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利用CFD分析对商用客车模型进行修正以克服空气阻力效应
摘要
在印度，长途巴士通常用于400公里至600公里的长途旅行。沃尔沃B11R公共汽车因其舒适的乘坐和豪华的感觉而被私人以及州政府的参与者广泛使用。 没有发动机是100％经济的，因此很少有其他参数会影响燃油消耗，其中之一是取决于外部车身的空气阻力。在不影响总线主体B11R的结构完整性的前提下，通过更改符合总线主体代码AIS-52的设计来进行更改。
CATIA V5 R19用于车身模型，而ANSYS-Fluent用于CFD分析。将现有的车身CFD分析与改进的车身设计进行比较，得出不同速度在80 kmph至120 kmph范围内变化的原因，因为在这些速度范围内容易产生空气动力效应。比较了两个模型的阻力系数，并分析了车身的未来设计。
关键字：经济；气动阻力AIS 52；Catia V5 R19；ANSYS-Fluent
- 简介
运输是这个现代时代的关键角色。公交车是公路运输的一种方式。公共汽车虽然载客很多，但消耗的燃油更多。它减少了交通拥堵，但空气污染仍然是公共汽车运输的问题。最近，公共汽车都采用了具有高科技技术的先进发动机，因此可以大大减少燃油消耗，但是当车辆高速行驶时仍然会遇到困难。 例如高速行驶时会消耗更多的燃料。
图1 各种发动机损失[11]
在低速时，没有太多考虑阻力。 由于不影响燃油消耗，而是在高速行驶时，大气在车体上产生压力，而公交车则试图在车身上剪切空气。因此，滚动阻力会自动增加，为避免阻力，发动机需要更大的动力。自动燃油消耗高。正面区域是最集中的区域，流线流有助于减少阻力。 最近几十年来，在减少阻力的领域中，车身没有太大变化。
在印度，沃尔沃B11R是长途旅行的客车，由于其舒适性和安全性，在私人运输车和州政府运输车中更受欢迎。公共汽车是发动机和车辆系统领域最先进技术的示例。发动机以最低油耗进行了优化。车辆仍然滞留在空气阻力区域。 原因是身体部位形状和曲线的缺陷。考虑到车身代码AIS-52，对车身进行了一些修改，该代码是一组针对车身的管理规则和规章。
在考虑印度认证标准的前提下，在不影响结构完整性的情况下，对车身进行了更改。阻力是与公共汽车相对于周围空气的相对运动相反的力。空气阻力是由于抵抗流体在车身上流动而产生的力。该阻力随速度而变化。高速会发现更多阻力，因此对公共汽车的高速范围（即从80 kmph到120kmph以10kmph的间隔进行）进行了分析。滚动阻力也随着速度的增加而增加。
2.文献调查
A.Muthuvel和M.K. Murthi提出了关于公共汽车的空气动力学外部车身设计的论文，该研究对城市间公共汽车进行了研究，结果表明，城市间公共汽车的空气动力学形状越少，发生的公共汽车的燃料消耗就越大。与现有的客车模型相比，各种设计变化，例如后部的侧锥度，前扰流板和流线型的车身以及后部的锥度。 与现有车身相比，可观察到约20％的阻力减少。 另外，他们的模型可以节省大约1至4升燃油[1]。
J Abinesh和J Arunkumar解释了外观造型和空气动力学高效的设计，以减少发动机负荷，从而减少了油耗。他们专注于VOLVO城际客车后视镜，AC位置，正面，发现气动阻力降低了10％。使用CFD ANSYS软件找出阻力，并在数学上计算出阻力系数[2]。
Sachin Throat 和G Amba Prasad Rao在城际巴士上进行了研究。CFD代码用于研究和评估空气动力学性能。公共汽车车身上的设计发生变化的地方位于较低的楼层，弯曲至正面边缘。内饰经过修改，以使乘客在公共汽车上找到奢侈的时光。此外，他们还遵循了车身代码AIS-52，以对车身设计进行法律更改。与传统的地板底盘相比，降低了30％的阻力，从而降低了地板底盘，并提高了舒适度，从而获得了改进的设计和美观性[3]。
S. N. Shridhara，Arun Raveendran D Rakesh改善了舒适性，并采用符合车身设计的车身代码AIS-52改变了车身设计。鲸鱼形状的面部设计，正面弯曲，车顶逐渐变细，车顶末端降低，侧板逐渐变细和船尾等，导致了0.296的阻力系数，在100 km/hr的公车速度下，现有车身阻力降低至44％。用于分析的求解器为FLUENT。用于分析的总线是VOLVO B7R LE [4] 。
Firoz Alam H Chowdhury，H Moria，S Watkins，车顶附加组件导致稳定性问题，并且空气阻力增加。他们进行了风洞测试，通过在车顶上增加车顶架，滑雪板，冲浪板，天窗，轮船和自行车等对车顶进行相应的改装。所有测试均在60 km/hr至100km/hr的风速范围内进行。在三个偏航角下设置0、100、200偏航角以模拟侧风效果。天线导致空气阻力的最小增加。结果，空气阻力增加了更多的燃料消耗，并得出结论:增加5到30％的空气阻力也取决于偏航角[5]。
Vignesh T. Shekar，Ayyapan Thuraimoni，Shreedhar Reddy解释了对产生阻力同样很重要的公交车侧面区域，因此，准备了以下几类公交车模型，分别为8 m带有压制面板和直玻璃的公交车，8 m带有弯曲玻璃和侧面的带有空气圆顶面板的城市公交车，带弯曲玻璃的11m市区公交车和12m类似面板的公交车。考虑使用Ashok Leyland公共汽车进行12m的分析。使用ANSYS CFX软件进行CFD流量模拟。用于CFX PRE 14.5，CFX V14.5和CFX Post v14.5的各种模块用于预处理，求解和后处理速度为40km/hr的气流模拟以及60公里/小时的模拟并显示出流型并产生阻力。同样，考虑100km/hr的城市公交车和120km/hr的速度，进行了仿真并发现了阻力。以120 km/hr的速度获得的阻力系数，在12m总线上为0.311[6] 。
理查德·伍德（Richard Wood）在其研究论文中介绍了流体动力阻力和气动阻力的作用以及与燃料消耗中的能源使用的关系。大约16％的总能量用于克服运输系统中的空气阻力，而现有的空气阻力技术正在帮助减少200亿美元的能源成本。在运输车辆的总阻力中，存在40％的皮肤摩擦和60％的压力阻力。如果减少50％的阻力，则总共可节省5.6。对于这种各种技术，包括钝基分离流表面成形减阻技术，涡流分离流表面成形减阻技术，旋转气缸表面运动减阻技术，气动吹送物料附加减阻技术，无孔表面渗透率减阻技术，涡流发电机流场激励减阻技术，涡流流场激励减阻技术[7]。
N.GovindhaRasu，A M Renil和S.J. Sunil使用6种模型进行CFD仿真。一种来自研究论文，第二种来自CaioIndusscar Apache，一种城际公交车模型，例如在泰米尔纳德邦运行的SETC公交车模型，以及沃尔沃B9R的第三种模型。 Ansys fluent软件用于CFD分析。气流模拟速度约为50 km/hr，75km/hr。和100公里/小时。沃尔沃模型在正面和背面进行了修改。对于100 km/hr的速度，Cd值分别为0.73、0.61和0.62，在模型修改后，Cd值分别为0.53、0.57和0.49。最后一个模型在后端有更多流线型的面板和面板[8]。
3.产品调查
总线模型很多，但是考虑使用最长的总线模型进行CFD分析。 即VOLVO 9400 14.5m车辆。因此，所考虑的尺寸是实际尺寸。 客车总体尺寸如下：
表1 总线尺寸[12]
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细节 |
尺寸（毫米） |
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轮距 |
7650 |
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轮迹 |
2100 |
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总线总长 |
14500 |
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巴士高度 |
3600 |
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前挂 |
2620 |
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后悬 |
2830 |
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母线宽度 |
2600 |
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后桥至后第二桥的长度 |
1400 |
图2 现有总线模型的侧视图
图3 沃尔沃9400 14.5 m客车模型的前视图和后视图
4.汽车行业标准（AIS）
表2 符合总线车身AIS代码的同源标准[13]
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局部细节 |
详细说明 |
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两个或更多舱口 |
间距为2 m。当在光圈的最近边缘之间以及与纵轴平行的线中测量时，纵轴面积约为4000 mm2 |
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整体内部高度 |
1900毫米 |
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镜子 |
摄影机 |
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车顶行李架 |
完全禁止。行李应放置在车辆中或在车辆中应有单独的空间或布置。 |
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车长 |
最大14500毫米 |
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巴士高度 |
2600毫米 |
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巴士宽度 |
3600毫米 |
汽车行业标准是根据中央汽车规则制定的，并由印度政府公路运输和公路部制定。AIS52是公共汽车车身设计和批准的实施规范。CIRT，ARAI是政府认可的机构，负责对车身和发动机相关认证进行认证。
AIS 52包含范围和定义，车身设计的要求，技术和安全要求，灯光和照明，电气设备和接线，测试方法和认可类型，有关总线的技术规格，车身结构和命名等信息仅与客车车身相关。
从项目角度来看，对于Type3 ACX和M3类别车辆，必须严格遵循以下约束。 机身的结构完整性不应受到影响，因为它符合AIS标准的翻滚测试。
5.模型开发
现有的公交车模型发现了许多压力阻力集中的区域，因此修改了该区域以减少压力阻力的产生。修改了公共汽车的后续区域，以有效减少阻力。
图4 修改后的总线模型的前视图 图5 修改后的总线模型的后视图
图6 修改后的公交车模型的侧视图
图7 修改后的总线模型的俯视图
i. 车头
它是主要关注的区域，因为大气中的静止空气首先与该区域接触。因此，它的有效性和影响力很高。停滞点在正面产生。因此，发现压力高。这是一种使车辆向前运动时最抵抗车辆的压力。随着速度增加，阻力增加，阻力增加其速度的平方。因此，为了减小阻力，要进行正面修改，以使停滞区域减小，并且来自正面的流动将变得平滑。
解决方案：这可以通过使曲面更弯曲来实现。另外，前挡风玻璃应具有更大的曲率半径，并且倾斜度应大于120。这样空气就可以轻松通过它。在保险杠上方制作一个格栅，这样，当空气通过插槽进入母线的底部时，该区域的压力阻力集中会减小。反向曲率作用于前侧下侧，因此空气可以轻松通过侧壁，停滞面积将减小。
ii.车身侧面
无论来自正面的气剪是什么，都会与侧壁接触并经过侧壁。从侧壁开始，气流是层流的，但是又有空气在后面通过，气流变成湍流增加了阻力。通过避免空气从侧壁即边界层分离，可以减少这种湍流。
解决方案：为了减少空气与侧壁的分离，应制作波纹图案。这种波纹图案有助于引导空气相应地通过，并且大大减少了空气与侧壁的分离。
iii.车尾
空气的负压，涡流是在后端与车身分离的空气。后侧没有通风孔或通气道，因此，车身上的气流通过并且产生涡流的负压区域。这种涡流避免了空气很容易从车辆后方通过。阻碍气流顺畅。
解决方案：应该有通风孔或通风口，以免产生涡流。因此，在侧壁底部形成了通风口。因此，空气将从墙壁的后侧转移到车辆的后侧。而且，在公交车的顶部创建了通风孔，因此空气可以传递到车辆的背面，并且不会产生顶点流。
iv.车身底面
在车身上的顺畅流动不会影响阻力。但是粗糙的车身边缘会影响阻力。因此，车头看起来既光滑又弯曲。锋利的边缘会影响空气流线。它扰乱了平稳的气流，并使气流不均匀且随机。
解决方案：为使身体下方的流动顺畅，需要遮盖身体下方的线，并仔细布线。还应遮盖身体下的所有流动和缝隙。因此使用金属薄板和覆盖电线的外壳。间隙由金属板填充。它将在身体下产生顺畅而流畅的流动。
v.车身顶部
车辆的车顶就像平板一样，流体在上面移动。因此，边界层理论被考虑用于分析。在板的中心之后，会生成边界层，边界层会发展出阻力和随机气流层。为了避免进行表面改性。边界层外部的流动对边界层边缘的形状产生反应，就像物体的物理表面一样。边界层可以升起或与身体分离，从而形成与物体的物理形状不同的有效形状。
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