電動客車外流場的數(shù)值模擬

夏應(yīng)波

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東 深圳 518118）

汽車在行駛中會受到與之有相對運動的周圍空氣所產(chǎn)生的力的作用。隨著車速的增加，這種力變得愈加重要[1]。氣動力對汽車的動力性、經(jīng)濟性和操縱穩(wěn)定性有直接的影響[2]。汽車的外流場理論分析比較困難，早期研究以風(fēng)洞實驗為主，隨著計算流體動力學(xué)（CFD）理論的發(fā)展和計算機性能的提高，運用車身外流場分析的方法指導(dǎo)車身設(shè)計已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[3]，大大縮短整車的開發(fā)周期[4]。本文對某型電動客車的三維外流場進行CFD模擬，獲得了車身表面壓力場分布及氣流的速度場分布等，計算出了車身的氣動阻力系數(shù)。

1 計算模型的建立

1.1 幾何模型建立及網(wǎng)絡(luò)劃分

由某型電動客車車身三維數(shù)模，在其車頭前部取2倍車長，車尾后部取3倍車長，車身外側(cè)取2.5倍車寬，車頂上部取2.5倍車高，最后得到如圖1所示的外部流場計算域。

將簡化后的車身外流場幾何模型進行網(wǎng)格劃分，因車身表面曲面較復(fù)雜，流場的網(wǎng)格劃分采用四面體混合網(wǎng)格，如圖2所示。在車身表面和地面邊界處生成附面層網(wǎng)格，圖3是圖2中框形內(nèi)部網(wǎng)格的局部放大圖。

1.2 邊界條件

流場入口設(shè)為速度入口邊界，此處車速為60km/h，即入口風(fēng)速為16.67m/s。流場出口采用壓力出口；地面設(shè)為移動壁面，移動速度與車速保持一致；其余壁面設(shè)為對稱邊界，消除壁面對流體切向速度的影響[5]。

空氣的密度為1.228kg/m3，計算中不考慮溫度的影響。計算模型采用Reliableκ-ε湍流模型，非平衡壁面函數(shù)法進行壁面處理。壓強離散采用stand格式，動量及湍流動能、湍流粘性耗散比采用二階迎風(fēng)格式，收斂容差設(shè)為0.0001。

2 計算結(jié)果

2.1 壓力分布

如圖4所示，車身表面最大靜壓值為174.0Pa，位于車頭迎風(fēng)面中央附近，此處存在滯點，氣流流速為0，動壓全部轉(zhuǎn)化為靜壓，故靜壓值最大。最小靜壓值為-712.0Pa，發(fā)生于車頭迎風(fēng)面邊緣倒圓角位置，此處因邊界的擾動不斷形成高速渦流，靜壓轉(zhuǎn)化為動壓，因而局部靜壓最小。

如圖5所示，車頭迎風(fēng)面、車頂空調(diào)與電池包的前緣以及輪胎罩前后緣等位置位于正壓區(qū)（圖5中黑色區(qū)域）；其余均處于負(fù)壓區(qū)，靜壓小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖6是流場中央對稱面及車身表面的靜壓分布圖；圖7是流場中央對稱面上的正壓區(qū)分布圖，其中白色區(qū)域代表正壓區(qū)。在車頭迎風(fēng)面前方以及車尾部后方的大部分區(qū)域內(nèi)空氣靜壓大于0；另在車頂面的安全頂窗、空調(diào)和電池包彼此之間的夾縫內(nèi)空氣靜壓也大于0，在這些位置的空氣流速非常低，動壓轉(zhuǎn)化為靜壓。在其他位置處空氣流速較高，由靜壓轉(zhuǎn)化為動壓，故空氣靜壓小于0。

圖8是中央對稱面及車身表面的總壓分布圖。除車頭迎風(fēng)面以外的其他車身表面處的空氣總壓都較小，表明這些位置存在較多的粘性耗散，氣流的機械能轉(zhuǎn)化成為熱能，能量損失較大；尤其是車頭迎風(fēng)面邊緣倒圓角位置，此處氣流能量損失最大。

2.2 速度分布

圖9為中央對稱面上的氣流速度分布云圖；圖10為中央對稱面的速度矢量分析圖。圖9中車頭面前部空氣流速較低，在車身尾部后側(cè)可見很長一段低速渦流區(qū)域。

圖11為車頭迎風(fēng)面存在滯點（空氣流速為0），在車頭迎風(fēng)面邊緣圓角位置處則出現(xiàn)局部高速流動。在圖12中，車頂面的安全頂窗、空調(diào)和電池包之間的夾縫內(nèi)存在流動分離和低速渦流，渦流的產(chǎn)生意味著能量的耗散[6]。

在車身尾部后側(cè)存在著兩個相互疊加的渦旋流動區(qū)：一是繞水平軸y軸旋轉(zhuǎn)的一對不對稱的反向馬蹄形渦（如圖13所示）；二是對稱于中央對稱面的一對反向渦旋（如圖14所示）。它們的相互作用共同構(gòu)成客車車身獨特的尾渦結(jié)構(gòu)。

2.3 湍流動能分布

流場內(nèi)存在流動分離和渦旋的地方必然會形成湍流。湍流可看作是由各種不同尺度的渦所組成。在車頂面的狹縫處和車身尾部后側(cè)存在氣流分離和低速渦流，可見較小的湍流動能分布，在車頭迎風(fēng)面的邊緣倒圓角位置附近形成高速渦流，此處出現(xiàn)最大的湍流動能如圖15所示。在車輪處，氣流通過面積突然變小，也出現(xiàn)流動分離和渦流，表現(xiàn)出較多的湍流動能分布，如圖16所示。

2.4 流線分布

如圖17所示，在車身頂面夾縫處及車尾部后側(cè)的流線出現(xiàn)較大彎曲，且速度較小，體現(xiàn)了這些位置渦流的存在，能量損失較大。

在圖18中，由于車輪的阻擋也發(fā)生較大彎曲，經(jīng)過車底面的流線出現(xiàn)了紊流，且從車底經(jīng)過的流線沿著離去角方向可一直爬升至后窗玻璃處，從而易導(dǎo)致地面泥塵上揚。

2.5 氣動阻力及阻力系數(shù)

在空氣動力學(xué)中，風(fēng)阻系數(shù)定義為CD=D/q/A，其中D為氣動阻力；q為氣流動壓；A為車身的正面投影面積。如表1所示，計算得到車身氣動阻力系數(shù)值為0.572。

表1 車速60km/h工況下的阻力及阻力系數(shù)

公共客車類車身的氣動阻力系數(shù)區(qū)間為0.50～0.80。本文計算得到的阻力系數(shù)位于該區(qū)間偏下段，可能與車身的簡化有關(guān)，此處的車身幾何模型省略了后視鏡且簡化了底盤及輪胎等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

車身的氣動阻力主要由壓差阻力和粘性阻力兩部分組成[7]。由表1可知，壓差阻力占?xì)鈩幼枇Φ闹饕糠?。車身的壓差阻力主要由車頭迎風(fēng)面和車尾面的靜壓差所引起，因此，降低車身的氣動阻力系數(shù)主要從降低車頭和車尾面的壓差著手。主要措施有：減小車頭迎風(fēng)面的迎風(fēng)面積；減小車身尾部所形成的湍流的強度；減少車身表面的高壓區(qū)面積；減少導(dǎo)致氣流分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本文所研究的客車車身，在位于車頂面的安全頂窗表面以及空調(diào)與電池包之間的縫隙處出現(xiàn)流動分離和渦旋流動，導(dǎo)致能量損失較大。針對該問題可進行相關(guān)的結(jié)構(gòu)改進，譬如將安全頂窗前方迎風(fēng)面進行圓滑過渡處理；對安全頂窗、空調(diào)、電池包等結(jié)構(gòu)之間的縫隙進行填充等。通過減小這些位置的氣流分離和渦流產(chǎn)生，從而達(dá)到降低能量損失、減小車身阻力的目的。

3 結(jié)束語

本文采用CFD方法對電動客車外流場進行了計算，得到了車身表面的壓力分布以及氣流的速度場分布，并獲得了車身的氣動阻力系數(shù)。CFD方法在車身設(shè)計初期可發(fā)揮重要作用，通過數(shù)值模擬可迅速有效地對設(shè)計方案進行評估，極大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

[1]劉君，王振國，吳桂馥.類客車體繞流場的數(shù)值模擬[J].長沙交通學(xué)院學(xué)報，2000，（2）

[2]傅立敏.汽車設(shè)計與空氣動力學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[3]曲震，薛澄岐，韓飛聽.基于CFD方法的轎車車身外圍流場分析[J].電子機械工程，2009，（1）

[4]傅立敏，沈俊，王靖宇.汽車流場及尾部渦系數(shù)值模擬[J].吉林工業(yè)大學(xué)：自然科學(xué)學(xué)報，2000，（4）

[5]張英朝.汽車空氣動力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京:北京大學(xué)出版社，2011.

[6]朱炳哲.客車車身外流場的數(shù)值模擬計算[D].大連:大連理工大學(xué)，2002.

[7]蔣光福.牽引車外流空氣動力學(xué)性能CFD分析 [J].汽車科技，2008，（1）