谷正氣，豐成杰，陳陣，黃泰明，譚鵬

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點(diǎn)實驗室，湖南，長沙 410082；2.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南，株洲 412007)

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汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的雙向耦合方法研究

谷正氣1，2，豐成杰1，陳陣2，黃泰明2，譚鵬2

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點(diǎn)實驗室，湖南，長沙 410082；2.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南，株洲 412007)

基于汽車空氣動力學(xué)與系統(tǒng)動力學(xué)雙向耦合提出了一種Fluent與Matlab的在線耦合算法. 并對側(cè)風(fēng)工況下某微型面包車的氣動以及穩(wěn)定性進(jìn)行研究. 汽車在9 m/s的穩(wěn)定側(cè)風(fēng)環(huán)境下行駛1 s，雙向耦合方法相對于傳統(tǒng)的單向耦合方法計算得到的汽車側(cè)向位移、側(cè)向力、橫擺力矩分別減小3.3%，4.8%，17.8%，相應(yīng)的汽車側(cè)向速度、橫擺角速度等的差距都超過了6.0%. 并且這種差距會隨著作用時間的增加逐漸增大. 結(jié)果表明：車輛運(yùn)動狀態(tài)受氣動力的影響不能忽視；汽車的側(cè)向力并不一定隨著橫擺角變大而增大，要綜合考慮汽車的側(cè)向速度與橫擺角速度的影響；雙向耦合方法建立了汽車空氣動力學(xué)與系統(tǒng)動力學(xué)之間的緊密聯(lián)系，得到的結(jié)果更加切合實際.

汽車空氣動力學(xué)；系統(tǒng)動力學(xué)；雙向耦合；微型面包車

側(cè)風(fēng)最大的危害是影響汽車行駛穩(wěn)定性，由此引起的安全事故屢見不鮮，因此針對高速汽車側(cè)風(fēng)行駛穩(wěn)定性的研究具有重要的意義.

目前，針對側(cè)風(fēng)環(huán)境下高速行駛汽車氣動特性以及行駛穩(wěn)定性的研究，有靜態(tài)和動態(tài)兩種研究方法，主要通過風(fēng)洞試驗與數(shù)值計算方法實現(xiàn)[1]. 靜態(tài)研究方法一般只為獲得汽車的氣動特性，方法是將汽車模型偏轉(zhuǎn)不同角度以模擬不同來流方向的側(cè)風(fēng)，以此研究側(cè)風(fēng)大小及方向?qū)囕v氣動特性的影響[2-4]. 動態(tài)研究方法中實驗法比較局限，如動態(tài)橫擺模型，牽引模型[5-8]等都只能得到汽車運(yùn)動對其氣動特性單方面的影響，忽略汽車氣動特性對汽車運(yùn)動的影響. 動態(tài)研究方法中數(shù)值計算方法可以通過耦合空氣動力學(xué)與汽車系統(tǒng)動力學(xué)建立汽車運(yùn)動與周圍流場之間的關(guān)系. 但是空氣動力學(xué)與汽車系統(tǒng)動力學(xué)分屬兩個領(lǐng)域，耦合起來相當(dāng)困難. 傳統(tǒng)的單向耦合方法是將汽車在流場中一段時間所受到的氣動力作為輸入加載到汽車系統(tǒng)動力學(xué)環(huán)境中，研究氣動力對汽車系統(tǒng)動力學(xué)的影響，忽略了汽車運(yùn)動對氣動力的作用.

針對上述問題，文中提出了一種基于Fluent與Matlab的雙向數(shù)據(jù)交換方法，實現(xiàn)了汽車空氣動力學(xué)與汽車系統(tǒng)動力學(xué)雙向耦合. 文中主要從空氣動力學(xué)模塊、系統(tǒng)動力學(xué)模塊以及耦合模塊來詳述耦合步驟，并通過與傳統(tǒng)的單向耦合方法作對比，詳細(xì)地分析了兩種方法對于側(cè)風(fēng)下高速行駛車輛的氣動特性，以及方向穩(wěn)定性研究存在差異的機(jī)理.

1 CFD仿真計算

1.1 控制方程

Realizablek-ε模型引入了有關(guān)旋轉(zhuǎn)和曲率的內(nèi)容. 能有效地應(yīng)用于包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、射流和混合流的自由流動、管道內(nèi)流動、邊界層流動等不同類型的流動模擬，其輸運(yùn)方程為

(1)

(2)

式中：ρ為流體密度；xi、xj為坐標(biāo)軸分量；μ為流體的黏度；ut為時刻t時的速度；ui、uj為速度分量；t為時間；k為湍動能系數(shù)；ε為渦黏性系數(shù)；σk、σε分別為關(guān)于k與ε的湍流普朗特施密特數(shù)；Gk為關(guān)于k的經(jīng)驗公式；E、C1、C2、v均為常數(shù)，由實驗確定.

1.2 側(cè)風(fēng)模擬方法

文中用合成風(fēng)法來模擬運(yùn)動車輛受側(cè)風(fēng)的情形，如圖1所示.

合成風(fēng)法的主要思想是車輛與氣流運(yùn)動的相對性. 具體操作步驟：將車輛與坐標(biāo)系偏轉(zhuǎn)一個角度，入口的速度分別賦值vx、vy. Fluent會自動將來流在入口方向合成一股氣流v. 這種側(cè)風(fēng)模擬方法與實驗方法得到的結(jié)果更相符[8].

1.3 計算域及網(wǎng)格劃分

在UG軟件中建立微型面包車的1∶1實車模型，由于涉及車輛網(wǎng)格運(yùn)動，文中對模型表面的一些細(xì)小附件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚?，以減少網(wǎng)格數(shù)量，提高網(wǎng)格質(zhì)量(文中中簡化了后視鏡，側(cè)窗等部位).

CFD計算域為長方形：入口距車前端3倍車長，出口距離車尾部10倍車長，兩側(cè)向壁面距離汽車均為15倍車寬(見圖1)，域的高度為10倍車高. 計算域如圖2所示.

文中用ANLYS ICEM軟件對流體域劃分網(wǎng)格，考慮到汽車外形的復(fù)雜性，所以選用貼體性好的四面體網(wǎng)格，同時對汽車周圍的擾流區(qū)進(jìn)行多層加密. 車身表面抽取高度為1 mm的棱柱網(wǎng)格，提高近壁網(wǎng)格質(zhì)量. 如圖3所示.

1.4 計算設(shè)置

計算設(shè)置主要包括邊界條件設(shè)置、動網(wǎng)格以及其他相關(guān)設(shè)置. 壓力出口的參考壓力為0，速度入口vx=30 m/s，vy=9 m/s.

文中先用Realizable方程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算7 000步，使所有殘差都收斂到10-4以下，再改用瞬態(tài)求解. 用UDF編譯的控制程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)格運(yùn)動，運(yùn)動區(qū)域是car，運(yùn)動類型為鋼體. 動網(wǎng)格實現(xiàn)方法選擇Smoothing與Remeshing 方法. 迭代的時間步長為0.005 s，迭代200步，總時間為1 s.

1.5 風(fēng)洞實驗驗證

文中通過1∶3原模型風(fēng)洞試驗與原模型Realizablek-ε穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算對比，驗證計算方法的準(zhǔn)確性.

風(fēng)洞實驗工況：30 m/s，0°～12°，每3°采集一次數(shù)據(jù). 計算工況同上，各個偏角的對比數(shù)據(jù)如圖4所示.

實驗與數(shù)值計算的趨勢大體相同，誤差隨著偏角的增大而逐漸減小，其中最大誤差為5.7%，最小誤差為3.5%，橫擺力矩的誤差也基本上在此范圍內(nèi). 誤差存在的原因為：當(dāng)側(cè)風(fēng)比較小時，橫擺力矩與側(cè)向力的數(shù)值本身就比較小，極微小的波動就會造成比較大的誤差；在湍流模型選取或者參數(shù)設(shè)置的時候，不止考慮與側(cè)風(fēng)直接相關(guān)的側(cè)向力和橫擺力矩，同時還要兼顧汽車其他的氣動特性；實驗過程中可能存在模型安裝等問題對實驗數(shù)值造成干擾. 而工程上認(rèn)為誤差5%左右是可信的. 綜上所述，認(rèn)為實驗結(jié)果是可信的，計算方法合理.

2 車輛運(yùn)動學(xué)建模

文中側(cè)重研究側(cè)風(fēng)狀態(tài)下高速行駛汽車的氣動特性、行駛方向穩(wěn)定性. 建立的二自由度模型認(rèn)為汽車只有側(cè)向運(yùn)動與橫擺運(yùn)動兩個自由度，只考慮輪胎的側(cè)片特性，忽略輪胎的其他運(yùn)動、懸架、轉(zhuǎn)向、傳動等因素的影響. 汽車受到的空氣作用側(cè)向力與橫擺力矩為輸入，其值均由Fluent計算提供. 輪胎型號為175/65R14. 文中通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合，認(rèn)為輪胎偏轉(zhuǎn)4°以下，輪胎側(cè)偏力與偏角的關(guān)系可用表示，初始輪胎側(cè)偏角為0°. 最終的二自由度模型為

X′=AX+BU,Y=CX.

式中：X=[β ωu]T,Y=[vyωr]T分別為系統(tǒng)變量和輸出矩陣；ωr為汽車橫擺角速度；kf為前輪側(cè)偏剛度；kr為后輪側(cè)偏剛度；β為質(zhì)心側(cè)偏角；Iz為汽車?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動慣量；u為汽車行駛的速度(文中的車速恒定);vy為汽車側(cè)向行駛速度;a為質(zhì)心距前軸的距離;b為質(zhì)心距后軸的距離;A，B，U，C分別為前輪系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣、輸入矩陣、外界輸入、輸出矩陣.

3 Fluent與Matlab雙向耦合方法

通常按照汽車空氣動力學(xué)與系統(tǒng)動力學(xué)的耦合關(guān)系可分為雙向耦合和單向耦合. 單向耦合是傳統(tǒng)的研究側(cè)風(fēng)汽車穩(wěn)定性的方法，以文中研究的Fluent與Matlab耦合而言，是先在Fluent中計算汽車在側(cè)風(fēng)環(huán)境下1s所受到的空氣作用側(cè)向力Fy與橫擺力矩Mz，將Fluent每一步計算結(jié)果作為輸入加載到Matlab里. 傳統(tǒng)單向耦合研究汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性時，只考慮Fluent對Matlab的單方面影響，沒有考慮汽車運(yùn)動與周圍流場的緊密作用關(guān)系. 使得該方法的準(zhǔn)確性受到質(zhì)疑.

文中研究基于Fluent與Matlab的雙向耦合算法. 汽車空氣動力學(xué)部分用Fluent計算，系統(tǒng)動力學(xué)部分用Matlab計算，耦合實現(xiàn)方法如圖5所示.

通過編程，F(xiàn)luent與Matlab都被賦予兩個狀態(tài)：計算狀態(tài)、掃描狀態(tài). 在Fluent穩(wěn)態(tài)計算結(jié)束以后，開啟瞬態(tài)計算. 首先在得到t=0.005 s時的汽車側(cè)向力Fy與橫擺力矩Mz后，將Fy與Mz存入目標(biāo)文件夾，F(xiàn)luent關(guān)閉計算狀態(tài)，進(jìn)入掃描狀態(tài). 在此之前Matlab一直處在掃描狀態(tài)，當(dāng)掃描到目標(biāo)數(shù)據(jù)后，掃描狀態(tài)終止，進(jìn)入計算狀態(tài)，將得到的車側(cè)向速度vy與橫擺角速度ωr，通過DEFINE_CG_MOTION函數(shù)將當(dāng)前時間步的速度vy與ωr賦給汽車壁面(邊界類型wall)，實現(xiàn)壁面運(yùn)動，同時啟動動網(wǎng)格，實現(xiàn)汽車周圍網(wǎng)格更新，再計算當(dāng)前時間步汽車受到的Fy與Mz，如此往復(fù). 計算步驟如圖6所示.

4 計算結(jié)果與分析

4.1 工況設(shè)置

文中選擇較為常見的5級側(cè)風(fēng)，風(fēng)速為9 m/s. 同時參考人的反應(yīng)時間與機(jī)械轉(zhuǎn)動時間，設(shè)置側(cè)風(fēng)環(huán)境汽車行駛的時間為1 s.汽車行駛速度設(shè)為30 m/s.

4.2 瞬態(tài)氣動力與車輛穩(wěn)定性計算結(jié)果

車身表面壓力云圖如圖7～圖8所示. 在初始時刻汽車表面的壓力云圖變化不大，隨著時間的增長迎風(fēng)面與背風(fēng)面車身表面壓力都有明顯的變化. 迎風(fēng)面的正壓區(qū)逐漸減小，變化區(qū)域較大. 背風(fēng)面的正壓逐漸增大，變化區(qū)域較小. 圖9～圖12分別為雙向耦合與單向耦合方法得到的汽車瞬態(tài)側(cè)向力、橫擺力矩、側(cè)向速度，以及橫擺角速度的時間曲線. 由曲線的走勢可知兩種方法之間的相對差距，會隨著側(cè)風(fēng)的增大和作用時間的增長而變大.

4.3 結(jié)果分析

雙向耦合計算時，汽車由于受到氣流的作用會發(fā)生側(cè)向移動，橫擺運(yùn)動. 所以就會產(chǎn)生側(cè)向位移與橫擺角度. 隨著轉(zhuǎn)角的變大，來流與車的夾角就會變大. 理論上汽車受到的側(cè)力與橫擺力矩會隨著時間增大而逐漸增大，但是圖9～圖10顯示的汽車側(cè)力與橫擺力矩的變化趨勢并非如此. 為了說明分析的可靠性，作者做了另外兩個計算進(jìn)行對比驗證：車輛在氣流的作用下只做平動；車輛在氣流的作用下只做轉(zhuǎn)動. 計算得到的側(cè)向力與橫擺力矩分別如圖13～圖14所示. 通過對比發(fā)現(xiàn)：汽車轉(zhuǎn)動的確會使側(cè)向力變大，橫擺力矩絕對值變大；汽車平動會使側(cè)向力變小，橫擺力矩絕對值變小. 對于此模型還可看到，汽車的平移運(yùn)動對側(cè)向力與橫擺力矩的影響要明顯大于汽車轉(zhuǎn)動對它的影響. 側(cè)風(fēng)環(huán)境下影響汽車側(cè)力與橫擺力矩主要有兩個因素：汽車側(cè)向速度、橫擺角度. 無人為干涉的情況下，汽車的側(cè)向速度與橫擺角度都會隨著側(cè)風(fēng)作用時間的增加而增加，最后趨于恒定側(cè)向速度的方向與側(cè)風(fēng)的方向相同，會減小側(cè)風(fēng)與汽車間的相對速度從而減小側(cè)向力；此模型的質(zhì)心相對靠后，在側(cè)風(fēng)的作用下汽車與來流間的夾角會慢慢變大，從而增大側(cè)向力.

圖11說明t=0.2 s以前橫擺角度的影響占主要地位，t=0.2 s以后側(cè)向力開始變小，汽車側(cè)向速度的影響占主要地位. 由圖13可知t=0.2 s以前側(cè)向速度的變化較為平緩，在t=0.2 s以后側(cè)向速度變化迅速. 由圖14可知，在整個時間段內(nèi)，橫擺角速度的變化基本上是線性的，汽車側(cè)向速度與橫擺角速度的存在不僅會改變側(cè)力的大小，還會影響風(fēng)壓中心的位置，因此橫擺力矩的絕對值一直減小.

5 結(jié) 論

通過雙向耦合方法計算得到的汽車瞬態(tài)側(cè)向力與橫擺力矩與單向耦合方法得到的結(jié)果對比，分別相差4.8%與17.8%，側(cè)向總位移相差3.3%，橫擺角度、橫擺角速度、側(cè)向速度相對差距都超過了6%. 究其原因應(yīng)為單向耦合在Fluent計算時未考慮汽車受側(cè)風(fēng)作用而產(chǎn)生運(yùn)動狀態(tài)的變化. 而雙向耦合考慮了汽車運(yùn)動狀態(tài)的改變，認(rèn)為雙向耦合方法來分析汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性更符合實際.

側(cè)風(fēng)狀況下汽車高速行駛時側(cè)向力與橫擺力矩并不一定隨著汽車橫擺角的增大而增大，需要考慮橫擺角速度與汽車側(cè)向速度雙重疊加的影響.

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(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Research on the Two-Way Coupling Method for Vehicle in Crosswind Condition

GU Zheng-qi1，2，F(xiàn)ENG Cheng-jie1，CHEN Zhen2，HUANG Tai-ming2，TAN Peng2

(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body of Hu’nan University，Changsha， Hu’nan 410082; 2.Hunan University of Technology， Zhuzhou, Hu’nan 412007, China)

An on-line arithmetic was presented, coupling fluent with Matlab method, based on two-way coupling method of aerodynamics and system dynamics of vehicle to analysis the stability of a van in transient crosswind conditions. Compared with conventional analysis method, the new method achieves obvious results, when the van runs in crosswind condition of 9 m/s for 1 second, the final lateral displacement, force and yaw moment has a respective reduction of 3.3%、4.8% and 17.8%，the corresponding slip velocity, yaw velocity have a relative difference more than 6%. Moreover the gaps will enlarge with the time increasing. The analysis results indicate that, it should not be ignored that the aerodynamics has an effect on the state of vehicle moving; it is necessary to consider synthetically the effect of yaw and slip velocity, because the lateral force to vehicle is not always increase with yaw angle increasing; two-way coupling method has set up a close combination between aerodynamics and system dynamics of vehicle, being more suitable to actual circumstance.

aerodynamics of vehicle; system dynamics; two-way coupling method; van

2015-06-24

中央財政支持地方高校專項資金資助項目(0420036017)；湖南大學(xué)汽車先進(jìn)設(shè)計與制造國家重點(diǎn)實驗室自主課題資助項目(734215002)

豐成杰(1991—)，男，碩士生，E-mail:1216027052@qq.com.

谷正氣(1963—)，男，教授，E-mail:1062607041@qq.com.

U 461.1

A

1001-0645(2016)09-0923-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.09.008