摘 要

本论文主要设计了一款以燃料电池为动力的双层敞篷式观光客车，利用全新的设计语言，塑造了其外部造型，在增加载客量的同时尽量降低了行驶时的空气阻力、减少尾气排放污染。本文在对观光巴士的市场调研中获得了设计思路，基于理论计算、参数选配、整车布置的同时，利用计算流体力学软件STAR CCM ，着重对燃料电池客车外形进行了空气动力学特性的分析，并通过相关参数对其气动特性进行优化，在造型和燃料电池客车气动特性方面得到了一个较好的平衡；本文同样测试了市面上同等类型车辆的气动特性，并将其造型、气动特性、整车总布等作为设计基准，并将新设计的模型与之对比，在造型革新的情况下降低了客车的气动阻力系数，对燃料电池双层巴士的设计提供了较好的例子。

关键词：燃料电池；观光巴士；双层客车；气动特性

Abstract

This paper mainly designed a double-layer convertible sightseeing bus powered by a fuel cell, redesigned the exterior model, reduced the air resistance during driving, reduced the emission pollution, and increased passenger load. the amount. This article obtained the design idea in the market research of the sightseeing bus. Based on the theoretical calculation, parameter matching and vehicle layout, the computational fluid dynamics software STAR CCM was used to analyze the aerodynamic characteristics of the fuel cell bus. The optimization of its aerodynamic characteristics through relevant parameters has achieved a good balance between the modeling and the aerodynamic characteristics of the fuel cell bus; this article also tested the aerodynamic characteristics of the prototype vehicle, and its shape, aerodynamic characteristics, total vehicle total Fabrics, etc., are used as design benchmarks, and the newly designed models are compared with them. In the case of modeling innovation, the aerodynamic drag coefficient of passenger cars is reduced, which provides a good example for the design of fuel cell double-decker buses.

Key Words：Fuel Cell; Sightseeing Bus; double deck coach; Aerodynamic Characteristics.

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 I

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 双层客车国内外研究历史与现状 2

1.2.2 空气动力学特性国内外研究历史与现状 3

1.3 本文的主要研究内容 4

1.4 本章小结 5

第2章 客车气动特性及数值分析方法 6

2.1 客车气动力 6

2.1.1 客车气动六分力 6

2.1.2 气动阻力的构成 7

2.2 控制方程 9

2.3 数值分析计算方法及湍流模型 10

2.3.1 数值计算方法 10

2.3.2 湍流数值模拟方法 11

2.4 本章小结 12

第3章 客车车身的布置与造型 13

3.1 客车车身总布置 13

3.1.1 客车基础参数 13

3.1.2 动力参数计算 14

3.1.3 乘客舱布置 20

3.1.4 高压舱布置 23

3.1.5 客车上层布置 24

3.1.6 人机工程校核 25

3.2 建立客车车身模型 27

3.2.1 造型设计 27

3.2.2 建立侧围模型 30

3.2.3 建立前后围模型 32

3.2.4 建立内部模型 34

3.3 客车车身造型渲染 37

3.4 本章小结 40

第4章 客车气动特性分析及优化 42

4.1 几何清理 42

4.2 面网格划分 44

4.3 设置边界条件 45

4.4 网格划分及模型选取 47

4.5 仿真结果分析 50

4.6 客车气动特性优化 52

4.7 本章小结 55

第5章 全文总结 56

5.1 研究内容与结论 56

5.2 创新点与展望 56

参考文献 58

致 谢 60

第1章 绪论

研究背景与意义

客车是主要的进行团体运输的工具，其大多有一定的行驶线路，大部分由政府负责，少部分可进行私人承包。根据其线路的长短主要可以分为城市公交、短途客车、长途高客、旅游客车，其中城市公交可细分为市内公共汽车，城郊公共汽车。市内公交车根据其运载能力和职责功能，可以进一步分为通勤公交、观光客车。其中观光客车以双层客车居多，主要是因为双层客车具有较大的体型，能更吸引游客的眼球，同时由于其第二层坐地起高，视野更加开阔，这对于希望体验和游览城市风光的外地游客来说更容易使人登高望远一览无余的感觉，进一步提升了游玩乐趣。

国内各城市的双层观光客车在2000年左右较为风靡，各大城市均将其引进作为吸引游客的手段之一。但之后大约十年之内，各大城市渐渐减少、甚至取消了双层客车，究其原因，一是某些城市还处于飞速建设时期，市内频繁施工，多路段限高，双层客车陷入了经常改道的尴尬境地；二是现今的双层观光客车均以燃油为动力，相较于单层公交，其油耗较高，票价较高，既对环境造成更大压力的同时还常常入不敷出。因此，双层观光客车的身影越来越少。

现如今即将结束二十一世纪初叶，中国即将完成第一个百年目标，很多城市进入了城建平缓期，渐渐把目光投放到提高生态居住环境方面。加之21世纪以来，随着人类社会的进一步发展，人们的环保意识愈发强烈，再加上日趋完善的城市交通体系，国家相关政策的优惠刺激，客车，已成为大众出行的重要交通工具之一。由于双层客车在作为观光车辆方面来说有着无可取代的优势，如若结合了燃料电池低排放、节能环保的优点，势必能为城市的整体建设注入新的活力，抹上一笔靓丽的风景。

一辆客车的经济性与乘坐舒适性，无疑成了为乘客、政府、车企等不同立场的个体所共同关注的核心，身兼游览职责的观光车更是如此，而提高客车的空气动力学特性，就是为数不多的能同时提高客车经济性与乘坐舒适性的重要手段之一。因此，对客车的气动特性进行深入研究并进行相应的优化，具有重要的现实意义。

由于科技的发展与节能减排意识的愈发强烈，以掘弃传统石油为目的，而搭载了新兴能源的客车凭借其更清洁的能源、更少的污染、更低的噪声、更平顺的乘坐体验，备受政府及乘客的喜爱。燃料电池客车与传统客车相比，动力装置产生了较大的变化，作为动力来源的动力系统和能源系统更是与传统客车在布置形式上有较大的区别。这种变化对客车的外形产生了一定的影响，即对客车的气动特性产生了一定的影响。因此，如何解决燃料电池、动力电池、氢气罐等动力系统的布置，从而重新确定客车的气动特性，是燃料电池客车外形设计中至关重要的一部分。

国内外研究现状

双层客车国内外研究历史与现状

双层客车起源于英国，于1954年的伦敦第一次实施运营，以其通体的鲜红和庞大的身躯获得了著名的“马路霸主”的名号，是英国伦敦的一大鲜明的特色，如图1.1所示。它一改传统客车的布局，将发动机置于整车前部，和驾驶舱共分空间，形成不对称的车前造型；同时，它搭配了传统的传动系统和悬架系统，客车尾部则进行了开放式的设计^[1]。由于当地城市的过快建设和土地有限，导致当地的诸多交通要道也较为狭窄，仅提供两条双向车道，完全无法满足乘客的称作需要，再加之刚刚试行的有轨电车由于其车速原因，对其他车辆的通行都造成了一定的影响，因此这一客车进行了双层设计，既缓解了大量乘客的通勤问题，又对交通进行了很好的缓解。

图 1 . 1 英国红色双层巴士

中国曾引进过英国的双层巴士，但现今以国产双层公共汽车为主。由于香港的城市布局与伦敦在道路交通方面有诸多相似之处，因此双层巴士早1949年便在此投入了使用。当时香港地区为了保证双层巴士的正常运行，对道路两旁的绿色植进行了修剪，将违规建设的指示牌予以拆除，整个城市进行了一番市容市貌的整顿。到目前为止，香港还有4000多辆双层巴士在投入运营，占整个香港公共交通的80%，而其中名为Big Bus的双层巴士更是专门建立了旅游观光专线，只要手持有效车票，便可在24小时内制定景点随时上车或下车，带来了灵活自主的观光体验，成为了香港旅游间体验当地风光的重要一环，如图1 . 2所示。中国大陆于1986年第一次引入了英国制造的双层巴士，该客车服务于首都北京，以黄色作为主要的色彩构成。在此之后，双层公共汽车像是点燃了一股热潮般遍地开花，各大主要城市均争相引进。

图1 . 2 香港Big Bus

中国同样也拥有不乏优秀的客车生产商，其中总部设立在安徽合肥的安凯客车便是较为耀眼的一位。它在2017年成功打开了北美洲墨西哥的市场，并接到了位于大洋洲的新西兰岛国的双层观光巴士的订单。在 第 2 4 届 召 开 于 比 利 时 的 世 界 客 车 博 览 会 上，着眼于世界格局的安凯客车并没有停下其产业的扩展，它借此机会发布了全 球 首 辆 纯 电 动 力 双 层 开 放 式 敞篷巴士（图1.3），除此之外还一并发布了已被沙特预定了600台的A9型豪华版客车。安凯汽车以其卓越的研究成果又一次吸引了全世界的关注，大大提高了中国品牌的影响力和认可度。

图1 . 3 安凯纯电动双层客车

空气动力学特性国内外研究历史与现状

针对商用客车外形空气动力学的相关研究是由欧洲国家首先进行的，在二十世纪后二十年间，A h m e d S R、R a m m R、F a l t I n G 等人在论文中建立了影响力较大的A h m e d 标 准 化 模 型，而且利用该模型在较低风速的风洞中进行了空气动力学特性试验，通过该试验得到了丰富的实验数据，其中对客车尾部的下倾角进行了多组数据的测量，得到了客车尾部涡流的形式以及客车气动特性曲线^[2]；与此同时，G I l h a u s 等人较为深入地研究了客车车头造型对客车气动特性的影响，他们建立了多组不同车头造型的客车模型进行试验分析，得到了能使客车气动特性大大提升的前挡风玻璃斜度及车头与侧身圆角的合适范围；二十世纪末，S a l t z m a n 等人利用不同车头造型、不同厢体结构的客车车辆进行了相关上路试验，通过加装和卸装各种气动附件得到了多组有效的试验结果，有力地证明了在一定的车头造型下，船型的厢体结构可以对客车的气动特性有所提升；二十世纪初，国外诸多的学者合作起来针对M e r,c e d,,e s – Blt;e n z公司的客车联手进行客气动力学特性的研究分析，并对该量产客车的车头和车尾造型进行了细致的优化，使其空气阻力系数降低了2 0%，大大提高了资源利用率。

国内针对客车气动特性的研究较晚，在二十世纪六十年代，我国的交通运输部门联合国内汽车生产商生产制造了国内第一款客车，该客车的外形均以大曲率的圆弧作为设计依据。二十一世纪初期，中国空气动力研究院的相关研究人员通过数值分析方法以及道路试验的手段，将缩小尺寸的A h m e d模型作为分析模型来研究客车所应具有的比较适合的外部造型，他们分析了客车尾部厢体结构对客车外部流场的作用特点，利用了诸多试验方法对客车尾部涡流进行了深入的分析，并利用数值计算方法一并探究了气流流经客车车底时底盘布置结构对气动特性的作用效果^[3]。他们分别分析了诸多试验数据，总结出了车头圆弧曲率、车尾厢体结构、客车横向渐缩角等重要参数对客车空气动力学特性的影响，为同等类型客车厢体外部造型的设计和优化提供了较为丰富的试验数据和模型参考；同样在二十世纪初期，吉林大学的空气动力学研究人员对客车外部造型提出了更为详细的划分，提出了车头顶部圆角、车头侧面圆角、车尾顶部圆角等更为具体的影响因素进行了数值分析，获得了客车外部造型对其本身的气动特性的更为详细的影响关系。

本文的主要研究内容

通过前文所述可知，国内外大多数双层客车均是以燃油作为动力来源，少部分现代客车生产商推出了纯电动版的双层巴士，但却均未涉及燃料电池双层巴士的相关设计，由于燃料电池客车的布置形式与传统客车有较大差异，因此有必要进行深入探究。同时国内外大多数的客车气动特性优化均是针对燃油客车所进行的，而专门研究燃料电池客车的相关文献较少，同时研究双层燃料电池客车的文章更是少之又少，形成了一部分空白。

本文则试图设计一款专门用于观光旅游的以燃料电池为动力的双层巴士，对客车整体参数和整车总布提出了新的规划要求，对客车的外部造型进行了全新的塑造，在提高观光旅游的趣味性的同时，将燃料电池作为动力，相较于传统的双层客车，降低了运营成本，降低了环境污染，提高资源利用率。同时，本文还对该客车的气动特性进行了深入的研究，探究其影响因素，并针对其特点进行相应的优化，以更大程度上降低空气阻力，进一步降低能源的消耗。

本章小结

本章首先介绍了国内外双层客车的发展历史和发展现状，并挑选安凯客车所研发的一种电动双层客车进行展示，明确了当今双层客车设计的发展方向；接下来回顾了国内外客车气动特性的相关研究分析，通过对国内外研究现状可知，目前大多数客车的外流场分析均是以燃油客车为主，涉及新能源客车的较少，最后借此引出了本文的研究内容：针对旅游观光这一各大城市逐渐关注的领域，专门开发一款低风阻、以燃料电池为能源的双层敞篷式市内观光巴士。

第2章 客车气动特性及数值分析方法

客车气动力

客车的空气动力学特性是与客车外部造型密切相关的固有属性之一，它涉及到由气动升力、气动阻力、气动侧向力三个矢量力构成的空气阻力，以及分别由其各自而产生的气动力矩。在这些矢量力和矢量力矩的作用下，车身周围会产生一定的空气流场，该流场会影响着客车许许多多的动力学特性，例如承受侧向风时的稳定能力、高速行驶时的噪声问题、客车底部对底面尘土和泥土的作用效果、前挡风玻璃雨刮器的刮净能力等。现当今，客车的空气动力学特性由于对车辆的燃油经济性的降低和操纵稳定性的提高具有着极其重要的影响作用，因此受到了各方各业越来越多的关注，使得诸多科研人员的竞相研究。

客车气动六分力

客车在其自身正常的运营过程中，由于其自身的运动带动了附近空气的流动，形成了一定的不稳定流场区域，流动空气在客车车身上会产生一定的作用力，可以将其分类为正压力和摩擦阻力，该作用力的作用点被称作空气的风压中心^[4]。根据理论力学中矢量力的平移原理，将气动矢量力平移至客车的质心位置，则该矢量力会产生一个与之对应的矢量力矩。为了便于分析，我们将该矢量力与矢量力矩按照车辆的行驶坐标系进行正交分解，即可得到三个沿坐标轴方向的矢量分力和三个矢量分力矩，我们将这六个分解出的分力和力矩乘坐气动六分力。本论文所进行的对客车空气动力学特性的研究，实质上是指在运用力学知识对该六大矢量分力进行研究与探讨，讨论其作用于客车表面时对客车表面流场的影响情况。现将该六个矢量分力和矢量分力矩进行图解分析，见图2.1所示：

图2 . 1 气动力和气动力矩

为了使研究具有普遍适用性便于比较，现对客车的空气动力学特性进行量化，将气动阻力系数作为其评价标准，将每个气动阻力与其系数表达式的关系列于表2.1：

表2.1 气动力和力矩相关表达式

将其中各参数的意义如下：

：， 为 空 气 密 度；

：客 车 的 行 驶 车 速；

S：客车的正 投 影 面 积；

：客 车 的 轴 距

：客 车 的 空 气 阻 力 系 数；

：客 车 的 气 动 升 力 系 数；

：客 车 的 气 动 侧 向 力 系 数；

：客 车 的 气 动 俯 仰 力 矩 系 数；

：客 车 的 气 动 横 摆 力 矩 系 数；

：客 车 的 气 动 侧 倾 力 矩 系 数；

由于客车的空气阻力对客车的燃油经济性以及操纵稳定性均有比较重要的影响，因此，本文将空气阻力系数作为评价本设计客车的空气动力学特性的评价标准及优化对象，而且在此规定，空 气阻 力的正方 向与 客 车 的 前 进 方 向 相 反。

气动阻力的构成

客车在行驶过程中所受到的空气阻力大致可以分为外部阻力和内循环阻力，其中约有八成都是由外部阻力所贡献的，外部阻力主要分为以下几种：法向压力阻力、切向摩擦阻力、诱导阻力、干扰阻力^[5]。其中压力阻力构成了外部阻力的六成左右，该阻力也可被称为形状阻力，因为该阻力是由于客车外形的存在阻塞了气流在车头部分和车尾部分产生了较大的压差，导致空气无法顺畅流通，其中车头处气流的作用力的合力指向后方，车尾处的气流作用力的合力指向行驶方向。由于空气自身具有粘性，并不属于理想气体，因此前后作用力的合力并不平衡，往往是车头部分的作用合力较大，从而导致了两个力并不平衡，产生了阻力。从另一个角度去研究，客车在行驶过程中在尾部会产生一个负气压的漩涡，该漩涡的存在扰乱了气流的正常轨迹，使得前后作用力发生了失衡。因此想要降低压力阻力的话，首先是需要缩小货车尾部的涡流区域，然后是减少头部的正压力区域，这两种思路可以通过优化外部造型、增添合理的空气动力学套件、降低车身高度等方法实现。

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