摘 要：為研究車(chē)身尾部結(jié)構(gòu)特征對(duì)整車(chē)風(fēng)阻有重要影響，降低某客車(chē)的氣動(dòng)阻力，設(shè)計(jì)了3種空氣動(dòng)力附加裝置，并分別進(jìn)行外流場(chǎng)數(shù)值模擬和流場(chǎng)特征分析.研究結(jié)果表明：在同等分析條件下，安裝在客車(chē)尾部的3種空氣動(dòng)力附加裝置均有減阻效果，其中減阻效果最好的方案使氣動(dòng)阻力系數(shù)下降了4.8%，氣動(dòng)阻力降低了174 N，有效地提高了客車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性.

　　關(guān)鍵詞：空氣動(dòng)力附加裝置;數(shù)值模擬;流場(chǎng)特征;減阻

　　《衡器》(月刊)創(chuàng)刊于1972年，是由全國(guó)衡器工業(yè)信息中心主辦，中國(guó)輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)主管的刊物本刊是融學(xué)術(shù)、技術(shù)商業(yè)信息、營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)驗(yàn)、質(zhì)量管理為一體，面向國(guó)內(nèi)外發(fā)行的國(guó)家級(jí)刊物費(fèi))。

　　0 引言

　　隨著汽車(chē)車(chē)速的逐漸提高，汽車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)性能備受關(guān)注，氣動(dòng)阻力成為汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn).汽車(chē)的行駛性能，包括燃油經(jīng)濟(jì)性、加速性能和最高車(chē)速等，與氣動(dòng)阻力有直接的關(guān)系，同時(shí)也成為消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)汽車(chē)產(chǎn)品的重要特征之一.在汽車(chē)減阻方面的研究，主要考慮如何減小汽車(chē)所受的壓差阻力.要減小壓差阻力，主要是要減小汽車(chē)前部的正壓區(qū)和后部的負(fù)壓區(qū)[1].車(chē)身尾部結(jié)構(gòu)特征對(duì)尾部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有直接影響，近幾年來(lái)，在減小汽車(chē)后部負(fù)壓區(qū)的研究上，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者做了許多探索.比如楊易等[2]在SAE模型上研究了非光滑表面對(duì)氣動(dòng)減阻的影響;***娟等[3]通過(guò)對(duì)某SUV的外造型面和氣動(dòng)附件的優(yōu)化，使汽車(chē)風(fēng)阻系數(shù)明顯下降;羅建斌等[4]研究了突風(fēng)環(huán)境下高速列車(chē)的氣動(dòng)特性;李向前等[5]運(yùn)用空氣動(dòng)力數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)了符合空氣動(dòng)力學(xué)和美學(xué)要求的汽車(chē)外形.

　　本文通過(guò)在客車(chē)尾部設(shè)計(jì)3種空氣動(dòng)力附加裝置，改善車(chē)身尾部尾流的結(jié)構(gòu)，從而提高車(chē)身尾部的靜壓，減小車(chē)身前后壓差，最終減小車(chē)輛的氣動(dòng)阻力，有效地提高了客車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性.

　　1 模型創(chuàng)建與分析方法

　　1.1 計(jì)算模型

　　本次仿真分析簡(jiǎn)化了對(duì)客車(chē)外流場(chǎng)影響不大的底盤(pán)細(xì)節(jié)和車(chē)身的細(xì)小特征并建立長(zhǎng)方體虛擬風(fēng)洞，客車(chē)模型如圖1所示，圖2為計(jì)算域中的客車(chē)模型.研究表明，只有阻塞比低于5%的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，阻塞干擾產(chǎn)生的誤差較小[6]，計(jì)算式為：

　　[ε=AAN] (1)

　　式中，[ε]為阻塞比，A為汽車(chē)正投影面積，AN為虛擬風(fēng)洞入口面積.

　　本次數(shù)值模擬中，模型正投影面積A：8.83 m2，虛擬風(fēng)洞入口面積AN：593.1 m2，所以[ε=1.5%<5%]，滿足阻塞比的要求.

　　1.2 數(shù)學(xué)模型

　　客車(chē)的外流場(chǎng)數(shù)值模擬，認(rèn)為空氣為不可壓縮的穩(wěn)定流動(dòng)流體，其控制方程[7]如下：

　　連續(xù)方程(質(zhì)量守恒方程)：

　　[?ρ?t+??xiρui=0] (2)

　　式中，ρ為氣體密度，[ui]為i方向的速度分量.

　　動(dòng)量守恒方程：

　　[??tρui+??xiρuiuj=-?P?xi+?τij?xj+ρgi+Fi] (3)

　　式中，P是靜壓力，[τij]是應(yīng)力矢量，[gi]是i方向的重力分量，[Fi]是由阻力和能源引起的其他能源項(xiàng).

　　1.3 分析方法

　　本次模擬假設(shè)客車(chē)外部流場(chǎng)中不存在側(cè)風(fēng)作用，且空氣為不可壓縮的穩(wěn)定流動(dòng)流體[8]，邊界條件設(shè)置如表1所示.

　　2 客車(chē)原始模型外流場(chǎng)分析

　　2.1 湍流動(dòng)能圖

　　由如圖3所示的湍流動(dòng)能圖可見(jiàn)，在客車(chē)尾部和空調(diào)機(jī)后方的車(chē)身上表面，出現(xiàn)了湍流動(dòng)能較大的情況.湍流的出現(xiàn)會(huì)造成氣流能量的損耗，是氣流不穩(wěn)定流動(dòng)的表征，湍流動(dòng)能越大，意味著氣流相互之間的擾動(dòng)就越大，能量損失也越大，就會(huì)在客車(chē)行進(jìn)方向上形成一個(gè)較大的逆壓梯度，從而導(dǎo)致客車(chē)阻力的增加.從而導(dǎo)致客車(chē)行駛阻力的增加.

　　2.2 壓力分布圖

　　圖4是客車(chē)對(duì)稱(chēng)面上的壓力分布圖，存在較大車(chē)頭正壓區(qū)和車(chē)尾負(fù)壓區(qū).壓力的分布與流場(chǎng)的速度分布相關(guān)，流體的壓力會(huì)隨著流速變化，只要是定常絕熱等熵的流動(dòng)，當(dāng)速度增大時(shí)，壓力都會(huì)降低[9].在客車(chē)尾部，氣流發(fā)生分離后，尾部上方氣流速度大于下方氣流速度，從而產(chǎn)生壓差，下方氣流往上涌，所以此區(qū)域的壓力會(huì)降低，當(dāng)?shù)蛪簠^(qū)靠近客車(chē)尾部車(chē)身表面，客車(chē)前后壓差變大，客車(chē)受到的阻力會(huì)隨著低壓區(qū)的位置和壓力值改變.

　　2.3 速度矢量圖

　　如圖5是客車(chē)對(duì)稱(chēng)面速度矢量圖，在客車(chē)尾部，車(chē)身上方主流速度較車(chē)身尾部主流速度要大，相應(yīng)的壓力勢(shì)能就越小，在壓差的作用下，車(chē)身尾部氣流往上竄動(dòng)，與上方氣流產(chǎn)生剪切運(yùn)動(dòng)，同時(shí)因?yàn)檐?chē)身尾部的氣流速度增加，車(chē)身尾部的氣體壓力減小，所以會(huì)吸引一部分的上方氣流，產(chǎn)生回流，從而形成渦流.在空調(diào)機(jī)后方，也出現(xiàn)了一個(gè)小漩渦.渦流是劇烈的、不規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，并伴隨著能量的損失.