0 前言
近年来，随着国内高速铁路相继贯通，我国将拥有覆盖国内几乎所有经济发达、人口密集、客运流量较大区域的“快速铁路路网”。随之而来的，是对公路运输行业的严峻考验。
高速铁路相继落成，动车组不断开通，速度舒适度不断提升；油价上涨，经营成本居高不下。客车行业面对着一个个亟待解决的难题。
基于节能减排的目的，本文运用空气动力学原理，探索客车增加客车尾翼装置，提高客车空气动力学性能，以达到改善客车燃油经济性的目的。
1 CFD计算模型建立
依据国家法规，客车在高速公路上的均速一般低于120km/h。因此在计算客车外流场，可以直接认为客车周围空气为三维、定常、等温、不可压、粘性、湍流流动。研究表明SST K-W湍流模型在气动参数计算方面比较精确，被广泛应用于车辆绕流问题中，本文即选用该湍流模型。
1.1 控制方程
其控制方程为雷诺平均N-S方程。
质量守恒方程：
动量守恒方程：
湍流动能方程：
湍流耗散方程：
式中：u为速度，μ为动粘性系数，μt为湍流动粘性系数，P，ρ分别为压力、密度，k为湍流动能。
1.2 几何及计算模型
图1 客车装置扰流板前后几何模型
图1所示为客车装置扰流板前后的几何模型，外覆盖件主要包括后视镜、天窗及空调和扰流板1置于后围、扰流板2置于顶盖边缘及扰流板3置于顶盖与后围交接处。通过NX和starcmm+软件对模型进行前处理，使其形成无缝隙的封闭表面。最后为了方便计算，选取一半模型。
图2 客车对称面体网格
采用了STAR-CCM+的切面体网格模型(Trimer)生成体网格，在车头和车尾拐角区域、空调、天窗及尾翼处，气流会发生比较激烈的运动，都进行体网格加密，如图2所示。
1.3 边界条件
设定模型入口的风速为100km/h；出口为压力出口边界；地板设为移动地面，其移动速度和方向同速度入口边界条件；其他设为壁面边界。
2 结果分析
2.1 风阻系数模拟结果与试验值值对比
表1 客车装置扰流板的阻力系数变化
表1为客车扰流板装置后，风洞试验的△Cd和CFD模拟的△Cd对比，其中△Cd为客车扰流板装置前后阻力系数变化差值。从表1可以看出CFD预测的阻力系数变化与风洞试验的结果是基本一致。同时也可以看出，采用扰流板1可降低客车的阻力系数，而扰流板2和3会增加客车的阻力系数。
2.2 客车装置扰流板前后的压力分布
图3 客车装置扰流板前后尾部压力分布
从图3可以看出，扰流板的安装位置影响着车身尾部的压力分布：扰流板1使得顶盖边缘的负压区域减少；扰流板2和扰流3的迎风区域出现正压，同时在扰流板与顶盖的相接处也出现不同范围的正压区，这对提高客车操稳性是有帮助的。
2.3 客车装置扰流板前后的尾部空气特性分析
图4 客车装置扰流板前后尾部速度分布
从图4可以看出，未加扰流板之前车身尾部后面尾涡区域比较大（见红色圈），采用了扰流板1后尾涡区域明显减少了，这是由于尾翼处于车身尾迹区内，诱导尾部分离气流向下，使分离涡向下移动，分离区变小，降低整车阻力系数；装置扰流板2和3后，尾部有分离涡卷起，其产生并不是由于车尾部棱线，而是由于尾翼干扰，涡的位置较无尾翼的时候更高一些，导致整车阻力系数上升。
2.4 不同车速下扰流板1降阻效果
图5 不同车速下，客车装置扰流板1△Cd变化
由图5可知随着车速增加，扰流板1的降阻效果越好。当车速超过60km/h时，阻力系数下降7.1%以上。这是因为随着车速的增加，客车装置扰流板与不装置扰流板所需功率的差距越来越大。
3 结论
1、本文通过SST K-W模型计算客车扰流板装置前后的阻力系数，结果与试验值基本吻合。
2、扰流板在客车尾部的安装位置，会影响车身尾部的压力分布。
3、扰流板1能够诱导尾部分离气流向下，分离区变小，降低整车阻力系数；扰流板2和3会让尾涡的位置较无尾翼的时候更高一些，导致整车阻力系数上升。
4、扰流板1的降阻效果随着车速的增加而增加。
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本文标题：研究扰流板对客车空气动力性能的影响
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