摩托車在我國經歷了髙速發展時期，隨著汽車的普及，摩托車逐漸向休閒和賽車運動轉移，摩托車的氣動特性需要引起一定的重視。風洞試驗是研究車輛阻力系數最常見和最廣泛的方法，但對摩托車行業而言，使用或建造風洞設施的成本太髙。數值模擬可以更經濟、更快速地獲得結果，並且可以用數值模擬方法觀察車輛周圍詳細的流動情況。國內外都做了相應的摩托車氣動分析，張英朝等人對摩托車及駕駛員的氣動特性進行了相關研究，並提出了一些減阻建議。賀寶琴對車輛佇列行駛的氣動特性進行了研究，分析了車輛外形、車輛間距、車輛數量等因素對佇列行駛車輛氣動特性的影響。下面根據賀寶琴等人的研究結論，車輛前後間距選取0。5倍車長，主要研究佇列行駛摩托車車輛數目對車隊中各車阻力系數的影響，也為未來的智慧車輛等車輛編隊提供理論支援。
一．數值模擬
1.模型的建立
採用某摩托車模型為研究物件，摩托車（含駕駛員）的主要尺寸如下：總長2042mm，總寬682mm，總高1346mm，兩輪軸距1419mm。幾何模型如下圖1所示。
利用三個方案來研究摩托車不同形態的氣動特性：①研究單車的氣動特性；②研究兩輛摩托車在1m間距的情況下佇列行駛時的氣動特性；③研究3-10輛摩托車在1m間距的情況下佇列行駛時的氣動特性。
圖1 幾何模型
2.網格無關性驗證
網格越小，計算結果就越精確，但計算量越大，耗時也越長。故在實際應用中，必須在計算時間與計算精度之間取得平衡，尋找一個比較合適的點，這個點所在的位置就是達到網格無關的閾值。當網格數量達到380萬個網格時，阻力系數基本不變。綜合考慮模擬計算誤差和計算時間，可以近似為網格達到3849561個時可滿足網格無關性要求。
3.計算域的確定
整個計算區域為一個長方體，車前方12m，車後方30m；車左右各5m；車上方6m。計算域見如圖2所示：
圖2 計算區域
4.網格劃分
單車周圍流場的網格選為切割體網格和稜柱層網格，網格從外向內逐步加密，網格尺寸依次減半，網格尺寸從最大0。5m逐漸減小到0。016m，體網格數量為3849561個。單車網格劃分見下圖3，多車網格劃分見下圖4。
圖3 單車的網格劃分
圖4 三車佇列行駛的網格劃分
5.邊界條件的設定
表1 邊界條件的設定
6.選用的模型
表2 選用模型
二．計算結果
1.佇列中的車輛數目對車輛阻力系數的影響
由下圖的分析可知：摩托車佇列中第一個摩托車和騎手受到的氣流衝擊比較大，流過摩托車前導流罩和騎手頭部的氣流遠遠高於後面的騎手，是由於高速氣流的衝擊導致第一輛摩托車的阻力遠遠高於後面的跟隨摩托車。跟在後面行駛的騎手，雖然身上有部分氣流吹過，但是都是低速氣流，影響不大，故後面的摩托車空氣阻力較小。最後一輛摩托車由於後面有氣流分離，故空氣阻力略微大於中間車輛。
圖5 單車中央對稱面的流線圖
圖6 三車佇列中央對稱面的流線圖
圖7 五佇列中央對稱面的流線圖
為了能夠直觀地分析單車和五車佇列中每輛車前後部的壓力分佈，提前將顏色條的顯示範圍設定成相同。
圖8 單車前後部的壓力分佈圖
圖9 五車（i=1）前後部的壓力分佈圖
圖10 五車（i=2）前後部的壓力分佈圖
圖11 五車（i=3）前後部的壓力分佈圖
圖12 五車（i=4）前後部的壓力分佈圖
圖13 五車（i=5）前後部的壓力分佈圖
由上圖可以看出，佇列行駛的車隊第一輛摩托車的前後壓差遠遠大於後面跟隨行駛的摩托車，這是由於後面的摩托車位於前面摩托車的尾流中，受到前車尾部流場的干涉，使得後面的摩托車前部的壓力減少，而其後面的摩托車又抬升其尾部的壓力，導致前後壓差進一步減少，而壓差阻力是車輛空氣阻力的主要部分，故減小了其空氣阻力，降低了其燃料消耗。佇列中最後一輛摩托車，其尾部氣流發生分離，由於後面沒有其他摩托車跟隨，無法對其尾流進行干涉，故形成低壓區，其阻力系數比中間摩托車略大，但是比第一輛摩托車小。因此，中間車輛減阻效果更為明顯。
從壓力分佈圖中能看出大概的減阻效果，但是不能明顯看出哪輛摩托車阻力最小。下面把兩車、三車、四車和五車佇列中各車的阻力系數做成條形圖，較於直觀地看出各車的阻力系數。
兩車佇列阻力系數
三車佇列阻力系數
四車佇列阻力系數
五車佇列阻力系數
圖14 各車佇列行駛阻力系數
從圖14可以明顯看出第一輛車的阻力系數最大，隨後逐漸減小，最後一輛比倒數第二輛的阻力系數稍微大一點。為了更加直觀的看出佇列行駛省油減阻的情形，現將各個佇列每個車輛的阻力系數進行平均，然後畫出各個佇列的平均阻力系數的折線圖。
平均阻力系數計算公式：
圖15 佇列行駛平均阻力系數
圖15能夠看出隨著摩托車車隊中車數量的增加，其平均阻力系數逐漸減小，最後接近一個極限值。
2.摩托車部件阻力系數佔模型阻力系數的比例
摩托車的大部分零部件都暴露在空氣中，直接與空氣發生作用，產生的空氣阻力比較大。以導流罩為例，研究摩托車部件對模型（包括摩托車和駕駛員）阻力系數的影響。
根據資料繪出了其佇列各車導流罩阻力系數佔模型阻力系數的比例圖，如下圖所示：
圖16 七車佇列各車導流罩阻力系數佔模型阻力系數的比例
可以看出第一輛摩托車導流罩阻力系數佔模型阻力系數的比例最小，後面的依次增大，倒數第二輛所佔比例最大，達到42。2%。因此透過改進導流罩的形狀來減小摩托車佇列行駛的阻力系數。
3.
駕駛員阻力系數佔模型阻力系數的比例
與汽車駕駛員相比，摩托車駕駛員是完全暴露在空氣中的，身體與空氣直接發生相互作用，故研究駕駛員的姿勢對模型空氣阻力系數的影響十分有必要。
根據資料繪出了其佇列各車駕駛員阻力系數佔模型阻力系數的比例圖，如下圖所示：
圖17 七車佇列各車駕駛員阻力系數佔模型阻力系數的比例
由上圖可以看出，第一輛摩托車上的駕駛員阻力系數佔模型阻力系數的比例最小，後面跟隨的駕駛員所佔的比例逐漸增大，倒數第二位駕駛員所佔比例最大，達到26。5%。由此可以看出改進或調整駕駛員坐姿可以減少摩托車的阻力系數。
三.總結
１。在固定間距0。5倍車長的情況下，摩托車保持佇列行駛可以有效降低車隊的整體阻力。
２。在固定間距0。5倍車長的情況下，增加佇列中行駛摩托車的數目，每輛摩托車的阻力系數都進一步降低，其中減阻效果最顯著的車位於車隊中後部位置。佇列中摩托車數目較少時氣動阻力系數降低的幅度比較大，而隨著佇列中摩托車數目的增加，雖然氣動阻力系數仍然有所下降，但是下降的幅度卻相對較小。
３。透過資料模擬導流罩和人體佔模型阻力系數的比例，可以改進導流罩的形狀以及調整駕駛員的坐姿減小佇列的阻力。
本文來源：
［1］ 張英朝，王中儉，蘇暢，王國華。 摩托車佇列行駛的空氣動力特性［C］。2020中國汽車工程學會年會論文集，上海，2020：1601-1607。
