中国摩托车行业经过近几年的转型升级，产品结构不断完善，通勤踏板车、休闲娱乐摩托车、警用摩托车等新的增长点持续扩大。无论是传统燃油机车还是新兴的电动摩托车，都在向着大马力、高速化的方向发展，摩托车结构的特殊性以及最高车速的一再提高，都使得摩托车在设计阶段必须考虑空气动力学对车辆的影响，因为摩托车的空气动力特性对其动力性、经济性及操作稳定性有直接影响。有资料显示^[1]，当车速大于80 km/h时，风阻消耗的能量占整车能耗的80%以上，所以降低空气阻力对减少摩托车油耗有重要现实意义。

风洞试验是车辆空气动力学研究的重要手段，由于试验成本高昂，国外学者对摩托车的风洞试验研究多针对车体的简化模型或缩尺模型进行^[2-3]。伴随仿真技术的发展，学者也开展了一维或三维模拟研究工作^[4-6]，但多为对某一车身部件进行研究^[7]。近年来国外学者对汽车表面形成凹坑型非光滑表面设计达到减阻目的的研究^[8]对摩托车外形设计具有借鉴意义，国内也有学者进行了相关研究工作^[9]。傅立敏教授^[10]对汽车空气动力学性能的研究开展较早，并取得了一定成果，其他学者也针对汽车降阻、降噪方面做了很多研究和努力^[11-12]，周涛、曾忠^[13]对大学生方程式赛车的空气动力学套件进行三维仿真优化设计，从而有效地提高了负升阻比(即负升力和阻力比值)。但国内学者对摩托车空气动力学性能的研究相对匮乏，尤其在摩托车产品开发过程中对概念车型的研究未见报道。摩托车驾驶员骑行时暴露于气流中受到多气动分力影响，摩托车质量比汽车轻，更容易受气流影响，因此空气动力学研究对摩托车设计极为重要^[14]。

目前国内还没有摩托车专用风洞，摩托车的气动阻力等空气动力学试验数据只能通过滑行试验获得，但此试验方法对无级变速、自动变挡和自动离合器的摩托车和轻便摩托车不适用。鉴于此，采用数值模拟技术(CFD)模拟风洞试验，可获得摩托车的气动阻力和滑行试验无法得到的详细流场信息，同时也可避免驾驶员坐姿差异带来的影响。笔者通过对一款新型巡航摩托车开发过程中的人车模型外部流场进行稳态数值模拟，为车身设计、选型提供有效指导。

1 气流对运动物体的作用机理

物体对不可压缩流体输送能量的唯一机理是通过黏附条件产生涡量(速度的旋度)，流体对物体的反作用就是已产生的涡量对物体的作用^[15]。从动力学角度分析，涡量场通常和黏性流动存在着对应关系，物面边界层、分离流区、尾迹区等必然分布着涡量^[16]，涡量是由速度梯度造成的，速度梯度的存在伴随着压力分布不均，从而形成压差，产生气动阻力及气动升力。对于行驶中的车辆，气动力的大小影响着车辆的最高车速、加速时间以及燃油经济性，同时，气动力及其波动以及气动噪声是导致驾驶员不适和疲劳的重要原因^[14]。

2 仿真模型

首先对一款现有产品车进行模拟，计算域尺寸为车前5倍车长，车后10倍车长，6倍车宽，4.5倍车高，阻塞比2.1%。人车模型周围局部加密，最小尺寸1 mm，最大尺寸25.6 m，得到如图 1所示的包面网格。体网格采用六面体核心Trimmed网格，边界区域采用多面体Prism网格，体网格参见图 2，网格总数约1 000万。

边界条件设入口为速度边界，出口为压力边界，计算域顶面为滑移壁面，侧面为对称壁面，底面为运动壁面。采用雷诺平均N-S方程(RANS)，realizable K-Epsilon湍流模型。

3 滑行试验数据对比

对应样车的滑行试验在天津摩托车检测中心的专业试验场进行，路面条件及试验的气候条件包括风力、湿度、气压及气温等均符合国家标准对道路试验的要求，采用VBOX 3i GPS综合测试仪进行测试，其主机用于测量移动车辆的速度和运行距离，并且提供横、纵向加速度、减速度、时间、制动及滑行等数值；外接各种模块和传感器以采集油耗等其他数据。其系统组成参见图 3。

硬件主要技术参数如下：

速度测量范围：0~160 km/h；速度测量精度：0.1 km/h；速度分辨率：0.01 km/h；时间测量精度：0.01 s；时间分辨率：0.01 s。

仿真对70，90，110 km/h 3种车速下的阻力值与试验值进行对比，结果如表 1。从表 1可以看出仿真结果和试验值的偏差在5%以内，吻合较好，表明仿真方案可行，可开展后续研究工作。

4 仿真结果及分析

本仿真内容是用前述仿真方案对一款开发中的巡航车效果图模型进行仿真分析，在此基础上对造型进行优化，形成详细设计方案，并对详细设计方案模型进行仿真分析。

4.1 效果图方案仿真结果

如图 4对影响摩托车气动特性的外观部件进行了划分和定义，仿真可获得对应部件的受力结果。其中“导流罩”包括油箱和座椅下方的所有外观部件，图 5为3种车速(70，90，110 km/h)下各部件气动阻力仿真结果。可以看到，各部件受到的阻力都随着车速的增加而增加且变化趋势一致，导流罩、车头及前挡风板是主要受力部件，因它们直接迎风且迎风面积较大所致；后备箱和边箱的受力次之，这两个部件虽然不直接迎风，但由于处于车身尾部，其形状直接影响气流离开车身后在其后方形成的尾流的运动形式，从而影响后方的压力分布，所以会对行车阻力产生较大影响；后轮及后挡泥板由于周边流经的气流较少所以受力较小。

以下对车速为110 km/h情况下的仿真结果进行进一步分析。

图 6显示随车身长度方向发展的累计阻力曲线。可以看到阻力从前轮开始缓慢升高，到达车头后急剧上升，离开仪表板后有所回落，之后逐步升高，经过驾驶员时又有一定幅度下降，之后恢复到原来水平并逐渐升高直至车尾。流场分布从图 7模型对称面上压力分布可以看出，车体迎风面前方形成高压区，挡风板和驾驶员之间出现相对低压区，尤其在油箱上方形成局部低压，其形成原因可从图 8对应截面上线积分卷积法(line integral convolution-LIC)得到的速度矢量图看到，挡风板和油箱的导流作用在此处形成流动死区，导致低压的形成，与挡风板前的相对高压的共同作用致使行车阻力的产生。气流经过驾驶员位置，其背后压力高于胸前的压力，形成背推力，使得阻力系数降低。由经验可知，骑乘人员的受力情况与挡风板的设计直接相关。

图 9中灰蓝色曲面是总压力系数为0的等值面，等值面内处于负压区。可以看到前轮、车头、挡风板以后的车体部分基本都被包裹在等值面内，设计方案应尽可能减小此等值面包裹的范围，因为负压区范围越小，气动阻力越小。车后地面上拖出的负压区是由边箱和后挡泥板之间气流形成的尾涡造成的，参见图 10边箱和后挡泥板之间气流流线。尾涡的存在范围受车尾形状影响。

涡旋通常用涡量来量度其强度，涡量值越高表征速度矢量的旋度越高。图 11显示了涡量在200~800 $ \frac{1}{{\rm{s}}}$范围内分布情况。可以看到，涡量场中高涡量区存在于气流离开车体迎风面的分离处，挡风板上缘涡量超过800 $ \frac{1}{{\rm{s}}}$的区域没有显示，是全场涡量最高区域。气流离开物体表面的分离流区内逆压梯度的存在导致了涡旋产生，减小涡旋存在的区域范围及旋流强度，一方面可降低行车阻力，另一方面可减小气动噪声，增加骑乘人员舒适性。

4.2 详细设计方案仿真结果

详细设计方案(以下简称为“Ⅱ方案”)对效果图方案(以下简称为“Ⅰ方案”)所有曲面覆盖件进行了优化设计，对结构件进行了细化，并提供两种挡风板安装角度，使得挡风板立起高度不同，通过空气动力学仿真进行了方案对比。为便于说明，对两安装角度分别称为“Ⅱ(高)方案”“Ⅱ(低)方案”，Ⅱ(高)方案挡风板与地面的倾角大于Ⅱ(低)方案，使得安装后顶沿离地高度高于后者。图 12是Ⅰ、Ⅱ方案挡风板外观图。

表 2列出了Ⅱ方案整车仿真得到的部分部件及整车的空气阻力，并与Ⅰ方案相应结构进行了对比。Ⅰ、Ⅱ方案数据对比可以看出挡风板造型的变化使得Ⅱ方案挡风板阻力变小；安装角度的改变使得Ⅱ(低)挡风板阻力进一步减小，并降低了车头的阻力，这是由改变车头后方压力引起的。但同时由于对驾驶员的遮挡减少，驾驶员受到的阻力增加。挡风板型线的改变，使得Ⅱ方案驾驶员行进方向的受力由Ⅰ方案的背推向前转变为前推向后。表中高、低两方案前3项阻力的差值等于两款方案整车阻力的差值，阻力相差32 N。

表 3列出了仿真得到的Ⅰ、Ⅱ方案前、后轮和整车升力系数。3个方案前轮升力系数均为负值，受力压向地面，幅值相当；后轮都受到抬离地面的升力，且Ⅱ方案后轮升力系数比Ⅰ方案降低了75%，这和车轮辐板结构改进有关。从整车考虑，Ⅱ(高)方案使整车升力方向由Ⅰ方案抬离地面转为压向地面，操作稳定性提升；而Ⅱ(低)方案迎风面积最小，整车升力系数最大，Ⅱ(低)方案相较于Ⅱ(高)方案整车阻力系数C_d降低4.2%，但升力系数增加61倍。

5 结语

笔者运用空气动力学仿真的方法，对一款造型开发中的巡航摩托车进行了多物理场分析研究，指导详细结构设计，并对详细结构的两种挡风板安装方案进行了分析、比较，为进一步选型提供参考依据。结果证明空气动力学仿真方法可有效指导摩托车造型开发。仿真过程中没有考虑车轮本身的旋转运动以及轮胎的细节特征，后续研究将考虑上述因素，进一步提高仿真精度，同时指导车轮外形设计。