會車瞬態氣動特性對操縱穩定性的影響

王靖宇，惠 政，于旭濤，胡興軍

(吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

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會車瞬態氣動特性對操縱穩定性的影響

王靖宇，惠 政，于旭濤，胡興軍

(吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

采用重疊網格的方法，以2個簡化的SAE模型為研究對象，對會車過程進行了數值模擬研究。在極短的會車過程中，影響操縱穩定性的側向力、橫擺力矩和側傾力矩不僅分別有極值出現，且方向也發生了改變。在此基礎上，將瞬態變化的氣動力載荷施加到整車系統動力學模型上進行仿真，探究瞬態氣動力的變化對操縱穩定性所產生的影響。仿真結果表明：在瞬態氣動力的作用下，兩車均會產生側向滑移角、橫擺角速度及側傾角速度，雖然數值較小，但也會對車輛的操縱穩定性帶來一定的影響。

會車；重疊網格；數值模擬；瞬態氣動特性；操縱穩定性

汽車在道路上行駛，經常出現超車和會車的情況，兩車之間的流場相互干擾，影響車輛的操縱穩定性[1-2]。目前，國內外汽車空氣動力學對會車及超車的研究主要集中在會車及超車過程中瞬態氣動力的變化、速度和間距等對瞬態氣動力的影響方面[3-4]。在會車過程中，瞬態氣動力的變化會對車輛的操縱穩定性帶來一定的影響，關于此方面的研究還非常少見。

本文采用重疊網格的方法，對兩個簡化SAE模型的會車進行數值模擬研究，獲得了兩車氣動六分力的瞬態變化規律，并將瞬態氣動力施加到整車系統動力學模型上進行仿真，探究瞬態氣動力的變化對操縱穩定性所產生的影響。

1 瞬態數值模擬

1.1 應用重疊網格方法進行外流場瞬態模擬的試驗驗證

應用重疊網格的方法對直線行駛的SAE模型進行了瞬態數值模擬，獲得了氣動六分力的數值及模型周圍的速度場和壓力場分布，并將數值模擬結果與風洞試驗結果進行對比。風洞試驗在吉林大學汽車風洞實驗室進行，試驗段尺寸為8 m×4 m×2.2 m，地板為固定地板，如圖1所示。

圖1 風洞試驗

將風洞試驗的結果與數值模擬結果進行對比，氣動六分力的誤差小于5%，滿足工程要求。數值模擬得到的SAE模型周圍的速度和壓力分布與風洞試驗結果也比較吻合，說明應用重疊網格方法對汽車外流場進行瞬態數值模擬研究的計算結果準確可靠[5]。

1.2 SAE模型和計算域

本文的研究對象為1∶1的階背式SAE模型，模型關鍵尺寸如圖2所示。SAE模型是非常簡單的汽車形體模型，沒有車輪，僅對幾個平面和棱角進行倒角處理，在汽車底部設置擴散器。在汽車空氣動力學的研究中，SAE模型獲得了廣泛的應用[6-7]。

圖2 SAE模型尺寸

在CATIA軟件中建立SAE模型，最大的外邊界尺寸為4 200 mm×1 600 mm×1 200 mm，離地間隙為200 mm。模型周圍較小的長方體是從域，尺寸為8 500 mm×3 250 mm×3 250 mm，如圖3所示，整個計算域是主域。

圖3 SAE模型

為了保證計算結果的準確性，整個計算域的尺寸要足夠大，使車輛周圍的流場尤其是尾部的流場能充分發展[8-9]，見圖4。

1.3 網格劃分

在數值模擬中，網格的劃分對計算結果有很大的影響[10-11]。本文在STAR-CCM+軟件中進行trim網格的劃分。底部擴散器的網格尺寸為7.812 5 mm，SAE模型其他部分的網格尺寸為 15.625 mm，模型表面最大的網格尺寸為31.25 mm，劃分10層邊界層，最終生成的計算域網格如圖5所示。

圖4 計算域

圖5 計算域網格

從域邊界處的網格尺寸是62.5 mm，網格尺寸每8層增長1倍，同時保證從域和主域重疊部分的網格不少于4層。計算域外邊界的網格尺寸為500 mm。將會車車道部分的網格進行加密處理，網格尺寸為62.5 mm。網格尺寸每10層增長1倍，最終生成了 1 000 萬左右的網格。

1.4 邊界條件及湍流模型

主域的地面為滑移壁面，其余的邊界是壓力出口邊界。從域的頂壁和車身表面是無滑移壁面，其余的邊界是重疊域交界面。

車輛外流場的空氣流動可以看作是定常溫度下的不可壓縮流動，流場的控制方程包括時均連續方程和雷諾方程。汽車為近地面行駛的鈍頭體，車輛周圍的流動非常復雜，流線的曲率變化較大，同時需要很好地模擬車身表面的邊界層流動。本次數值模擬采用了realizablek-ε湍流模型[12]，它適合的流動類型比較廣泛，同時對邊界層的模擬結果相比標準k-ε模型準確。

2 數值模擬結果

兩車的間距指的是兩車車頭前端之間的相對距離，記為x，用SAE模型的長度l來標準化。2個模型沿各自車道的中心線行駛，速度均為20 m/s。在會車的過程中，2個模型間的橫向距離始終保持不變，為1倍車寬，1.75 m，左側車為CAR1，右側車為CAR2。

2.1 瞬態氣動力變化規律

從圖6～8可以看出：在會車過程中，氣動阻力、氣動升力和縱傾力矩的數值隨著兩車位置的變化而不斷改變，分別有極值出現。氣動升力和縱傾力矩的改變會使前后軸的載荷發生改變，進而導致車身運動狀態的變化，這會給車輛的舒適性帶來一定的影響。

從圖9～11可以發現：在極短的會車過程中，側向力、側傾力矩和橫擺力矩的方向發生了多次改變，數值也在不斷的變化中，分別有正負極值出現，這必將對車輛的操縱穩定性帶來一定的影響。

圖6 氣動阻力

圖7 氣動升力

圖8 縱傾力矩

圖9 側向力

圖10 側傾力矩

圖11 橫擺力矩

在Adams軟件中建立整車系統動力學模型，將空氣動力學仿真得出的氣動力和力矩的瞬態數據通過不斷累加的step函數輸入，力的施加點為空氣動力學參考點，進行整車系統動力學仿真，探究會車過程中瞬態氣動力的變化對操縱穩定性的影響。

在極短的會車過程中，整車產生了側向滑移角、橫擺角速度和側傾角速度，雖然數值較小，但處在不斷的變化中，會影響整車的側偏特性和側傾安全性。系統動力學的模擬結果說明：瞬態氣動力的變化會對車輛的操縱穩定性帶來一定的影響。

圖12 側向滑移角

圖13 橫擺角速度

圖14 側傾角速度

3 結論

本文采用數值模擬的方法，對兩個簡化SAE模型直線會車過程中的瞬態氣動特性進行了研究，在此基礎上，將瞬態氣動力導入Adams模型，進行系統動力學分析，得出了如下結論：

1) 極短的會車過程中，氣動六分力分別有極值出現，側向力、側傾力矩和橫擺力矩的方向都發生了改變。

2) 在側向力、側傾力矩和橫擺力矩的作用下，兩車均會產生一定的側向滑移角、橫擺角速度和側傾角速度，這將對車輛的操縱穩定性帶來一定的影響。

[1] 李杰，張英朝，張喆，等.轎車大客車會車時的氣動特性[J].同濟大學學報(自然科學版)，2010，38(2)：278-284.

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[3] KENJI OKUMURA,TOSHIHIKO KURIYAMA.Transient aerodynamic simulation in cross wind and passing an automobile[C]//SAE World Congress & Exhibition.Detroit:SAE paper,1997:970404.

[4] 胡興軍.車輛超車與會車時氣動特性的動態模擬研究[D].長春：吉林大學,2006.

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(責任編輯 楊黎麗)

The Influence of Vehicle Transient Aerodynamic Characteristics on the Steering Stability During the Curve Crossing

WANG Jing-yu, HUI Zheng, YU Xu-tao, HU Xing-jun

(State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University, Changchun 130022, China)

. The method of overlapping grid was applied to numerically simulation. The transient aerodynamic characteristics of the flow fields around two simplified model SAE were studied when they crossed each other. During the short crossing, side force, yawing moment and rolling moment, which will affect steering stability, changed direction, quickly reached their positive and negative value. On this basis, the transient aerodynamic forces were applied on vehicle system dynamic model for simulationto study the influence on handling stability. The simulation results show that under the action of transient aerodynamic forces, both vehicles will generate lateral slip angle, yawing angular velocity and rolling angular velocity. Although the values were small, it would have some influence on the handling stability.

crossing;overlapping grid;numerical simulation; transient aerodynamiccharacteristics;steering stability

2016-08-25 基金項目：國家自然科學基金資助項目(11102070)

王靖宇(1976—)，男，博士，副教授，主要從事汽車空氣動力學研究，E-mail：wangjy@jlu.edu.cn；通訊作者 胡興軍(1976—)，男，教授，博士生導師，主要從事車身工程研究，E-mail: hxj@jlu.edu.cn。

王靖宇，惠政，于旭濤，等.會車瞬態氣動特性對操縱穩定性的影響[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(11):7-11.

format：WANG Jing-yu, HUI Zheng, YU Xu-tao, et al.The Influence of Vehicle Transient Aerodynamic Characteristics on the Steering Stability During the Curve Crossing[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):7-11.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.002

U461

A

1674-8425(2016)11-0007-05