速风洞。所以，在对客车外流场空气动力学性能分析时，客车周围的流场可以直接被认为是三维、定常、等温、不可压、粘性以及湍流流动的。相关研究表明，基于 K-Omega 模型的SST(剪切应力输运)湍流模型能较准确地捕捉气流分离特性，对湍流现象的模拟与实际物理现象吻合性较好，气动参数计算结果较为精确，被广泛应用于汽车绕流的数值仿真[12-13]。本文所有的数值计算都借助于STAR-CCM+仿真平台，选用SST K-Omega湍流模型求解。

1.2 模型建立

Ahmed钝体模型为近似车体模型，最早由S.R.Ahmed[5]用于风洞试验研究汽车尾涡时提出，在汽车空气动力学方面应用广泛，是国际认可的风洞试验模型，可以用来验证数值模拟方法的准确性。图1为在UG中建立的标准Ahmed模型[6](长×宽×高为1 044 mm × 389 mm × 288 mm)。

图1 Ahmed钝体模型

计算域的尺寸大小与几何模型大小有关，Ahmed模型与客车模型的计算域选取原则保持一致。长方体的计算域大小是入口边界距车头为3倍车长、出口边界距车尾为4倍车长、左右壁面边界与车辆距离各为3倍车宽、总高度为5倍车高。

Ahmed模型的风洞试验是由Hermann Lienhart等人[6]在LSTM低速风洞中完成的。为保证数值模拟方法的结果与风洞试验数据具有可比性，边界条件的设置与风洞试验条件需要保持一致：入口边界为速度入口，V=40 m/s；出口边界为压力出口，P=101 325 Pa；地面边界为类似移动带地面效应模拟系统，滑移速度40 m/s；壁面边界为无滑移壁面。

1.3 计算结果分析

Ahmed模型数值模拟与风洞试验的气动力系数对比如表1所示，其中气动阻力系数误差为4.70%，气动升力系数误差为3.87%，均小于工程允许的误差5%，说明所采取的数值模拟方法对气动力系数的求解可信度较高。

表1 数值仿真与风洞试验结果对比

如图2所示，分别取数值模拟和风洞试验距离模型尾部x=500 mm处的截面，观测其速度矢量发现两者在该截面都显示出一对涡核，且流线一致性较好，进一步表明所采取的数值仿真方法具有较高的可信度。这样通过验证后的数值模拟方法，可以用来分析因客车前围造型参数改变而引起的空气动力学性能变化。

(a)数值模拟结果

(b)风洞试验结果图2 尾部截面速度矢量图(x=500 mm)

2 客车模型及其空气动力学性能

2.1 客车几何模型

为研究客车前围造型参数(前围顶部半径R1、前围侧方半径R2、前围底部仰角α)的变化对客车空气动力学性能的影响，采取了3组算例，每组6个，总共18个。为更好地控制变量，对12 m大客车模型(长×宽×高为12 000 mm × 2 500 mm × 3 000 mm)作简化处理，除了空调、天窗、后视镜安装位置外，对客车顶部、尾部、底部、前部均做平滑处理，如图3所示。

图3 客车前围造型参数

前文已经通过Ahmed模型验证了数值模拟方案具有较高的可信度，所以选择SST K-Omega湍流模型来模拟客车车身表面及其周围空气的流动情况。计算域的选取原则与Ahmed模型的选取原则保持一致，即入口边界距车头为3倍车长、出口边界距车尾为4倍车长、左右壁面边界与车辆距离各为3倍车宽、总高度为5倍车高。根据实际情况，车轮略微压扁，则计算域地平面要比原始轮胎下切面高出0.05 m，如图4所示。

图4 车轮压扁示意图

体网格采用的是Trimmer(切面体网格)，边界层采用Prism Layer(棱柱层网格)模型。除了计算域没有边界层之外，其余均是6层边界层，厚度为16 mm，增长比1.2，体网格最大尺寸为500 mm。如图5所示，通过该网格策略生成的整个模型的体网格数为1 100万～1 200万个。

图5 计算域网格示意图

为更准确地模拟客车在公路上行驶，模拟客车车速为100 km/h，具体边界条件如下：入口边界为速度入口，V=100 km/h；出口边界为压力出口，P=101 325 Pa；地面边界为类似移动带地面效应模拟系统，滑移速度100 km/h；壁面边界为无滑移壁面。

2.2 R1对客车空气动力学性能的影响

为研究R1的影响规律，选取6组算例，R1从0到1 000 mm，变化梯度为200 mm。所得气动阻力系数和气动升力系数随R1的变化规律如图6所示：随着R1的增大，气动阻力系数逐渐减小，R1从0增加到200 mm，气动阻力系数减小0.161，此时减幅最为明显，之后R1从200 mm增加到1 000 mm，气动阻力系数也才减小0.06。R1对气动升力系数影响较小，最大绝对值为0.155，最大变化值为0.035。气动升力系数为负值表示客车行驶时空气对车体将产生下压力，提升轮胎的抓地性能，从而提高客车行驶稳定性。

图6 不同R1的气动阻力系数和气动升力系数

图7为不同R1的对称面速度云图，对比可以发现，当前围顶部半径为0，即没有过渡半径时，气流从正面流经客车顶面，气流不能沿着客车表面流动，分离现象最为严重，气流再附着点后移，分离涡的区域范围较大。在增加R1后，严重的分离涡消失。随着R1的增大，气流贴近车身表面的流动效果逐渐变好，能更平顺地流经转折处，印证了图6中气动阻力系数随R1增加而逐渐减小的结论。从图7可以看出，R1在200～1 000 mm变化范围，气流附着效果虽然逐渐变好，但是附着区域变化范围较小，气动阻力系数降低而降幅不大。

(a) R1=0

(b) R1=200 mm

(c) R1=600 mm

(d) R1=1 000 mm图7 不同R1的对称面速度云图

2.3 R2对客车空气动力学性能的影响

为研究R2对空气动力学性能的影响规律，选取6组算例，考虑到后视镜的安装位置，R2范围不能过大，取0到500 mm，变化梯度为100 mm。所得气动阻力系数和气动升力系数随R2的变化规律如图8所示，随着R2的增大，气动阻力系数逐渐减小，R2从0增加到100 mm，气动阻力系数减小0.298，此时减幅最为明显，而R2从100 mm增加到500 mm，气动阻力系数仅减小0.045。R2对气动升力系数影响较小，气动升力系数均为负值，有利于提高客车高速行驶时的稳定性。气动升力系数无明显变化规律，最大绝对值为0.155，最大变化值为0.058。

图9显示了不同R2对应的z向截面对称平面的速度矢量图。当R2为0时，前方气流流经侧面时无法贴近车身，分离严重，反向涡流区域较大，气流流动特性较差。随着R2的增加，前方气流流经侧面时能更好地贴近车身，涡流区域变得很小，气流分离点靠后且再附着点前移，使得该处气流流动特性较好。

图8 不同R2的气动阻力系数和气动升力系数

(a) R2=0

(b) R2=100 mm

(c) R2=300 mm

(d) R2=500 mm图9 z向截面速度矢量图(z=500 mm)

2.4 α对客车空气动力学性能的影响

为研究α对空气动力学性能的影响规律，选取6组算例，α从0到10°，变化梯度为2°。所得气动阻力系数和气动升力系数随α的变化规律如图10所示：随着α的增大，气动阻力系数逐渐减小，但减小的幅度较小，α为10°时也才减小0.027。气动升力系数随着α的增大而逐渐增大，变化幅度也较小，最大绝对值为0.155，最大变化值为0.032。气动升力系数均为负值，有利于提高客车高速行驶时的稳定性。

图11为不同α的对称面速度云图。对比可以发现，客车前围与底部转折处出现涡流区域，且随着α的增加而逐渐变小，当α为10°时，该转折处涡流区域最小。气流流动虽有变化，但是变化范围较小，总体来说各模型气流流动效果相当，所以α对气动阻力系数和气动升力系数影响较小。

图10 不同α的气动阻力系数和气动升力系数

(a) α=0

(b) α=2°

(c) α=6°

(d) α=10°图11 不同α的对称面速度云图

3 结 论

前围造型对客车气动阻力系数影响较大，对气动升力系数影响较小。气动阻力系数随前围顶部半径、前围侧方半径、前围底部仰角的增加而减小。其中，对气动阻力系数影响最大的为前围侧方半径，前围顶部半径次之，前围底部仰角影响最小。较小的前围顶部半径和较小的前围侧方半径就能显著地降低气动阻力系数，后续继续增加半径，气动阻力系数降低不再那么明显。因此在客车前围造型设计时，应当优先考虑前围侧方半径的选择，且选取适当的前围顶部半径以及适当的前围侧方半径，避免出现因过渡半径过大而降阻效果不大却损失客车内部乘坐空间的问题。

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