0 前言

    近年來，隨著國內(nèi)高速鐵路相繼貫通，我國將擁有覆蓋國內(nèi)幾乎所有經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集、客運(yùn)流量較大區(qū)域的“快速鐵路路網(wǎng)”。隨之而來的，是對公路運(yùn)輸行業(yè)的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

    高速鐵路相繼落成，動車組不斷開通，速度舒適度不斷提升；油價上漲，經(jīng)營成本居高不下�？蛙囆袠I(yè)面對著一個個亟待解決的難題。

    基于節(jié)能減排的目的，本文運(yùn)用空氣動力學(xué)原理，探索客車增加客車尾翼裝置，提高客車空氣動力學(xué)性能，以達(dá)到改善客車燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。

1 CFD計算模型建立

    依據(jù)國家法規(guī)，客車在高速公路上的均速一般低于120km/h。因此在計算客車外流場，可以直接認(rèn)為客車周圍空氣為三維、定常、等溫、不可壓、粘性、湍流流動。研究表明SST K-W湍流模型在氣動參數(shù)計算方面比較精確，被廣泛應(yīng)用于車輛繞流問題中，本文即選用該湍流模型。

    1.1 控制方程

    其控制方程為雷諾平均N-S方程。

    質(zhì)量守恒方程：

    動量守恒方程：

    湍流動能方程：

    湍流耗散方程：

    式中：u為速度，μ為動粘性系數(shù)，μ_t為湍流動粘性系數(shù)，P，ρ分別為壓力、密度，k為湍流動能。

    1.2 幾何及計算模型

圖1 客車裝置擾流板前后幾何模型

    圖1所示為客車裝置擾流板前后的幾何模型，外覆蓋件主要包括后視鏡、天窗及空調(diào)和擾流板1置于后圍、擾流板2置于頂蓋邊緣及擾流板3置于頂蓋與后圍交接處。通過NX和starcmm+軟件對模型進(jìn)行前處理，使其形成無縫隙的封閉表面。最后為了方便計算，選取一半模型。

圖2 客車對稱面體網(wǎng)格

    采用了STAR-CCM+的切面體網(wǎng)格模型(Trimer)生成體網(wǎng)格，在車頭和車尾拐角區(qū)域、空調(diào)、天窗及尾翼處，氣流會發(fā)生比較激烈的運(yùn)動，都進(jìn)行體網(wǎng)格加密，如圖2所示。

    1.3 邊界條件

    設(shè)定模型入口的風(fēng)速為100km/h；出口為壓力出口邊界；地板設(shè)為移動地面，其移動速度和方向同速度入口邊界條件；其他設(shè)為壁面邊界。

2 結(jié)果分析

    2.1 風(fēng)阻系數(shù)模擬結(jié)果與試驗(yàn)值值對比

表1 客車裝置擾流板的阻力系數(shù)變化

    表1為客車擾流板裝置后，風(fēng)洞試驗(yàn)的△Cd和CFD模擬的△Cd對比，其中△Cd為客車擾流板裝置前后阻力系數(shù)變化差值。從表1可以看出CFD預(yù)測的阻力系數(shù)變化與風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果是基本一致。同時也可以看出，采用擾流板1可降低客車的阻力系數(shù)，而擾流板2和3會增加客車的阻力系數(shù)。

    2.2 客車裝置擾流板前后的壓力分布

圖3 客車裝置擾流板前后尾部壓力分布

    從圖3可以看出，擾流板的安裝位置影響著車身尾部的壓力分布：擾流板1使得頂蓋邊緣的負(fù)壓區(qū)域減少；擾流板2和擾流3的迎風(fēng)區(qū)域出現(xiàn)正壓，同時在擾流板與頂蓋的相接處也出現(xiàn)不同范圍的正壓區(qū)，這對提高客車操穩(wěn)性是有幫助的。

    2.3 客車裝置擾流板前后的尾部空氣特性分析

圖4 客車裝置擾流板前后尾部速度分布

    從圖4可以看出，未加擾流板之前車身尾部后面尾渦區(qū)域比較大（見紅色圈），采用了擾流板1后尾渦區(qū)域明顯減少了，這是由于尾翼處于車身尾跡區(qū)內(nèi)，誘導(dǎo)尾部分離氣流向下，使分離渦向下移動，分離區(qū)變小，降低整車阻力系數(shù)；裝置擾流板2和3后，尾部有分離渦卷起，其產(chǎn)生并不是由于車尾部棱線，而是由于尾翼干擾，渦的位置較無尾翼的時候更高一些，導(dǎo)致整車阻力系數(shù)上升。

    2.4 不同車速下擾流板1降阻效果

圖5 不同車速下，客車裝置擾流板1△Cd變化

    由圖5可知隨著車速增加，擾流板1的降阻效果越好。當(dāng)車速超過60km/h時，阻力系數(shù)下降7.1%以上。這是因?yàn)殡S著車速的增加，客車裝置擾流板與不裝置擾流板所需功率的差距越來越大。

3 結(jié)論

    1、本文通過SST K-W模型計算客車擾流板裝置前后的阻力系數(shù)，結(jié)果與試驗(yàn)值基本吻合。

    2、擾流板在客車尾部的安裝位置，會影響車身尾部的壓力分布。

    3、擾流板1能夠誘導(dǎo)尾部分離氣流向下，分離區(qū)變小，降低整車阻力系數(shù)；擾流板2和3會讓尾渦的位置較無尾翼的時候更高一些，導(dǎo)致整車阻力系數(shù)上升。

    4、擾流板1的降阻效果隨著車速的增加而增加。

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本文標(biāo)題：研究擾流板對客車空氣動力性能的影響

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