唐洪濤，苗秀奇，王君帥，陳廣厚，曹 旭，董林源

（天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津 300222）

當汽車在高速超車時，車身周圍的空氣流場會產生強烈的氣動干擾，致使車輛所受的氣動力不斷發(fā)生變化，進而嚴重影響車輛行駛時的穩(wěn)定性和安全性，導致車輛發(fā)生偏移。因此，研究汽車超車過程中的氣動特性具有非常重要的意義。

傅立敏等[1]在這方面做了大量工作，他們的汽車超車過程空氣動力特性研究，為汽車超車、會車打下了堅實的基礎，分為穩(wěn)態(tài)超車、瞬態(tài)超車以及穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)超車的對比。胡興軍等[2]運用滑移交界面和動網格的方法實現(xiàn)超車模擬，發(fā)現(xiàn)橫向間距的變化，會導致氣動力系數的變化。ZHANG Yingchao等[3]運用滑移交界面和動網格，完成轎車大客車會車時的氣動特性研究，發(fā)現(xiàn)轎車氣動力系數比大客車的變化大。賀寶琴等[4]應用動網格技術，完成復數車輛超車過程中的氣動干擾特性研究，達到預期的試驗目的，得到橫擺力矩、側向力和側傾力矩、車速以及相對速度對復數車輛行駛穩(wěn)定性和安全性的影響，提出超車時應該保證兩車之間有安全的側向距離。吳允柱[5]運用動網格技術完成了轎車超車過程的模擬，發(fā)現(xiàn)隨著相對車速的改變，被超車的側向力系數和橫擺力矩系數呈線性增加。谷正氣等[6]通過動網格技術和滑移交界面技術，對兩輛車超車過程中的外流場進行了數值模擬，得到兩車的阻力、側向力的瞬態(tài)變化趨勢，同時剖析了壓力場和速度場變化規(guī)律，完成了轎車與卡車超車過程中的瞬態(tài)氣動特性分析。杜廣生等[7]進行了特定運動狀態(tài)下車輛瞬態(tài)空氣動力學特性的研究，完成了廂式貨車超車過程的模擬，同時研究了隧道對超車過程車輛瞬態(tài)氣動特性的影響，得到轎車、貨車在開闊路面和單向雙車隧道內，兩種工況下超車過程的模擬，還對車輛的外流場進行了分析，找出隧道內超車過程中被超車和主超車的氣動變化規(guī)律。

在上述研究的基礎上，采用動網格技術，對不同縱向相對位置和不同行車間距下的瞬態(tài)超車過程進行數值模擬。與上述研究不同的是，選取幾個超車過程的離散位置作為研究對象，結合瞬態(tài)壓力云圖、速度矢量圖和氣動力變化曲線，重點分析超車過程中氣動力的變化、流場的變化，并從中得出相關規(guī)律。

1　數值模擬

1.1　基本控制方程

質量守恒方程：式中：ρ為密度；t為時間；μ、υ、ω分別為速度矢量μ在x，y和z方向的分量。

動量守恒方程：

能量守恒方程：式中：Cp為比熱容；T為溫度；κ為流體的傳熱系數；ST為黏性耗散項；μ為動力粘性系數。

1.2　汽車模型的建立

選用某款運動型多用途汽車（SUV），在前處理中對汽車原幾何模型中的復雜結構進行了一定的簡化，方便超車過程的研究。汽車模型的底部進行了簡化，去掉了傳動軸、門把手、雨刮器等部件，對底盤、車輪輪輞、車窗進行光滑和平整化處理，方便數據分析。保留輪胎、車窗的凹槽等較為明顯的幾何特征，對地面與輪胎的交界處進行了特殊處理，后視鏡作為主要參考保留下來，最大限度地保留車外形的原始特征。該款SUV的三視圖如圖1所示。

圖1　汽車模型三視圖

1.3　超車模型和計算域的建立

被超車的幾何模型和主超車的幾何模型，都是選用相同的某SUV車型。為了方便表達，被超車用B car表示，主超車用A car表示，整個計算域為長方體，如圖2所示，入口至B car前部為6L，出口至A car為5L。被超車到側面距離為3W，主超車到側面距離為4W，車頂到計算域的頂部為5H，計算域的總長為13L，總寬為10W，L表示車長，W表示車寬，H表示車高。瞬態(tài)超車的示意圖如圖3所示。

圖2　瞬態(tài)超車的計算域

圖3　瞬態(tài)超車示意圖

1.4　邊界條件的設置

超車方案的邊界條件和初始條件設置見表1。

表1　超車方案的邊界條件和初始條件設置

2　瞬態(tài)超車方案設計

2.1　瞬態(tài)超車模型坐標系的建立

瞬態(tài)超車坐標系的建立，將汽車的行駛方向定義為X軸，與其垂直的方向定義為Y軸，兩輛車在行駛方向上，從主超車A的前部到被超車B的尾部，之間的縱向距離記為x，兩車之間的橫向距離記作y，如圖4所示。這兩個距離分別用被超車的車長L和車寬W來標準化，A、B兩車的速度分別被標記為V1和V2。

圖4　瞬態(tài)超車坐標圖

在X方向上，當A車距B車一個車位時，記為-1，當到達B車的尾部時，記為0，當到達B車半個車位時，記為0.5，當A車與B車并行時，記為1，當A車超過B車半個車位時，記為1.5，當A車超過B車一個車位時，記為2。

在Y方向上，同時設計三個橫向位置，它們之間的間距分別為：0.6 m、0.9 m、1.2 m，這三個距離分別占車寬W的1/3、1/2、2/3。

2.2　超車方案設計

本次超車過程的仿真模擬，主要探討三方面的因素：（1）汽車縱向位置的變化對超車過程的影響。（2）汽車橫向距離對超車過程的影響。（3）不同超車速度對超車過程的影響。仿真結果截取的平面為Z=0。瞬態(tài)超車設計方案見表2。

表2　瞬態(tài)超車的設計方案

3　瞬態(tài)超車結果分析

3.1　縱向相對位置變化對瞬態(tài)超車過程的影響

3.1.1流場分析

由圖5可知：A、B 兩車的壓強對稱分布，由于A車的速度大于B車，所以A車附近的負壓區(qū)遠遠大于B車附近的負壓區(qū)，而且A車前部、后部的壓強也比B車的壓強大。此時A車的前進氣流逐漸對B車尾部產生影響，出現(xiàn)小面積的正壓。

圖5　超車在x/L=-1，y/W=1/2位置時，汽車表面壓力云圖

當A車繼續(xù)前行，到達B車尾部時，由圖6可知：A車氣流在B車中部產生局部正壓區(qū)，A車干擾側受到B車尾部流場的作用出現(xiàn)不對稱的現(xiàn)象，同時B車尾部的正壓區(qū)正在逐漸消失。

圖6　超車在x/L=0，y/W=1/2位置時，汽車表面壓力云圖

當A車與B車并行時，由圖7可知：B車完全處于A車的負壓區(qū)中，由于B車車身長度的原因，B車干擾側與開闊側壓力呈現(xiàn)不對稱的狀態(tài)。在A車尾部出現(xiàn)卡門渦街，A車的尾流逐步被拉長，呈逐漸減小的趨勢，直至消亡；B車干擾側的流場有往前運動的趨勢，造成B車尾渦呈現(xiàn)不規(guī)律變化。

圖7　超車在x/L=1，y/W=1/2位置時，汽車表面壓力云圖

當A車尾部與B車頭部平齊時，由圖8可知：B車前部正壓區(qū)受到A車干擾側氣流的影響，正壓區(qū)有縮小的趨勢，A車尾部負壓與B車干擾側氣壓出現(xiàn)相連的現(xiàn)象，A車尾部流場受到B車干擾側的影響，導致A車尾部出現(xiàn)尾流紊亂的現(xiàn)象。

圖8　超車在x/L=2，y/W=1/2位置時，汽車表面壓力云圖

當A車超出B車一個車身時，如圖9所示，A、B兩車之間的相互影響幾乎沒有，A、B兩車的流場逐步恢復到各自對稱的狀態(tài)。

圖9　超車在x/L=3，y/W=1/2位置時，汽車表面壓力云圖

隨著超車縱向位置的變化，A、B兩車的外流場不斷變化，兩車由原始正壓相互排斥，到兩車并行中間負壓相互吸引，最后兩車壓力流場互不干擾。

3.1.2氣動力分析

汽車超車過程中，作用在汽車上的力，隨著汽車縱向位置的變化而不斷變化，其中有三個變量變化比較大，阻力、側向力以及側傾力矩。為了更好地分析各個氣動力的變化，截取Z=0平面，各個縱向位置的速度矢量圖。

由圖10可知：運動車輛帶動周圍空氣運動，在汽車周圍形成一個運動流場區(qū)域，這些流場區(qū)域導致汽車氣動力不斷發(fā)生變化。

圖10　超車過程中，汽車表面速度矢量圖

由圖10和圖11可知：超車前，兩車的流場彼此獨立，隨著縱向位置的不斷變化，兩車之間的流場相互作用不斷增強。當A車與B車相距一個車身時，由于A車車速大于B車車速，受到B車的影響，A車的阻力有明顯增大的趨勢；當A車逐漸接近B車時，受到B車負壓區(qū)的影響，A車的阻力開始下降，而B車阻力受到A車前進氣流的影響，B車阻力有所減小。

超車時，當A車到達B車尾部，可以看出B車阻力有一個迅速增大的過程，A車阻力受到B車尾流的影響，A車阻力開始有減小的趨勢；當A車到達B車的中部位置時，B車所受的空氣阻力最大，A車阻力基本沒有變化；當A車與B車并行時，B車進入A車的負壓區(qū)，B車空氣阻力逐漸減小，同時由于A車速度大于B車，A車推動空氣前行，所以A車的空氣阻力逐漸增大；當A車超過B車半個車身時，A車所受的空氣阻力繼續(xù)增大，并且在此時達到最大值，B車前方氣流正好處于A車負壓區(qū)內，此時B車的空氣阻力最小。

超車后，當A車超過B車一個車身時，A、B兩車之間的氣流影響幾乎沒有，所以A、B兩車所受的空氣阻力逐步趨于穩(wěn)定。

圖11　A、B兩車超車過程阻力圖

由圖10和圖12可知：當A車與B車車頭平齊時，A、B兩車頭部正壓區(qū)連在一起，A、B兩車中后部，由于空氣的快速流動，兩車之間出現(xiàn)負壓區(qū)，此負壓區(qū)對B車有巨大的“吸引力”，同時B車開闊側的壓力遠遠大于干擾側的壓力，使B車在此位置達到負向最大側向力，此時對于B車來說，行車最危險。當A車超過B車半個車身時，B車受到A車負壓區(qū)的影響逐漸減小，所以B車的側向力開始逐漸減小，由于A車干擾側氣流突然增大，導致A車受到B車的“推力”達到最大值，因此，A車在此位置負向側向力達到最大。隨著A、B 兩車繼續(xù)前行，B車開始逐步受到A車影響，A車尾部氣流對B車頭部氣流影響變大。當A車尾部超過B車頭部時，B車受到A車尾部氣流的影響，B車側向力有一個增大的趨勢，此時B車側向力達到正向最大值。由于A車速度大于B車，所以A車尾部并沒有受到B車正壓區(qū)的影響，開闊側壓力大于A車干擾側壓力，因此，A車側向力也開始增大，并在此時側向力達到正向最大值。

圖12　A、B兩車超車過程側向力圖

由圖10和圖13可知：當A、B兩車相距一個車身時，A車向前行駛，由于A車受到B車尾部正壓區(qū)的影響，導致A車有遠離B車向外傾斜的趨勢，此時B車受到A車前方正壓區(qū)的影響，B車也有遠離A車向外傾斜的趨勢，直到兩車并行。

當A車到達B車尾部時，受到B車尾部負壓區(qū)以及干擾側負壓區(qū)的影響，A車有向B車傾斜的趨勢，此時B車遠離A車的趨勢達到最大。當A車超過B車半個車身時，B車一直受到A車干擾側的影響，B車有向A車傾斜的趨勢，這種趨勢持續(xù)到A車與B車并行時結束。

從A車超過B車半個車身開始，A車一直受到側向力的影響，A車有遠離B車向外傾斜的趨勢。A車繼續(xù)前行，當超過B車一個車身時，由于A車側向力發(fā)生改變，導致A車有遠離B車傾斜的趨勢，B車兩側的氣壓逐步趨于穩(wěn)定，并且B車傾斜的趨勢逐漸減小，直至A車完全超過B車。

隨著縱向相對位置不斷變化，側向力有不穩(wěn)定上下波動的變化趨勢，側向力和側傾力矩分別有極值出現(xiàn)。側向力第一次正向最大值出現(xiàn)在x/L=0時，負向最大值出現(xiàn)在x/L=1時，第二次正向最大值出現(xiàn)在x/L=2時。同時側傾力矩存在正負變化，并伴有極值出現(xiàn)，A車側傾力矩第一次正向最大值出現(xiàn)在x/L=0時，而B車側傾力矩正向最大值出現(xiàn)在x/L=0.5時，A、B兩車側傾力矩負向最大值都出現(xiàn)在x/L=1.5時，A、B兩車側傾力矩第二次正向最大值出現(xiàn)在x/L=2.5時，行車穩(wěn)定性受到很大影響。

圖13　A、B兩車超車過程側傾力矩圖

3.2　不同間距下超車過程氣動特性模擬

根據《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》關于道路寬度的規(guī)定[8]，當兩車分別在各自車道正中心行駛時，兩車的超車間距約為1倍車寬。因此，設置在速度VA=30 m/s、VB=15 m/s不變的情況下，兩車分別以1/3W、1/2W、2/3W三種間距進行模擬，重點探究兩車車頭平齊時的瞬態(tài)氣動特性變化以及流場變化，因為很多超車事故都是在近距離超車時發(fā)生的。

由圖14～16可知，隨著間距的增大，兩車壓力流場的變化更加明顯，具體表現(xiàn)為：兩車壓力流場的影響范圍增加，頭部正壓區(qū)面積增大，兩車干擾側的負壓區(qū)，隨著間距的減小，干擾現(xiàn)象更加明顯，負壓區(qū)相互重疊產生了更低的壓力場，同時在汽車尾部，隨著間距的減小，尾部負壓區(qū)的面積和數值在不斷增大。

圖14　VA=30 m/s、VB=15 m/s，x/L=1/3W時的壓力云圖和速度矢量圖

圖15　VA=30 m/s、VB=15 m/s，x/L=1/2W時的壓力云圖和速度矢量圖

圖16　VA=30 m/s、VB=15 m/s，x/L=2/3W時的壓力云圖和速度矢量圖

由圖17a可知：A車阻力的整體變化趨勢基本相同，間距由1/3W到1/2W的過程中，A車阻力并沒有很明顯的變化，但是由1/2W到2/3W的過程中，可以明顯看出，A車阻力受到間距的影響，開始下降。由圖17b可知：隨著兩車間距的減小，B車阻力不斷增大，阻力曲線的整個變化趨勢也基本相同。

圖17　兩車氣動阻力變化曲線

由圖18可知：A車側向力曲線的變化趨勢基本相同，但是當A車與B車并行后，A車的阻力沒有增大，反而減小，這是因為A車距離B車越近，A車前面的正壓區(qū)范圍越大，B車對A車的影響就越小。從B車側向力變化曲線中可以看出，B車側向力隨著間距的減小，有明顯增大的趨勢，而且曲線的變化趨勢基本相同。

圖18　兩車側向力變化曲線

由圖19a可知：A車隨著間距的減小，側傾力矩的變化十分明顯，兩車間距從1/2W到2/3W時，隨著間距的增大，A車側傾力矩減小。而在兩車間距為1/3W時，A 車受到間距的影響比較大，整個曲線波動比較劇烈，相比A車的側傾力矩，B車更加具有規(guī)律性。

A、B兩車的氣動力，隨著橫向間距的不斷變化，呈現(xiàn)不同的變化趨勢，其中側向力呈現(xiàn)不穩(wěn)定波動的變化趨勢，隨著間距的減小，側向力數值不斷增加。側傾力矩整體變化趨勢基本上相同，部分曲線隨著間距的減小，側傾力矩數值有所增大，波動曲線呈現(xiàn)無規(guī)律變化。

圖19　兩車側傾力矩變化

3.3　不同速度下超車過程氣動特性模擬

相對速度不同的情況下，保持兩車之間的間距(1/2W)不變，A車以不同的速度超過B車，B車速度保持VB=15 m/s不變，A車以不同的速度，VA=25 m/s、VA=28 m/s、VA=30 m/s超過B車，研究兩車之間的流場變化、氣動力變化，從而得出相應的規(guī)律[9]。

由圖20～22可知：隨著相對車速的增大，A、B兩車之間的負壓區(qū)越來越大，B車受到的阻力、側向力都會隨著速度的增大而增大。對于A車來說，隨著車速的增大，干擾側負壓區(qū)受到B車的影響，相比開闊側負壓區(qū)數值有所減小，因此，隨著車速的增大，A車側向力、阻力也都有所增大。

圖20　x/L=1/2W，VA=25 m/s時的壓力云圖和速度矢量圖

圖21　x/L=1/2W，VA=28 m/s時的壓力云圖和速度矢量圖

圖22　x/L=1/2W，VA=30 m/s時的壓力云圖和速度矢量圖

圖23　三種速度下，間距為x/L=1/2W時兩車阻力變化

圖24　三種速度下，間距為x/L=1/2W時兩車側向力變化

圖25　三種速度下，間距為x/L=1/2W時兩車側傾力矩變化

由圖23～25可知：A車阻力、側向力都隨著A車速度的增加，數值不斷增大；B車阻力、側向力也隨著A車速度的增加，數值不斷增大。隨著A車速度的增大，A、B兩車的阻力、側向力、側傾力矩都在不斷變化，側向力呈現(xiàn)不穩(wěn)定波動。側向力第一次正向最大值出現(xiàn)在x/L=0時，負向最大值出現(xiàn)在x/L=1時，第二次正向最大值出現(xiàn)在x/L=2時。同時側傾力矩存在正負變化，并伴有極值出現(xiàn)，A車側傾力矩正向最大值出現(xiàn)在x/L=0時，而B車側傾力矩正向最大值出現(xiàn)在x/L=0.5時，A、B兩車側傾力矩負向最大值都出現(xiàn)在x/L=1.5時，行車穩(wěn)定性受到很大影響。

4　結論

（1）通過對不同縱向位置、橫向間距、超車速度的研究發(fā)現(xiàn)，隨著橫向間距的減小和超車速度的增大，氣動力和壓力場都有所增加。

（2）隨著超車位置的不斷變化，側向力在超車前后會呈現(xiàn)不穩(wěn)定波動的變化曲線，改變速度和間距，側向力變化趨勢基本相同。

（3）在行車過程中，在對相同車型進行超車時，為了提高行車安全，超車速度應該適當減小，并且主超車不應該在超車過程中增加超車速度，這樣對被超車的影響比較大，容易出現(xiàn)交通事故。

（4）側向力在極短的超車過程中有極值出現(xiàn)，而且方向發(fā)生了改變，側向力第一次正向最大值出現(xiàn)在主超車A剛好到達被超車B的尾部時，負向最大值出現(xiàn)在主超車A和被超車B車頭平齊時，第二次正向最大值出現(xiàn)在主超車A剛好離開被超車B時。

（5）側傾力矩在極短的超車過程中也有極值出現(xiàn)，而且方向發(fā)生了改變。A車側傾力矩正向最大值出現(xiàn)在主超車A剛好到達被超車B的尾部時，而B車側傾力矩正向最大值出現(xiàn)在主超車A到達被超車B中部時，A、B兩車側傾力矩負向最大值都出現(xiàn)在主超車A超過被超車B半個車身時。

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