0 前言
近年來(lái),隨著國(guó)內(nèi)高速鐵路相繼貫通,我國(guó)將擁有覆蓋國(guó)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(lái)的,是對(duì)公路運(yùn)輸行業(yè)的嚴(yán)峻考驗(yàn)。
高速鐵路相繼落成,動(dòng)車組不斷開(kāi)通,速度舒適度不斷提升;油價(jià)上漲,經(jīng)營(yíng)成本居高不下?蛙囆袠I(yè)面對(duì)著一個(gè)個(gè)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(dòng)力學(xué)原理,探索客車增加客車尾翼裝置,提高客車空氣動(dòng)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(jì)算模型建立
依據(jù)國(guó)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(jì)算客車外流場(chǎng),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(dòng)。研究表明SST K-W湍流模型在氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算方面比較精確,被廣泛應(yīng)用于車輛繞流問(wèn)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(dòng)量守恒方程:
湍流動(dòng)能方程:
湍流耗散方程:
式中:u為速度,μ為動(dòng)粘性系數(shù),μt為湍流動(dòng)粘性系數(shù),P,ρ分別為壓力、密度,k為湍流動(dòng)能。
1.2 幾何及計(jì)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(guò)NX和starcmm+軟件對(duì)模型進(jìn)行前處理,使其形成無(wú)縫隙的封閉表面。最后為了方便計(jì)算,選取一半模型。
圖2 客車對(duì)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(huì)發(fā)生比較激烈的運(yùn)動(dòng),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(dòng)地面,其移動(dòng)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(duì)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(duì)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(cè)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(shí)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(huì)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(shí)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(duì)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(jiàn)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(dòng),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(wú)尾翼的時(shí)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(guò)60km/h時(shí),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(lái)越大。
3 結(jié)論
1、本文通過(guò)SST K-W模型計(jì)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(huì)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(huì)讓尾渦的位置較無(wú)尾翼的時(shí)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(duì)客車空氣動(dòng)力性能的影響
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