0 前言
近年來，隨著國內高速鐵路相繼貫通，我國將擁有覆蓋國內幾乎所有經濟發達、人口密集、客運流量較大區域的“快速鐵路路網”。隨之而來的，是對公路運輸行業的嚴峻考驗。
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，經營成本居高不下。客車行業面對著一個個亟待解決的難題。
基于節能減排的目的，本文運用空氣動力學原理，探索客車增加客車尾翼裝置，提高客車空氣動力學性能，以達到改善客車燃油經濟性的目的。
1 CFD計算模型建立
依據國家法規，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計算方面比較精確，被廣泛應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，μt為湍流動粘性系數，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 客車對稱面體網格
采用了STAR-CCM+的切面體網格模型(Trimer)生成體網格，在車頭和車尾拐角區域、空調、天窗及尾翼處，氣流會發生比較激烈的運動，都進行體網格加密，如圖2所示。
1.3 邊界條件
設定模型入口的風速為100km/h；出口為壓力出口邊界；地板設為移動地面，其移動速度和方向同速度入口邊界條件；其他設為壁面邊界。
2 結果分析
2.1 風阻系數模擬結果與試驗值值對比
表1 客車裝置擾流板的阻力系數變化
表1為客車擾流板裝置后，風洞試驗的△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變化差值。從表1可以看出CFD預測的阻力系數變化與風洞試驗的結果是基本一致。同時也可以看出，采用擾流板1可降低客車的阻力系數，而擾流板2和3會增加客車的阻力系數。
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使得頂蓋邊緣的負壓區域減少；擾流板2和擾流3的迎風區域出現正壓，同時在擾流板與頂蓋的相接處也出現不同范圍的正壓區，這對提高客車操穩性是有幫助的。
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域比較大（見紅色圈），采用了擾流板1后尾渦區域明顯減少了，這是由于尾翼處于車身尾跡區內，誘導尾部分離氣流向下，使分離渦向下移動，分離區變小，降低整車阻力系數；裝置擾流板2和3后，尾部有分離渦卷起，其產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，導致整車阻力系數上升。
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。當車速超過60km/h時，阻力系數下降7.1%以上。這是因為隨著車速的增加，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，結果與試驗值基本吻合。
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能夠誘導尾部分離氣流向下，分離區變小，降低整車阻力系數；擾流板2和3會讓尾渦的位置較無尾翼的時候更高一些，導致整車阻力系數上升。
4、擾流板1的降阻效果隨著車速的增加而增加。
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本文標題：研究擾流板對客車空氣動力性能的影響
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