會車瞬態氣動特性分析與研究

摘 要:以某轎車實車為研究對象，應用滑移交界面和動網格技術對該轎車會車過程中的瞬態外流場進行了數值模擬，得到了會車過程中該轎車的阻力系數和側力系數的瞬態變化趨勢。并結合流場剖面上的壓力場和速度場，分析了這種變化趨勢的原因，總結了會車過程中汽車瞬態氣動特性。研究結果表明:在會車過程中兩車周圍的流場相互影響，車身受到的氣動力在極短的時間內發生劇烈變化。當轎車與轎車會車時，轎車的氣動阻力系數、側力系數分別呈負正弦、正弦變化，但二者的變化并不同步。當轎車與卡車會車時，轎車的阻力系數、側力系數的變化趨勢更復雜、更劇烈。

關鍵字:瞬態空氣動力學特性，計算流體動力學，外流場，兩車相會，移動網格，滑移交界面

中圖分類號:U461.1文獻標識碼: A

Analysis for Transient Aerodynamic Characteristics of Two Automobiles Passing Each Other

Gu Zhengqi， Yang Binhui， Gong Xu， Sun Lu

(Hunan University State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Changsha 410082)

Abstract:With sliding interface and moving mesh technique provided by STAR-CD software， the 3-D transient external flow field around two vehicles passing each other was simulated. The tendency of changing drag and side coefficient was provided. By analyzing the pressure distribution and velocity vector on some sections， the reason for the tendency and transient aerodynamic characteristics were concluded. The data shows: in the case that two cars which have same volume and shape pass each other， the tendency of changing drag and side coefficient is similar to negative sinusoid and sinusoid separately. But in the case that car and container truck， which have huge differences from car in volume and shape， pass each other， the tendency is more complicated and intense.

Key words: Transient aerodynamics characteristics; Computational fluid dynamics; External flow field; Two Vehicles Passing Each Other; Moving mesh; Sliding interface.

車輛在行駛過程中經常會遇到會車這種復雜行駛工況。汽車會車時由于兩車的氣流相互干涉，引起擾流的變化，在車身上產生瞬時變化的氣動壓力，這種變化將直接導致作用在汽車車身上的氣動力在極短的時間內發生劇烈變化，可能導致汽車出現橫擺、側傾、側滑等情況，從而影響汽車行駛穩定性[1-4]。因此分析車輛高速狀態下會車時的氣動性能是必要的。

目前國內對汽車會車的空氣動力學研究較少，多是對軌道車輛會車時的氣動力研究。張英朝、傅立敏等對簡單外型汽車隧道中會車過程的瞬態空氣動力學特性進行了分析[5]。

由于會車工況下兩車行駛方向相反，在目前的技術條件下，很難用風洞試驗對其分析。因此本文采用STAR-CD軟件中的滑移交界面(sliding interface)和移動網格(moving mesh)技術對轎車與轎車、轎車與卡車在會車過程中的非定常流分別進行了瞬態數值模擬和分析，并對比了兩種會車情況下轎車的氣動特性。

1 數值模擬

1.1 基本控制方程組

通常狀態下，汽車在開闊空間行駛，且速度相對聲速較低，空氣介質物性參數應為常數，汽車周圍流場可按不可壓縮流處理。在復雜工況下，如超車、會車、尾隨、過隧道，汽車周圍的流場是瞬態變化的，這時的流動應按非定常流處理。因此汽車會車時的外流場屬于粘性、非定常、不可壓縮流，具有典型的三維分離流動特性。它遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒控制方程。三個控制方程的守恒型通用形式如下:

式中， 為速度矢量，t是時間，φ為通用變量，可以代表u、v、w、T等求解變量;Γ為廣義擴散系數;S為廣義源項。對于特定的φ來說，Γ和S具有特定的表達式[6]。

計算中使用高雷諾數κ-ε湍流模型。對流項采用多維二階MARS差分格式。速度和壓力耦合采用對瞬態問題更有優勢的隱式算子分割算法PISO[7]。

1.2 模型的建立

本文主要的研究對象為一階梯背轎車實車模型，如圖1所示，模型縮尺比例為1:10，車身長512.5mm，寬(帶后視鏡)205mm，高147.5mm，對模型底盤做了平整化處理，但保留了后視鏡、雨刮器凹槽、進氣格柵、牌照凹槽等細部特征。該模型較大限度的保留了實車的主要特征，能比較準確的反映所研究的內容。

圖1 轎車幾何模型

Fig.1 Car model

本文所用卡車模型為一平頭型集裝箱貨車，如圖2，模型縮尺比例為1:10，車身長1276.5mm，寬233.6mm，高348.6mm，對模型做了適當的簡化處理。

圖2 卡車幾何模型

Fig.2 Truck model

1.3 計算域與網格劃分

兩會車模型計算域內全部為六面體網格，轎車與轎車的會車模型中，全域網格總數約393萬，兩車采用同一幾何模型，均以25m/s的速度相向而行，向X負方向行駛的為A車，向X正方向行駛的為B車。轎車與卡車的會車模型中，全域網格總數約354萬，兩車均以25m/s的速度相向而行，向X負方向行駛的為轎車，向X正方向行駛的為卡車。兩會車模型中兩車車頭初始縱向距離為6倍轎車長，橫向間距根據取0.5倍轎車寬。初始時計算域如圖3所示。

圖3 計算域示意圖

Fig.3 Calculation domain

圖4為轎車周邊網格拓撲，左下為雨刮器凹槽處附面層局部放大圖，右下為后視鏡處局部附面層放大圖。

圖4 轎車周邊網格拓撲以及局部附面層

Fig.4 Mesh around car

圖5為卡車周邊網格拓撲，左下為車頂局部附面層放大圖，右下為輪胎處局部網格放大圖。

圖5 卡車周邊網格拓撲以及局部附面層

Fig.5 Mesh around truck

1.4計算資源以及計算參數

會車過程瞬態時間步長為0.0001s。轎車與轎車會車模型， 使用IBM SYSTEM X3650服務器，計算耗時93小時;轎車與卡車會車模型， 使用IBM Xseries 226服務器，計算耗時149小時。

2計算結果及分析

2.1 轎車與轎車會車分析

會車過程中A車的阻力系數和側力系數的變化曲線如圖6所示。S為兩車車頭的距離，以向X正方向行駛汽車的車頭為零點，以X軸的正方向為負方向，L為轎車車長。側力以Y軸正方向為正，Y軸負方向為負。

圖6 A車的阻力系數和側力系數值

Fig.6 Transient drag and side force of car A

從圖中可以看出A車在會車過程中阻力系數先減小后增大，隨后恢復到單車時的狀態，變化趨勢呈負正弦曲線。

兩車前方的空氣受到車頭的推動作用形成一個高壓區，并且距車頭越近作用越強。當兩車相距很遠時，兩車外流相互影響較小，阻力變化很小。

當兩車車頭相距2倍轎車車身時(S/L=-2)，阻力開始逐漸出現波動，并在兩車相遇(S/L=0)后，迅速減小，這是因為A車前方空氣的流動受到B車迎面來流的的影響，使得A車的壓差阻力減小。數據表明在S/L=0.75時，即兩車車身重疊3/4時，阻力變為最小值。隨后阻力不斷增大，當S/L=1.5時，阻力達到最大值。當S/L>3之后，阻力恢復到單車時的狀態。

轎車所受到的側力系數先增大后減小，隨后恢復到單車時的狀態，變化趨勢呈正弦曲線，但兩峰值不相等，這與兩峰值各自形成的原因是相關聯的。當兩車相距2倍車長時，側力開始緩慢增加，這是因為隨著兩車靠近，兩車相鄰的側面受到對面車輛車頭附近正壓區的影響，使得兩車相鄰側面的壓力較外側面的壓力大，如圖7所示，所以這時A車受正向的側向力。數據表明當兩車車身部分重疊(S/L=0.24)時，側力增大到正向最大值。

a)Z=78mm處壓力云圖

b) A車中部橫斷面壓力分布圖

圖7 S/L=0.234時，A車兩斷面壓力等高線和壓力分布

Fig.7 S/L=0.234，Pressure contour and distribution of two sections of car A

隨著兩車重疊區進一步增大，側力迅速減小，并逐漸反向。這是因為隨著重疊區的增大，迎面車輛車頭正壓區對A車側面的影響逐漸減小并消失，同時由于兩車對周圍氣流的帶動，在兩車之間的狹長區域內形成漩渦，圖8(a)紅圈內所示為S/L=1.122時兩車之間形成的兩個反向的漩渦，漩渦內的湍流粘性較兩車外側大，如圖8(b)所示。

(a)兩車之間速度矢量

(b) 湍流粘性

圖8 S/L=1.122，時兩車z=60水平截面上的速度矢量和湍流粘性

Fig.8 Velocity vector and turbulent viscosity of z=60 horizontal plane

兩車之間氣流的壓強勢能在湍流旋渦的作用下被耗散，使得兩車相鄰側面的壓力較外側面的壓力更小，如圖9所示，所以A車受到指向Y軸負向的側向氣動力。數據表明該側向力在S/L=1.122時走向反向的最大值。

a)Z=78mm處壓力云圖

b) A車中部橫斷面壓力分布圖

圖9 S/L=1.122時，A車中部橫斷面壓力分布

Fig.9 Pressure distribution of middle section of car A

隨著兩車逐漸駛出重疊區，A車所受側力迅速減小。兩車的側力又恢復到單車時的狀態。

Patrick Gillieron于2004年在研究汽車超車時的氣動特性時，提出汽車會車過程中氣動力可能有類似正弦函數的變化趨勢[8]，這與我們得出的結論是一致的。

2.2轎車與卡車會車分析

會車過程中轎車的阻力系數和側力系數的變化曲線如圖10所示。

圖10 轎車的阻力系數和側力系數值

Fig.10 Transient drag and side force of car

從圖中可以看出轎車會車過程中所受到的阻力系數總體趨勢是先減小后增大，隨后恢復到單車的狀態，而側力系數總體上是先增大后減小，隨后恢復到單車時的狀態，這與轎車與轎車會車時的總體趨勢基本一致。但是，轎車與卡車會車與轎車與轎車會車相比，阻力系數、側力系數峰值更大，阻力系數、側力系數的最小值也更小，最大側力系數竟達到后者的2倍。這是因為集裝箱體積大，車身高，對轎車氣動力影響更劇烈。在轎車與卡車會車過程中，阻力系數、側力系數在重影區內(1

圖11 集裝箱車駕駛室與車箱間隙處的速度矢量圖

Fig.11 Velocity vector at the plane between cab and container

3. 結論

1)本文以某轎車實車為主要研究對象，應用滑移交界面和動網格技術對該轎車會車過程中的瞬態外流場進行了數值模擬。

2)在會車過程中兩車周圍的流場相互影響，車身受到的氣動力在極短的時間內發生劇烈變化。當轎車與轎車會車時，由于兩車長度、大小相近時，兩車受到的氣動阻力系數、側力系數分別呈負正弦、正弦變化，但二者的變化并不同步。當轎車與卡車會車時，由于兩車車身差別較大時，卡車底盤、車身高，卡車駕駛室與車箱之間有一約0.45m的間隙，轎車阻力系數、側力系數的變化趨勢更為復雜，卡車對其氣動力影響更劇烈。

3)轎車與卡車會車與轎車與轎車會車相比，阻力系數、側力系數峰值更大，阻力系數、側力系數的最小值也更小。轎車在與大型車輛會車時，對轎車所受氣動力影響更為劇烈，轎車行駛的安全性更應該得到關注。

參考文獻:

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[8]Patrick Gillieron， Christophe Noger. Contribution to theanalysis of transient aerodynamic effects acting on vehicles [J]. SAE Paper， 2004-01-1311.