CFD Evaluation of Roof Fairing and Rear Tail Plate Add-Ons for Bus Aerodynamics

在开阔的公路上，巴士是一个在气流海洋中推行的巨大、钝重的物体。当它移动时，空气并不仅仅是滑过车身；它撞击着前方，掠过顶部，并挣扎着试图填补后方留下的空白空间。这种挣扎产生了一种被称为空气动力学阻力的力量，就像一只无形的手在向后拉扯车辆。为了保持移动，发动机必须更加努力地工作，消耗更多的燃料，并向大气中释放更多的二氧化碳。对于像巴士这样经常载有数十名乘客的大型车辆来说，这种阻力是一项重大的成本，无论是从金钱还是环境影响的角度来看。在世界许多地方，特别是在埃塞俄比亚，巴士通常是通过将客车车身安装在卡车底盘上而制造的。虽然这种方法很实用，但往往会导致箱型、矩形的形状，这在切割风阻方面表现极差。空气撞击平坦的前部，并在后方形成紊乱的旋涡，浪费了本可以用于运动的能量。

研究人员早已知道，平滑这些形状会有所帮助。就像游泳者佩戴流线型泳帽以减少在水中的阻力一样，车辆也可以安装一些引导空气更平滑流动的装置。这项研究针对的是一种在埃塞俄比亚常见的特定巴士型号，并提出了一个简单的问题：在巴士的车顶和车尾添加简单的部件，是否能显著降低阻力？研究团队并没有在真实的道路上测试这些想法，而是使用了一个强大的计算机模拟系统。他们构建了一个巴士的数字版本，并将其置于一个虚拟风洞中——这是一个数学空间，通过它，他们可以观察空气在不同速度下如何绕过车辆流动。通过在计算机中改变巴士的形状——在车顶增加一个弧形部件，并在车尾增加一个平板——他们可以精确测量空气通过时变得多么容易。

研究人员测试了两种主要的添加物。第一种是车顶导流罩，这是一种安装在巴士顶部的弧形结构，模仿了飞机机翼的形状，具体来说是被称为 NACA 0012 的翼型的一半。第二种是后尾板，这是一个以微小角度连接在巴士后部的扁平面板，旨在帮助空气在经过车辆后更平滑地重新汇合。他们尝试了各种尺寸和角度的这些装置，并在每小时 60、80 和 100 公里的速度下运行模拟。目标是找到能够产生最小阻力的特定组合，从而使巴士在行驶时所需的燃料最少。

结果显示，两种添加物都起到了作用，但其中一种明显更优。车顶导流罩被证明是最有效的工具。当研究人员安装了一个长度为 0.5 米的特定车顶导流罩，并结合对巴士前部的轻微重塑时，阻力大幅下降。在每小时 6于公里的速度下，阻力降低了近 28%。当巴士加速到每小时 100 公里时，降幅略微增大，达到了近 29%。后尾板也有帮助，但效果较小；即使在其最佳配置下，在最高速时也仅能减少约 25% 的阻力。模拟表明，车顶导流罩的作用在于让空气在巴士顶部停留的时间更长，防止了空气在离开钝形表面时通常会发生的混乱旋涡现象。

这些阻力的减少直接转化为现实世界的节省。因为巴士遇到的阻力减少了，发动机就不需要工作得那么辛苦。研究计算出，在使用最佳车顶导导流罩设置的情况下，一辆以每小时 100 公里速度行驶的巴士，与标准的未改装巴士相比，每小时可节省近 10 升燃料。在每小时 60 公里的较低速度下，节省量仍然显著，超过每小时 2 升。在一年内，假设巴士每天运行 8 小时，这些节省的数值将累计成数千升柴油。这种燃油消耗的减少也意味着二氧化碳排放量的实质性下降。对于使用车顶导流罩的单辆巴士，研究估计，在高速度行驶时，每年可以防止排放超过 60 吨的二氧化碳，这一数字代表了对清洁空气的意义重大的贡献。

研究人员谨慎地指出，这些数字来自计算机模拟，而非在高速公路上驾驶实物巴士。该数字模型经过了现有风洞数据的校验，以确保其准确性，且结果与工程师们的预期一致。虽然这项研究并未测试每一种可能的形状或尺寸，但它在所测试的选项中确定了一个明确的胜出者：一个尺寸适中、0.5 米长的弧形车顶导流罩。这一发现表明，对于在埃塞俄比亚及类似地区常见的箱型巴士而言，一种相对简单且廉价的改装方式，就能在提高燃油效率和减轻环境影响方面带来巨大的改进。这项工作证明，即使对于最初设计时未考虑空气动力学的车辆，通过改变其形状的小小变化，也能在它们与周围空气的相互作用中产生巨大的差异。