孫露，谷正氣，楊易，楊濱徽，龔旭

(湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410082)

車輛在行駛過程中經(jīng)常會遇到超車這種復(fù)雜行駛情況。汽車超車時由于兩車的流譜發(fā)生相互干涉，引起擾流的變化，在車身上產(chǎn)生瞬時氣動力的壓力分布，并且該壓力分布在整個超車過程中迅速變化，這種變化將直接導(dǎo)致作用在汽車車身上的氣動力發(fā)生改變，導(dǎo)致汽車橫擺、側(cè)傾、側(cè)滑狀況發(fā)生變化，從而影響汽車行駛的瞬態(tài)穩(wěn)定性，嚴(yán)重時會發(fā)生交通事故。因此，分析車輛高速狀態(tài)下超車的氣動性能是必要的[1-4]。目前，國內(nèi)對車輛超車的空氣動力學(xué)研究主要是針對簡單模型對超車時的氣動力進(jìn)行分析研究。谷正氣等[5]基于SST湍流模型對轎車與轎車超車中的外流場進(jìn)行分析，得出被超車的氣動阻力系數(shù)呈先增大后減小的趨勢，且在兩轎車車頭距離與轎車車身長之比為 0.3時達(dá)到最大值，側(cè)力系數(shù)先減小后增大且方向發(fā)生變化；鄭昊等[6]通過動網(wǎng)格對兩簡化直背式模型間的間距對氣動力的影響進(jìn)行了仿真分析，得出2種間距下的兩車側(cè)向力、側(cè)傾力矩和橫擺力矩的不同變化趨勢；傅立敏等[7]采用三維瞬態(tài)數(shù)值模擬，對Ahmed模型汽車超車過程中的車速對汽車的瞬態(tài)空氣動力學(xué)特性的影響進(jìn)行了分析，表明在超車過程中，相對車速對被超車的影響很大。國內(nèi)對超車的研究多基于常用的汽車空氣動力學(xué)模型，而且一般都是在相同的車體之間進(jìn)行模擬研究。仿真中所用的轎車和卡車是基于實際車輛的模型，而且是在2個不同類型的車輛之間，這主要是因為車型相差大的車體之間氣動力變化更為復(fù)雜。在此，本文作者采用六面體網(wǎng)格，運用滑移交界面和移動網(wǎng)格技術(shù)，應(yīng)用 STAR-CD軟件對超車過程中的非定常流進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬和分析，并對比分析2輛車的氣動特性。

1 數(shù)值模擬

1.1 基本控制方程組

在通常狀態(tài)下，汽車在空曠的道路上行駛，其速度相對于聲速較低，空氣介質(zhì)物性參數(shù)應(yīng)為常數(shù)，汽車周圍流場可按不可壓縮流處理。在復(fù)雜工況下，如超車、會車、尾隨、過隧道，汽車周圍的流場是瞬態(tài)變化的，這時的流動應(yīng)按非定常流處理。因此，汽車超車時的外流場屬于黏性、非定常、不可壓縮流，具有典型的三維分離流動特性[5]，故遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒控制方程。在三維直角坐標(biāo)系中，這3個控制方程的守恒型通用形式如下：

式中：u為速度矢量；t為時間；φ為通用變量，可以代表u，v，w和T等求解變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項。對于特定的φ，Γ和S具有特定的表達(dá)式[8]。

1.2 模型的建立

本文研究的轎車模型為一階梯背轎車模型，如圖1所示，模型縮尺比例為1:10，車身長為512.5 mm，寬(帶后視鏡)為205 mm，高為147.5 mm。對模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化處理，如簡化車身底盤，將輪胎簡化為實心的圓柱形，但保留了后視鏡、雨刮器凹槽等細(xì)部特征。模型較大限度地保留了實車的主要特征，能比較準(zhǔn)確地反映所研究的內(nèi)容。

圖1 轎車幾何模型Fig.1 Car model

而所用卡車模型為一平頭型集裝箱貨車，如圖 2所示，模型縮尺比例為1:10，車身長為1 276.5 mm，寬為233.6 mm，高為348.6 mm，對模型進(jìn)行了簡化處理。

圖2 卡車幾何模型Fig.2 Truck model

1.3 計算域與網(wǎng)格劃分

轎車與卡車的超車模型中，考慮到工況比較復(fù)雜，為了減少網(wǎng)格數(shù)量和節(jié)省計算時間，使用純六面體網(wǎng)格。全域網(wǎng)格總數(shù)約350萬，主超車為轎車，被超車為卡車。模型中轎車車頭離卡車車頭初始縱向距離約為5倍轎車長，橫向間距取0.5倍轎車寬。初始時計算域如圖3所示。

圖4所示為超車移動示意圖。由圖4可知：轎車所在的移動網(wǎng)格區(qū)域以一定速度相對卡車移動，移動網(wǎng)格一側(cè)的網(wǎng)格從計算域中移除，同時從另一側(cè)的附加網(wǎng)格中添加相應(yīng)數(shù)量的網(wǎng)格，從而整個計算域網(wǎng)格數(shù)和網(wǎng)格所占空間保持穩(wěn)定。2個車域之間通過滑動交界面?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)，從而構(gòu)成整個流場[9]，這樣，2個汽車的相對位置就隨時間而變化，從而模擬汽車在路面上行駛的瞬態(tài)的超車的過程。

圖3 計算域示意圖Fig.3 Schematic diagram of calculation domain

圖4 超車移動示意圖Fig.4 Schematic diagram of moving of overtaking models

超車模擬的轎車和卡車六面體網(wǎng)格如圖5和圖6所示。

圖5 轎車周邊六面體網(wǎng)格Fig.5 Hexahedral mesh around car

圖6 卡車周邊六面體網(wǎng)格Fig.6 Hexahedral mesh around truck

1.4 邊界條件和計算參數(shù)的設(shè)置

考慮汽車的實際行駛速度，文中模擬了被超車車速為20 m/s、主超車車速為30 m/s的工況。計算域的入口設(shè)置為速度入口邊界條件，出口設(shè)置為壓力出口邊界。計算域的地面、頂面和左右側(cè)面均采用滑移壁面邊界。

超車過程瞬態(tài)時間步長為0.000 5 s。計算中使用高雷諾數(shù)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(tài)問題更有優(yōu)勢的隱式算子分割算法PISO[10]。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 主超車氣動力分析

超車過程中主超車(轎車)的阻力和側(cè)力的變化曲線如圖7所示。圖7中：X為兩車車頭的距離，以卡車的車頭為零點，以卡車行駛方向為正方向；L為轎車車身長；側(cè)力以Y軸正方向為正，Y軸負(fù)方向為負(fù)。

從圖7可以看出：轎車在超車過程中，阻力先有小幅度的波動，而后增大，達(dá)到波峰值后，再逐漸減小，隨后恢復(fù)到單車時的狀態(tài)。

圖7 轎車的阻力和側(cè)力Fig.7 Transient drag and side force of car

兩車前方的空氣受到車頭的推動形成一個高壓區(qū)，并且距車頭越近作用越強(qiáng)。當(dāng)兩車相距很遠(yuǎn)時，兩車外流相互影響較小，阻力變化很小。

當(dāng)轎車車頭與卡車車尾相遇時(X/L=-2.5)，阻力開始逐漸出現(xiàn)波動，并在兩車相遇(X/L=0)后，即兩車車頭平齊時，轎車與卡車車頭的高壓區(qū)完全匯合，此時，轎車的阻力開始迅速增大。結(jié)果表明：當(dāng)X/L=0.75時，即轎車開始駛出卡車的重影區(qū)時，阻力達(dá)到最大值，以后隨著轎車逐漸駛離重影區(qū)(X/L＞0.75)，轎車受到的阻力又減??；當(dāng)X/L＞1.5后，阻力恢復(fù)到單車時的狀態(tài)。

轎車所受到的側(cè)力在進(jìn)入重影區(qū)(X/L=-2.5)和駛出重影區(qū)后(X/L=0.75)分別達(dá)到正向的最大值和反向的最大值，轎車所受到的側(cè)力先增大后減小，達(dá)到零之后，呈反向增長，在達(dá)到反向的最大值之后又減小，隨后恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，變化趨勢呈正弦曲線，但兩峰值不相等[11]。

分析其原因，當(dāng)轎車開始接近卡車時，側(cè)力開始緩慢增加。這是因為隨著兩車靠近，轎車內(nèi)側(cè)面受到卡車車尾附近負(fù)壓區(qū)的影響，使得轎車內(nèi)側(cè)面的壓力較外側(cè)面的壓力小，壓力的不對稱導(dǎo)致轎車受到向內(nèi)的側(cè)向氣動力。在轎車與卡車的縱向距離不斷減小的過程中，轎車受卡車尾流低壓區(qū)的影響也逐漸變大，轎車向內(nèi)的側(cè)向力逐漸由小變大。圖 8所示為X/L=-2.3時的壓力圖，從圖8可以看出：轎車受向內(nèi)的側(cè)向力；當(dāng)轎車車頭與卡車車尾相遇時，縱向距離為零(X/L=-2.5)，干擾側(cè)作用面積達(dá)到最大，干擾最強(qiáng)，側(cè)力增大到正向最大值。

圖8 X/L=-2.3時兩截面壓力云圖及壓力分布Fig.8 Pressure contour and distribution when X/L is -2.3

轎車車身開始進(jìn)入與卡車車身重疊的區(qū)域，隨著兩車車身重疊區(qū)域的增大，轎車內(nèi)側(cè)面逐漸擺脫卡車尾流的影響，向內(nèi)的側(cè)力也逐漸減小，并且出現(xiàn)了反向。

隨著轎車駛出卡車的重疊區(qū)，這時轎車側(cè)面受到卡車車前的高壓區(qū)的影響，轎車受到的側(cè)向力隨著受影響側(cè)面面積的擴(kuò)大而增大。圖9所示為當(dāng)X/L=1時，轎車內(nèi)側(cè)的負(fù)壓區(qū)要少于外側(cè)的負(fù)壓區(qū)，所以，轎車有指向外側(cè)的氣動力；當(dāng)X/L=0.75時，轎車已經(jīng)駛出卡車的重影區(qū)，向外的側(cè)力達(dá)到最大值。

圖9 X/L=1時兩截面壓力分布圖Fig.9 Pressure contour and distribution when X/L is 1

最后，轎車開始遠(yuǎn)離集裝箱車，隨轎車的繼續(xù)行駛，轎車受到卡車車頭正壓區(qū)和尾流受卡車的影響逐漸變小，轎車的側(cè)向力和阻力又逐漸恢復(fù)到自由狀態(tài)[12-14]。圖10所示為當(dāng)X/L=3.9和Z=60 mm時水平截面上的壓力圖。由圖10可見：此時兩車左右兩側(cè)壓力都成對稱分布。

圖10 X/L=3.9，Z=60 mm時水平截面上的壓力圖Fig.10 Pressure contour of Z=60 mm horizontal plane when X/L is 3.9

Noger等[15]在研究汽車超車氣動特性時，得出超車過程中主超車的氣動阻力會隨超車的進(jìn)行而逐漸波動變化，而氣動側(cè)力有類似于正弦函數(shù)的變化過程。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)仿真所得結(jié)論與文獻(xiàn)[15]中的基本一致。

由仿真得出的數(shù)據(jù)可知：轎車的側(cè)力在一陣波動之后，最后的側(cè)力趨于水平，但是沒有恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)下的0 N。究其原因，這主要是在設(shè)置計算域的初始邊界條件時，設(shè)置了入口速度邊界，同時被超車是設(shè)置為靜止不動的。而從圖9所示的壓力圖一樣可以看出：轎車在超過卡車之后，轎車車身兩側(cè)的負(fù)壓區(qū)呈不對稱分布，轎車超車后，被超車卡車頭部的正壓區(qū)、側(cè)面的負(fù)壓區(qū)和尾流都還對轎車干擾側(cè)產(chǎn)生影響，使得轎車的側(cè)力不能完全恢復(fù)到0 N。

2.2 被超車氣動力分析

超車過程中被超車卡車的阻力和側(cè)力的變化曲線如圖11所示。從圖11可以發(fā)現(xiàn)：隨著X/L的變化，卡車的氣動阻力呈現(xiàn)先增大后減小最后趨于穩(wěn)定值的變化趨勢；當(dāng)X/L=-2.3左右，卡車的阻力增大到最大值，而此時恰好是轎車的車頭與卡車車尾相遇時。出現(xiàn)這個情況主要是因為當(dāng)轎車逐漸接近卡車時，卡車前部的氣流流速降低，卡車前部來流在卡車側(cè)面受到轎車的阻擋，從而前部正壓將增大；與此同時，卡車尾部的湍流區(qū)由于轎車的出現(xiàn)發(fā)生了變化，造成車尾的壓力減小，因此，總的壓差阻力增加。

圖11 卡車的阻力和側(cè)力Fig.11 Transient drag and side force of truck

隨著轎車駛?cè)胫赜皡^(qū)，卡車的阻力開始下降，當(dāng)X/L=-1時，回到常態(tài)值；當(dāng)-1＜X/L＜0時，這時轎車完全淹沒在卡車的重影區(qū)內(nèi)，轎車對卡車前端的高壓區(qū)和尾端的負(fù)壓區(qū)影響很小，阻力基本保持不變。這之后，轎車開始駛出重影區(qū)，卡車阻力出現(xiàn)減小，并當(dāng)X/L=0.5時，阻力達(dá)到最小，然后，隨著超車過程的結(jié)束恢復(fù)到穩(wěn)定值。

被超車卡車的氣動力與轎車的相比，阻力的波動趨勢不一樣，而側(cè)力變化趨勢也不相同，其達(dá)到正峰值的時間基本相同，但最大負(fù)側(cè)力的時間不一樣，而且變化的速率要大些；當(dāng)X/L=-1時，卡車的側(cè)力達(dá)到負(fù)的最大值，并且持續(xù)了一段時間波幅很小，基本趨于不變。直到轎車開始駛出重影區(qū)(X/L=0)，側(cè)力又增大，而后逐漸恢復(fù)到常態(tài)值?？ㄜ嚨臍鈩恿ο鄬I車的都要稍大一些，這主要是因為卡車體積大，車身高。被超車的阻力和側(cè)力在重影區(qū)(-1.5＜X/L＜0，此時，轎車完全淹沒在卡車的陰影區(qū)內(nèi))存在一段小幅波動。這是由于卡車車身較長，卡車車身大致可分為 2段：前一段為車頭，后一段為車廂?？ㄜ囻{駛室與車廂之間有大約0.45 m的間隙，在這個縫隙中有很強(qiáng)的氣流向兩邊溢出，對其周圍的氣流產(chǎn)生干擾。

3 結(jié)論

(1) 以某兩種實際車輛模型為研究對象，在固定車速和間距的情況下，應(yīng)用滑移交界面和動網(wǎng)格技術(shù)對該超車過程中的瞬態(tài)外流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。

(2) 在超車過程中兩車周圍的流場相互變化影響，車身受到的氣動力在極短的時間內(nèi)發(fā)生劇烈變化。主超車轎車的氣動阻力在X/L=0.75時達(dá)到最大值，而氣動側(cè)力在車頭剛駛近卡車的重影區(qū)(X/L=-2.5)和駛出卡車的重影區(qū)(X/L=0.75)時分別到達(dá)正向和反向的最大值。

(3) 被超車卡車與轎車相比，由于卡車底盤、車身高，卡車駕駛室與車廂之間有約0.45 m的間隙，阻力和側(cè)力的變化更加復(fù)雜，變化的過程不一樣，而且卡車的氣動力達(dá)到峰值的時刻與轎車的不相同，因此，超車在車身差別較大時的氣動性研究更應(yīng)得到關(guān)注。

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