重型商用車間歇性側風氣動特性仿真

于偉靖，張英朝，任琳琳，蘇 暢

重型商用車間歇性側風氣動特性仿真

于偉靖，張英朝，任琳琳，蘇 暢

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

車輛進出側風帶的瞬間氣動特性的變化規律對其行駛產生重要影響，本文中利用STAR-CCM＋軟件中的重疊網格技術，對某型重型商用車通過城市道路中不同間隔的連續建筑物形成的長寬比小于1的側風帶這一過程進行了空氣動力學數值模擬，研究了其行駛過程中氣動特性的變化規律。結果發現:兩建筑物之間形成的不同長寬比的側風帶對重型商用車的流場和氣動特性均有劇烈影響，橫擺力矩變化率高達35.6kN·m/s，隨著長寬比的增加，氣動力的峰值也增大。

重型商用車；空氣動力學；數值模擬；間歇性側風

前言

重型商用車的外形特征使車的穩定性不可忽視側風的影響，況且在運輸過程中會經歷多種不同的側風環境，其中連續建筑物形成的非穩態側風帶會使車體持續處于側風有無的變化中，這對于重型商用車的行駛穩定性有嚴重影響[1－2]。針對于側風對車輛的影響，國內外的研究已取得較多成果。文獻[3]中研究了奧迪100轎車的結構參數對側風的影響；文獻[4]中對側風條件下的客車參數進行了研究；文獻[5]中用數值仿真方法研究了賽車進入一次短距側風區域時瞬態空氣動力的變化；文獻[6]中用動力學軟件Trucksim仿真研究了側風對高速汽車穩定性的影響；文獻[7]中研究了穩態側風下汽車外流場氣動特性。車輛行駛在間歇性側風帶的瞬態特性研究是影響汽車穩定性的重要研究方向。

結合國內某型號重型商用車，采用數值仿真模擬研究了不同建筑物間隔形成的不同寬度側風帶對重型商用車周圍流場的影響，得出了重型商用車在此類非穩態側風下氣動特性的變化規律，為重型商用車的側風特性研究提供了又一參考依據，對其行駛穩定性的研究有重要的參考意義。

1 模擬方案和計算模型

本文中以重型商用車在側風下通過城市道路連續建筑物為研究背景[8]，模擬方案如圖1所示。建筑物間隔(按車輛行駛方向由左向右)分別取3/4L，L和5/4L(L為車長，L＝12m)，使建筑物之間形成不同長寬比的側風通道，長寬比依次為0.562 5，0.75和0.937 5。建筑物模型[9]的幾何尺寸如圖2所示，其長寬高分別為28，16和17m。圖3為重型商用車的數字模型[9]，其長度為12m，最大寬度為2.5m，高度為3.5m。仿真過程中，采用空氣動力學參考點描述氣動力矩[10]，如圖4所示。其中A為空氣動力學參考點，a為軸距，a＝6.5m，迎風面積為8.75m2。

圖1 模擬方案示意圖

圖2 建筑物尺寸示意圖

圖3 重型商用車的數字模型

圖4 空氣動力學參考點位置示意圖

2 網格與邊界條件

2.1 網格方案

仿真研究采用重疊網格來實現車輛在路面行駛通過側風帶的情況，車體的運動類型為平移。主域采用切割體非結構化網格劃分，建筑和車身進行了適當加密處理，表面最小網格尺寸為5mm，體網格數量為796萬。從域采用“三棱柱邊界層網格＋六面體切割體”混合網格模型，車身表面利用邊界層網格進行加密[11]，邊界層厚度為2cm，邊界層數量為6，表面最小網格尺寸為5mm，體網格數量為502萬。圖5為計算域和車身網格分布情況。

使用商用軟件STAR-CCM＋進行計算，其具有計算結果精確、收斂性好的特點[12]。

圖5 計算域網格分布

2.2 邊界條件設置

根據大多數城市中的風況，研究中選用10m/s的側風風速(用入口速度實現)，相當于5級風，車輛行駛速度選15m/s[12]。主要邊界條件設置如表1所示。

表1 邊界條件設置情況

3 仿真結果分析

采用動網格仿真方法，模擬車輛從靜止以穩定速度向前行駛的實際情況。為使重型商用車周圍的流場能夠達到穩定，需要對重型商用車處于開闊路段(與圖1中方案唯一的不同點是沒有建筑物)時的氣動特性進行仿真研究，圖6為重型商用車行駛于開闊路段(有側風)從靜止開始行駛時氣動六分力系數(阻力系數Cd、升力系數Cl、側向力系數Cs、橫擺力矩系數Cym、縱傾力矩系數Cpm和俯仰力矩系數Crm)隨時間的變化圖。從圖6中可知，當重型商用車行駛了1.2s左右，各項氣動系數才趨于穩定，即整個計算域處于均勻的氣流分布狀態，下文中結果分析均以2s開始，保證了計算結果的準確性。

3.1 氣動力系數和氣動力矩系數分析

圖7為重型商用車的行程和時間示意圖。圖中標示了重型商用車通過每條側風通道過程中的特殊位置[13]，其中雙點劃線表示重型商用車完全處于建筑物背風側；虛線表示車身前半部分處于側風通道中，而后半部分處于建筑物背風側；實線表示車身中部正對側風通道；點劃線則表示車身前半部分處于建筑物背風側，而后半部分處于側風通道中。車輛以15m/s的速度行駛，全程210m，歷經14s。

圖6 開闊路段氣動六分力系數變化圖

圖7 行程時間和特殊位置示意圖

圖8 分別為重型商用車全程的阻力系數Cd、側向力系數Cs和橫擺力矩系數Cym變化圖。

與其他類型車輛相比，載貨車的阻力系數Cd更容易受偏航角的影響，即Cd值隨著偏航角的增加而增大[14]。這解釋了圖8(a)體現的現象，當車身開始駛入側風通道后，側風速度迅速增加，從而偏航角隨之增大，進而阻力系數也會增大。但在前后建筑物遮蔽作用下形成的流場會互相干擾，Cd值波動較頻繁。從圖8(b)和圖8(c)中可以看出，側向力和橫擺力矩系數的變化受側風影響明顯，并呈一定的規律性，即車體連續通過多個建筑物及側風通道過程中，氣動系數變化具有重復性。當重型商用車駛入建筑物背風側時側向力系數迅速下降，隨著車身駛入側風通道，側向力系數也隨之增大，而且隨著側風通道寬度的增加，側向力系數的峰值也隨之增大，7.2，9.6和13s時的峰值分別為3.738，6.437和7.430。當重型商用車車身一部分處于側風中，另一部分被建筑物遮擋時，即點劃線和虛線所示位置附近，其橫擺力矩系數達到最大值15.95。

表2和表3分別為重型商用車特殊時刻的橫擺力矩和側傾力矩的變化情況。從表2中可看出，6.7～7.5s內，道路上氣流的變化引起車輛周圍流場變化，直接導致橫擺力矩變化率高達35.6kN·m/s；8.5～9.4s的側傾力矩大幅度變化，變化率達19.7kN·m/s，這種劇烈的變化對車輛的行駛存在極大的安全隱患，尤其是當駕駛員出現駕駛疲勞時，更難以操控車輛，容易發生交通事故。

3.2 流場分析

圖9為重型商用車通過第一條側風通道時L/2橫向截面上的速度矢量圖。t＝4s時刻，車體處于建筑物背風側，側風氣流流經建筑物頂端后，在背風側形成較大漩渦并作用在車身表面，使車身背風側變成了暫時性的迎風側。t＝4.5s時，車身進入側風通道，迎風側恢復為初始時的一側，漩渦逐漸遠離車身，作用減弱。這也解釋了側向力系數在車體通過第一條側風通道過程中的變號現象。

圖8 氣動力和力矩系數變化圖

表2 橫擺力矩變化量

表3 側傾力矩變化量

圖9 L/2截面及中心縱截面上速度矢量圖

重型商用車正對3條側風通道時，側風通道寬度越大，車身周圍高速氣流范圍也越大，尤其是尾部渦流范圍和速度越大，與車頭部壓力差越大，其阻力系數越大。4.6，7.1和9.9s時阻力系數分別達到0.695，0.942和1.741，且在9.9s時阻力系數達到最大，即車輛受的阻力最大，駕駛員操控車輛的難度增加。3個時刻均處于側向力系數和橫擺力矩系數急劇變化的狀態，側向力和橫擺力矩導致車輛擺動，造成穩定性惡化。當車身前半部分處于側風中，后半部分處于建筑物背風側時，隨著側風氣流寬度和強度的增加，車身迎風側高壓區前移，側向力也隨之增加，背風側相對后移，造成車體前后側向壓力值不平衡，橫擺力矩增大。車輛的行駛穩定性存在潛在威脅，乘員、隨行的車輛和行人也將面臨巨大的潛在危險。況且，當側風的角度發生變化時，汽車的氣動特性更加復雜多變[5]，危險系數進一步提高。

4 結論

通過數值模擬，可得出以下結論:

(1)側風通道長寬比小于1的情況下，隨著長寬比的增加重型商用車各氣動力和力矩系數的極值(絕對值)隨之增大；

(2)重型商用車進出側風帶時，橫擺力矩變化率最高達35.6kN·m/s，側傾力矩變化率達19.7kN·m/s，這種由氣流突變帶來的行駛穩定性隱患極大；

(3)重型商用車經過有側風的地帶時，尤其有突變側風的地帶，駕駛員應當提高警惕，保證行車安全。

模擬研究雖對重型商用車的某一典型非穩態側風特性得出了具有一定規律性的結論，但僅研究了3種不同寬度側風通道的工況。考慮到實際環境中側風帶的復雜性，在今后的研究中還要增加側風通道寬度種類、車速變化和風速變化[15]等工況，找出更為普遍且全面的側風氣動特性規律。

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A Simulation on the Aerodynamic Characteristics of a Heavy Commercial Vehicle Subjected to Intermittent Crosswind

Yu Weijing，Zhang Yingchao，Ren Linlin＆Su Chang
Jilin University，State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Changchun 130022

The changing law of instantaneous aerodynamic characteristics has significant effects on the driving of vehicle when it is running through intermittent crosswind area.Accordingly，an aerodynamic numerical simulation is conducted in this paper on the process of a heavy commercial vehicle running through crosswind area on urban road with a length-width ratio less than 1 formed by successive buildings separated by different distances，to study the changing law of its aerodynamic characteristics in that driving process.The results show that the crosswind areas with different length-width ratios formed by buildings have intensive effects on the flow field and aerodynamic characteristics of heavy commercial vehicles，with a changing rate of yaw moment reaching up to 35.6kN·m/s and the peak of aerodynamic force rises with the increase of length-width ratio.

heavy commercial vehicle；aerodynamics；numerical simulation；intermittent crosswind

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.007

原稿收到日期為2016年3月1日，修改稿收到日期為2016年5月31日。

張英朝，副教授，E-mail:yingchao＠jlu.edu.cn。