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客车模型气动特性及减阻计算研究
Eyad Amen Mohamed*, Muhammad Naeem Radhwi, Ahmed Farouk Abdel Gawad
Mech. Eng. Dept., College of Eng. amp; Islamic Archit., Umm Al-Qura Univ., Makkah, Saudi Arabia
邮件地址:
eytworld@gmail.com (E. A. Mohamed), mnradhwi@uqu.edu.sa (M. N. Radhwi), afaroukg@yahoo.com (A. F. A. Gawad)
摘要: 众所周知，客车是大众交通的一个重要组成部分，客车有很多种类型。目前，客车比其他交通工具更便宜、更方便使用。然而，客车也有一些缺点，如发动机排气造成的空气污染。本研究旨在通过降低空气动力阻力来减少客车的气体排放。为了实现这一目标，人们运用了一些想法，包括对客车外部形状的轻微修改。因此，调查了6个不同的案例。为了进行这项研究，开发了一个计算模型。研究发现，空气阻力可以降低14%，相当于燃油消耗减少8.4%。同时，利用神经模糊技术对不同案例下的客车气动阻力进行了预测。
关键词:计算研究、气动特性、减阻、客车模型
- 引言
1.1研究背景
当今，能源浪费和环境污染是所有科学学科，特别是工程学科所关注的主要问题之一。有许多研究人员研究了重型车辆周围的空气动力学行为，并试图控制其有害排放。因此，他们考虑了如何通过修改车辆的形状和重量来找到改善车辆性能的更好方法。
客车是一种消耗大量燃料的重型车辆。它们是设计用于在不同应用中载客的道路车辆。客车的载客量可达300人。最常见的客车类型是单层刚性客车。较大的负载由双层巴士和铰接式巴士承载。较小的负载由中型巴士和小型巴士承载。长途汽车用于长途服务。
随着同样的设计在世界各地出现，客车制造业日益全球化。巴士可用于定期巴士运输、定期巴士运输、学校运输、私人租用、旅游等。宣传巴士可用于政治活动，其他巴士则可私人经营，用途广泛。
从历史上看，19世纪20年代开始使用马车，19世纪30年代使用蒸汽巴士，1882年使用电动无轨电车。1895年，第一辆内燃机客车投入使用。最近，人们对混合动力公交车、燃料电池公交车、电动公交车以及由压缩天然气或生物柴油驱动的公交车越来越感兴趣。
1.2 研究历史
一般来说，与其他重型车辆（如卡车）相比，考虑客车空气动力学的调查存在一定的不足。
纽兰[1]旨在根据文献中发现的客车燃油消耗量与各种客车运行特性，特别是可变乘客负荷之间的关系，开发公交客车燃油消耗函数。
Roy和Srinivasan[2]研究了卡车和其他高边车辆的空气动力学，这些车辆对减少风荷载引起的道路事故和提高燃油经济性具有重要意义。它们集中在由车外后视镜引起的相关阻力上。他们说，修改卡车的几何结构可以减少阻力，提高燃油经济性。
Diebler and Smoth[3]实验性地开发了一种地面研究飞行器（GRV），用于研究亚音速下大型飞行器的基本阻力。他们主要研究卡车、客车、房车、载入飞行器和其他大型飞行器的基本阻力。他们给出了一个新的基础阻力模型的建立和通过操纵前体阻力降低总阻力的方法的研究的初步结果。
Yamin[4]采用计算流体动力学（CFD）技术对客车外部流动进行了模拟分析。结果表明，稳态CFD模拟可以促进客车的气动发展。
Abdel Gawad和Abdel Aziz[5]通过实验和数值方法研究了隧道中客车前部形状对客车后部流场和传热特性的影响。他们的研究涵盖了三个具有平面、倾斜和弯曲的车头形状的客车模型。他们发现客车的前部形状会影响其在行车隧道中的空气动力稳定性。此外，他们还指出，倾斜和弯曲前部车辆的冷却效果比平前部客车的冷却效果好20%左右。
Franccedil;ois等人[6]对主要用于横风的双层客车的空气动力学特性和响应进行了实验研究。他们测量了客车正面和侧面的压力分布，以及与重心位置相关的阻力和侧向力。
Yelmule和Kale[7]对开窗客车的空气动力学进行了实验和数值研究，开窗客车因运动产生的气流提供了舒适性。他们表示，通过修改客车外部车身，在100 km/h的速度下，可以达到约30%的总减阻。
Mohamed Kassim和Filippone[8]分析了重型车辆减阻装置的节能潜力。他们通过模拟长途和城市分布的典型驾驶路线，以及车辆重量的变化，认为道路上的操作是现实的。他们的研究结果表明，这些空气动力装置的性能取决于它们的功能和车辆的运行方式，因此在长途路线上行驶的车辆通常比在城市地区行驶的车辆节省两倍的燃油。
Patil [9]对一辆常规客车进行了气动流动模拟，以证明通过减少阻力提高客车周围气动特性的性能的可能性，从而提高燃油消耗。他们优化了一种传统的客车模型，并试图通过在后部增加扰流器和面板以及前面的修改来减少阻力。他们的研究结果表明，在不改变内部乘客空间和投资最少的案例下，可以减少阻力。
此外，许多作者[10]和[11]也讨论了燃油消耗问题。
1.3 研究现状
本文研究的重点是客车的气动特性，特别是直接影响燃油消耗的阻力，无论是形式还是摩擦。利用软件ANSYS-Fluent 13建立了客车气动性能预测的计算模型。
建议对客车外部车身和/或表面进行修改，以减小空气阻力。作者仔细考虑了所提出的修改方案不会影响客车的安全和运行。此外，修改不会改变客车的主体/结构。实际上，修改可以用相当低的成本和相当的技术技能来应用。
对不同雷诺数进行了计算。
2.控制方程和湍流模型
2.1 控制方程
控制模型周围流体流动的方程是时间平均连续性方程和动量方程，对于稳定的、不可压缩的流动，分别由下式给出：
在上式中，ui是平均速度矢量，分量u、v和w分别位于x、y和z方向，p是静压，rho;是流体密度，即流体运动粘度。重复指数意味着求和。湍流模型包括使用输运方程计算单个雷诺应力（ui，uj）。然后使用单个雷诺应力来获得雷诺平均动量方程的解（等式2）。
2.2湍流模型 (可实现k- ɛ 湍流模型)
本研究采用可实现的k- ɛ湍流模型。可实现k- ɛ模型与标准k- ɛ模型有两个重要区别：
* 可实现的k- ɛ模型包含湍流粘度的替代公式。
* 从均方涡度涨落的精确输运方程出发，导出了耗散率的修正输运方程。
关于可实现k- ɛ湍流模型的更多细节，可参考[12]。
2.3阻力计算
结果集中在阻力系数上，即压力（形式）、摩擦力和总阻力系数。
2.3.1 压力（形式）阻力
压力阻力系数CDp由式3计算，如下所示：
然后，压力阻力的计算公式为
Dp = CDp 0.5 ✕ q ✕ Uoelig; ✕ AF （4）
式中，Dp是由压力引起的阻力，AF是总线的正面（投影）面积=H W，是流量密度，U是总线速度，P 是总线前后表面之间的压差。
2.3.2.摩擦阻力
使用以下公式计算客车两侧表面和车顶的摩擦力：
式中，CDfnof; 为摩擦阻力系数，ARS为屋顶和侧面面积之和=AR AS，AR为屋顶面积=L times; W，AS为侧面=2 times; L times; H。
一般案例下，实际操作雷诺数（Re=Uinfin; L/v）大于所有试验案例下的临界雷诺数（对于平坦表面，Recr = 5times;105），这意味着流动是湍流的。因此，摩擦阻力系数计算为[13]：
式中，L为总线长度，为流动运动粘度。
2.3.3总阻力
总阻力DT的值计算如下：
然后，总阻力系数CDT计算为：
3.原始模型和修改模型
原始模型代表了梅赛德斯-奔驰生产的一辆实际客车，类型：CoachTravego M[14]，图1。
图1。客车侧视图[14]
该模型可作为本研究的比较参考。客车总长13m，宽度2.55m，高度3.1567m，如图1所示。油箱容量约为475升。
对原模型提出了一些修改意见。每次修改都会产生一个新的模型。每个新模型都有一个特定的名称用于分类。表1显示了不同型号的名称和形状
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No. |
Name View |
|
1 |
Original |
|
2 |
MCOBS1 |
|
3 |
MCOBS2 |
|
4 |
MCOBS3 |
|
5 |
MCOBS4 |
|
6 |
MCOBS5 |
|
7 |
MCOBS6 |
表1。不同型号模型的名称和形状。
表1中出现的名称和形状可以解释为：
原版：它是没有修改的总线的实际形状。
mcobs1：在总线的后部添加了一个弯曲设备，将气流直接引导到总线后面。它有两个支架。
mcobs2：类似于mcobs1，关闭弯曲装置的左右两端，以确保所有空气都向下引导，无侧边泄漏。
MCOBS3：总线与MCOBS2的设备相同。此外，在公交车两侧增加两个小管道(450050300mm) ，以将相对高压的空气输送到公交车后面的低压区。
MCobs4：客车两侧只增加了两个小管道。没有弯曲装置。
mcobs5：总线配有类似mcobs1的弯曲装置。客车的前表面经过修改，以获得合适的曲率。
mcobs6：类似于mcobs5，但后表面也有。
- 相关计算
4.1测试速度
所有案例下，计算主要以100 km/h（27.22 m/s）进行。然而，为了评估客车速度对空气动力学特性和阻力的影响，对其他三个速度值进行了检查，以确定McObs5的案例。表2显示了四个速度值和相应的雷诺数值。
|
NO. |
Speed (Km/h) |
Speed (m/s) |
Reynolds number |
|
1 |
70 |
19.44 |
16.73 106 |
|
2 |
100 |
27.22 |
23.9 106 |
|
3 |
120 |
33.33 |
28.68 106 |
|
4 |
150 |
41.66 |
35.85 106 |
表2。不同型号模型的测试速度。
4.2计算域和边界条件
如图2所示，计算域是一个包含总线的矩形。选择区域的尺寸以确保客车周围气流的自由变化。
该区域的边界条件可以列为：（i）进口面速度均匀。（ii）出口表面的零压力梯度。（i i i）地面的固体状态，即公交车下方的表面。（iv）域的两个侧面和顶面的对称条件。
图2。计算域和边界条件。
4.3计算网格
采用非结构化网格对计算域进行离散化。这种类型的
资料编号：[4905]
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