劉　洋， 宇仁德， 宋林瀟

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

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側(cè)風(fēng)對(duì)行車安全影響分析

劉洋， 宇仁德， 宋林瀟

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

摘要：以獲得不同強(qiáng)度側(cè)風(fēng)作用下汽車所受橫擺力矩及升力的大小為目的，運(yùn)用仿真軟件Fluent對(duì)三種不同強(qiáng)度風(fēng)力作用下高速行駛轎車所受橫擺力矩與升力大小做出對(duì)比，結(jié)果顯示車速一定而側(cè)風(fēng)強(qiáng)度增加時(shí)，汽車所受的橫擺力矩及升力會(huì)隨側(cè)風(fēng)強(qiáng)度的增加而增加,威脅到汽車的行車安全.

關(guān)鍵詞：側(cè)風(fēng)；流體力學(xué)； 數(shù)值模擬； 橫擺力矩； 升力； 行車安全

隨著近年高速道路的迅猛建設(shè)、汽車外形設(shè)計(jì)優(yōu)化和汽車動(dòng)力系統(tǒng)性能的提升，汽車行駛速度得到了很大的提升.汽車高速行駛時(shí)對(duì)側(cè)風(fēng)敏感性較高，因而側(cè)風(fēng)對(duì)高速行駛的汽車行駛安全會(huì)產(chǎn)生較大的威脅[1-2].

高速汽車在側(cè)風(fēng)作用下其風(fēng)壓中心和質(zhì)心之間存在一定的距離，因而會(huì)產(chǎn)生橫擺力矩，使汽車發(fā)生側(cè)滑，影響行駛安全[3].而汽車在側(cè)風(fēng)作用下產(chǎn)生的氣動(dòng)升力會(huì)使汽車輪胎與地面阻力減小，影響汽車行駛中的制動(dòng)性能，增加側(cè)風(fēng)對(duì)汽車行駛安全的威脅.經(jīng)過一些對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，仿真?zhèn)蕊L(fēng)作用下的車輛周邊流場(chǎng)與模型試驗(yàn)吻合度很高[4],本文研究選用流體仿真軟件并參考較為成熟的列車在側(cè)風(fēng)作用下獲得氣動(dòng)系數(shù)的模擬方法[5-7]，對(duì)穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)作用下高速汽車進(jìn)行數(shù)值模擬分析.

1湍流模型

汽車行駛速度低于聲速，因此汽車的周邊流場(chǎng)可以看作三維不可壓縮粘性等溫流場(chǎng)，由于汽車外形較為復(fù)雜容易引起分離，所以應(yīng)該按湍流處理[8].

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是在關(guān)于湍動(dòng)能k方程的基礎(chǔ)上引入一個(gè)關(guān)于湍動(dòng)耗散率ε的方程[9].其基本方程如式(1)和式(2)：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

2仿真計(jì)算設(shè)置

2.1幾何模型建立

研究所采用轎車模型如圖1所示，本課題用Gambit來構(gòu)建三維模型.考慮到網(wǎng)格劃分的數(shù)目大小、計(jì)算機(jī)的內(nèi)存、計(jì)算時(shí)間等因素，把原模型縮小了10倍，采取10∶1比例建立模型.縮小后的模型總長452.3mm，總寬177.5mm，總高146.7mm.構(gòu)建的模型簡化了轎車車身的細(xì)部結(jié)構(gòu)，簡化了雨刮器、后視鏡等一些細(xì)節(jié)裝置.

由于轎車是對(duì)稱的，因此計(jì)算時(shí)只需計(jì)算一半即可，減少一半的計(jì)算量.

圖1　轎車半車模型

2.2創(chuàng)建風(fēng)洞計(jì)算域

從理論上講，只有從無限的距離計(jì)算車外邊界才是最為精確的，但在實(shí)際計(jì)算中，若根據(jù)施加的入口和出口邊界條件要求的數(shù)值計(jì)算，流場(chǎng)應(yīng)對(duì)車輛的影響最小，所以計(jì)算域的大小應(yīng)足夠大.整個(gè)計(jì)算域是一個(gè)矩形網(wǎng)格，標(biāo)準(zhǔn)的微型車領(lǐng)域應(yīng)近似為：入口距離模型車車長的3倍，出口距模型車車長的6倍，寬度的計(jì)算域是車輛寬度的12倍，車輛高度高6倍，考慮計(jì)算機(jī)容量應(yīng)該適當(dāng)選擇合理的網(wǎng)格劃分來實(shí)現(xiàn)研究目的.因此計(jì)算域的定義如下：長度是模型車長度的10倍，高度是車高的6倍，寬度是車寬的10倍.模型是中心對(duì)稱的，因此只畫一半，以縮小計(jì)算域減少計(jì)算負(fù)荷，在這樣的汽車流場(chǎng)數(shù)值模擬的計(jì)算域中進(jìn)行計(jì)算模擬，汽車不再受流場(chǎng)計(jì)算域的大小影響.最終計(jì)算域的大小確定為：

汽車的前部計(jì)算域長為

3L=3×452.3mm=1356.9mm.

汽車的側(cè)面計(jì)算域?qū)挒?/p>

4.5W=4.5×177.5mm=798.75mm.

汽車的上部計(jì)算域高為

4H=4×146.7mm=586.8mm.

汽車的后部計(jì)算域長為

6L=6×452.3mm=2713.8mm.

汽車的輪胎與計(jì)算域的下表面相接觸，詳情見圖2.

圖2　轎車半車數(shù)值模擬計(jì)算域

2.3網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

在對(duì)車輛及其所在計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，為保證其計(jì)算精度，采用了較細(xì)的網(wǎng)格劃分.車身表面形狀復(fù)雜，為產(chǎn)生良好的貼體網(wǎng)格，本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.圖3為 整個(gè)計(jì)算域?qū)ΨQ面上的網(wǎng)格劃分.

圖3　整個(gè)計(jì)算域?qū)ΨQ面上的網(wǎng)格

邊界條件設(shè)置：

(1)設(shè)置車體前面的面和右側(cè)面為速度入口邊界:前方入口速度為33m/s,另一個(gè)入口速度分別設(shè)置為15m/s，18m/s和20m/s,分別代表7、8、9級(jí)風(fēng)力進(jìn)行仿真計(jì)算.壓強(qiáng)為大氣壓.溫度為300k.湍流強(qiáng)度k為0.04湍流耗散率ε為0.025.

(2)設(shè)置車體后面的面為壓力出口邊界，相對(duì)于大氣壓的壓力為0.

(3)設(shè)置方塊對(duì)稱面上的兩個(gè)面為對(duì)稱的邊界類型.

(4)設(shè)置方塊的頂面和對(duì)稱面相對(duì)的側(cè)面為對(duì)稱的邊界類型.

(5)設(shè)置車體的所有面為wall，車身表面為固定壁面，各方向速度均為零，U=V=W=0.

空氣的密度是ρ=1.225kg/m3，動(dòng)力粘度μ=1.7894×10-5kg/ms.

2.4網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

在用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大.若網(wǎng)格數(shù)量太少，達(dá)不到所要求的精度.若網(wǎng)格劃分過于密集，則對(duì)計(jì)算內(nèi)存要求較高，且計(jì)算時(shí)間會(huì)增加，因此確定網(wǎng)格劃分的數(shù)量是一個(gè)關(guān)鍵問題.目前對(duì)于這個(gè)問題，普遍采用網(wǎng)格的獨(dú)立性驗(yàn)證.本文在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)于側(cè)風(fēng)作用于車輛的計(jì)算域，采用了4種劃分方案，并按車輛以33m/s(約為120km/h)行駛，速度為15m/s的側(cè)風(fēng)作用時(shí)車輛所受的橫擺力矩作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算結(jié)果見表1.

表1不同網(wǎng)格劃分時(shí)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

網(wǎng)格數(shù)量橫擺力矩/N·m相對(duì)前一種方案變化/%方案一1104412-90676.772方案二1321581-91248.5310.631方案三1625321-91851.7850.661方案四2158604-92551.2370.762

從表1可以看出，方案二的結(jié)果比方案一相對(duì)變化已經(jīng)小于2%，再繼續(xù)細(xì)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大.方案二不僅滿足了計(jì)算所要求的精度，而且避免了網(wǎng)格數(shù)過多而導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長的問題，因此選用方案二的網(wǎng)格劃分.

3仿真及結(jié)果分析

Fluent軟件提供了多種湍流模型，根據(jù)汽車流場(chǎng)的完全湍動(dòng)特點(diǎn)，最終選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε的湍流模型進(jìn)行仿真計(jì)算.

計(jì)算方法選擇穩(wěn)態(tài)情況下的SIMPLE算法.在迭代計(jì)算的時(shí)候，要選擇合適的松弛因子，松弛因子的設(shè)定直接決定迭代是否收斂及數(shù)值模擬的成敗.松弛因子可以調(diào)節(jié)迭代收斂速度.選用大的松弛因子可以使計(jì)算速度加快，但得不到精確的計(jì)算結(jié)果，松弛因子選的過小則會(huì)降低計(jì)算的速度.在差分格式中，壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)的，動(dòng)量項(xiàng)、湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散項(xiàng)車速采用一階迎風(fēng)格式.

本次仿真設(shè)定車輛車速120km/h，側(cè)風(fēng)速度分別為15m/s、18m/s、20m/s進(jìn)行模擬仿真.

3.1側(cè)風(fēng)大小對(duì)橫擺力矩大小的影響

由仿真模型的坐標(biāo)可知，橫擺力矩是使汽車?yán)@坐標(biāo)y軸旋轉(zhuǎn)的力矩.其在三種不同等級(jí)風(fēng)速作用下的橫擺力矩仿真結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示.

圖4　側(cè)風(fēng)風(fēng)速15m/s汽車所受橫擺力矩

圖5　側(cè)風(fēng)風(fēng)速18m/s汽車所受橫擺力矩

圖6　側(cè)風(fēng)風(fēng)速20m/s汽車所受橫擺力矩

由圖可以看出橫擺力矩會(huì)隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速增加而增大.橫擺力矩系為負(fù)數(shù)，說明側(cè)風(fēng)的作用點(diǎn)在車輛重心的前面.汽車在z軸方向受到側(cè)向力，從而產(chǎn)生繞y軸回轉(zhuǎn)的橫擺力矩.橫擺力矩會(huì)使車輛隨著風(fēng)的方向擺動(dòng)，嚴(yán)重影響車輛行駛時(shí)的方向穩(wěn)定性.

3.2側(cè)風(fēng)大小對(duì)氣動(dòng)升力大小的影響

汽車在不同強(qiáng)度風(fēng)速作用下產(chǎn)生的氣動(dòng)升力作用點(diǎn)相同，即產(chǎn)生升力力矩的力臂相同，因此可從氣動(dòng)力矩的變化判斷出氣動(dòng)升力的變化.三種不同強(qiáng)度側(cè)風(fēng)作用下的升力力矩仿真結(jié)果如圖7、圖8、圖9所示.

圖7　側(cè)風(fēng)風(fēng)速15m/s汽車所受升力力矩

圖8　側(cè)風(fēng)風(fēng)速18m/s汽車所受升力力矩

圖9　側(cè)風(fēng)風(fēng)速20m/s汽車所受升力力矩

通過對(duì)比圖7、圖8、圖9可看出，隨著側(cè)風(fēng)強(qiáng)度的增加升力力矩增加，即升力是隨側(cè)風(fēng)強(qiáng)度增大而增加的.氣動(dòng)升力的增加會(huì)使得行駛中的汽車與地面之間的附著力降低.如果其值過大或者分布不當(dāng)有可能使轉(zhuǎn)向輪失去轉(zhuǎn)向力，使驅(qū)動(dòng)輪失去牽引力，影響汽車的操作穩(wěn)定性.輕型汽車，特別是重心靠后的汽車，對(duì)前輪的升力特別敏感.當(dāng)氣動(dòng)升力達(dá)到一定范圍，將直接威脅到行車安全.

4結(jié)束語

通過三種仿真結(jié)果的分析，可以發(fā)現(xiàn)側(cè)風(fēng)對(duì)高速行駛汽車的行駛安全有重要影響，側(cè)風(fēng)強(qiáng)度的變化改變了汽車周圍氣流的流動(dòng)，直接影響車身所受的橫擺力矩與升力大小變化.橫擺力矩會(huì)導(dǎo)致車身沿著側(cè)風(fēng)的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，降低汽車的行駛穩(wěn)定性和車輛的操縱性能，而升力則會(huì)使汽車與路面附著力減小降低了汽車的制動(dòng)與轉(zhuǎn)向性能.

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(編輯：劉寶江)

Elementary study on the influence of cross wind on driving safety

LIU Yang, YU Ren-de, SONG Lin-xiao

(School of Transportation and Vehicle Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255049， China)

Abstract:To investigate the influence of the different crosswind on vehicle yaw moment and lifting force, we use imitation software fluent high-speed vehicle's yawing moment and lift force in three different strength of the crosswind.The results show that when the vehicle′s speed is certain the yaw moment and lift force will increase with the increase of crosswind,which is a threat to the safety of driving.

Key words:crosswind; fluid mechanics; numerical simulation; yaw moment; lift force; traffic safety

中圖分類號(hào)：X913.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-6197(2016)03-0070-04

作者簡介：劉洋，女，liuyang_8908@163.com； 通信作者： 宇仁德 ，男，yrd65@sina.com

收稿日期：2015-04-25