劉立寧，石 碩，郗學峰，范鵬飛，杜廣生，雷 麗

(1.山東大學能源與動力工程學院，濟南 250061； 2.煙臺南山學院，煙臺 265713； 3.山東建筑大學熱能工程學院，濟南 250101)

前言

隨著汽車保有量的增加，道路上行駛的車輛越來越多，超車行為越來越頻繁。在超車過程中如果受到側(cè)風和周邊環(huán)境的影響，車輛周圍的流場會發(fā)生明顯改變，引起車輛所受氣動力的變化，影響車輛的安全穩(wěn)定運行。

為研究側(cè)風對車輛氣動性能的影響，國內(nèi)外學者通過風洞實驗和數(shù)值模擬對單車模型進行了研究[1-4]。結(jié)果表明，側(cè)風強度、方向和瞬態(tài)波長等變化，均會引起車輛氣動特性的改變。此外，道路形態(tài)、路堤、橋梁和山坡等對車輛氣動性能也有較大影響[5-7]。而在側(cè)風條件下進行超車時，車輛的氣動特性變化更為復(fù)雜[8-9]。當車輛在高速公路上行駛時，道路中央通常設(shè)有隔離帶將對向車道進行隔離。在側(cè)風條件下，隔離帶會對超車過程產(chǎn)生較大影響。本文中以兩輛相同的廂式貨車為研究對象，討論在超車過程中隔離帶對車輛氣動力的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

本文中采用某廂式貨車1∶1模型作為研究對象，車身長L＝8116mm，寬W＝2400mm，高H＝3520mm。模擬過程中對模型進行適當簡化，忽略后視鏡、門把手和車身底部微小部件的影響，并對輪胎底部進行切面處理，使車輪與地面接觸面為一平面。計算用模型如圖1所示。

圖1 計算用貨車模型

1.2 計算域與網(wǎng)格劃分

計算域外邊界為長方體，如圖2所示。計算域總長 16.5L，總寬 17W，總高 5H，兩車橫向間距0.5W。用Van1代表主超車，Van2代表被超車。隔離帶與計算域同長，寬2m，高1.5m。側(cè)風垂直于左側(cè)入口(入口2)吹向車輛，側(cè)風入口2邊界距離隔離帶左側(cè)邊緣3W，側(cè)風出口(出口2)距離被超車車身右側(cè)10W。坐標系設(shè)定為車輛運動方向的反方向為x軸正向，由主超車指向被超車方向為y軸正向，垂直于地面向上為z軸正向。

圖2 計算域示意圖

劃分網(wǎng)格時，將計算域分為7個子區(qū)域，分別進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。貨車所在區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，其它區(qū)域采用六面體網(wǎng)格。總的網(wǎng)格數(shù)量約為4.04×106。 其中，區(qū)域1，2，3，4 為靜止網(wǎng)格區(qū)；區(qū)域5，6，7為動網(wǎng)格區(qū)。在模擬過程中，靜止網(wǎng)格區(qū)網(wǎng)格保持不變，而動網(wǎng)格區(qū)網(wǎng)格采用動態(tài)分層法進行網(wǎng)格重構(gòu)。動靜網(wǎng)格區(qū)之間通過滑移交界面進行數(shù)據(jù)傳遞。在Fluent軟件中，通過用戶自定義函數(shù)進行網(wǎng)格重構(gòu)。

1.3 模擬方案及邊界條件

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖(Z＝1.4m截面)

道路中央隔離帶通常被設(shè)計為綠化帶，并被修剪成長方體形狀。由于綠化帶植被間充滿孔隙，因此將隔離帶區(qū)域設(shè)定為多孔介質(zhì)，孔隙率為96%，沿y方向壓力損失系數(shù)為1.25m-1[10]。為便于討論，將這種稀疏的隔離帶稱為1#隔離帶。當隔離帶植被足夠密集時，側(cè)風將無法穿過隔離帶，只能從隔離帶頂部繞流，此時車輛受到的氣動力會發(fā)生明顯改變，將這種極限情況下的密集隔離帶稱為2#隔離帶。本文中擬對這兩種隔離帶作用下的超車過程進行研究，并與無隔離帶時的超車過程[11]進行比較。

超車過程中設(shè)定主超車速度為30m/s，被超車速度為20m/s，二者均沿x軸負向行駛。為了節(jié)省計算資源，模擬時假定Van2不動，設(shè)定來流速度為20m/s，方向沿x軸正向，主超車以10m/s的相對速度沿x軸反方向運行。側(cè)風垂直于車輛行駛方向，由車輛左側(cè)吹向右側(cè)。側(cè)風速度設(shè)定為11.55m/s(相當于蒲福風級中的6級風)。為方便討論，以無量綱量X/L表示超車過程中不同時刻兩車之間的縱向相對位置，其中X為被超車前緣x坐標與主超車前緣x坐標值之差。

邊界條件設(shè)置如表1所示。此外，動、靜網(wǎng)格區(qū)分界面采用滑移交界面，動網(wǎng)格區(qū)內(nèi)部界面設(shè)置為內(nèi)部面。

表1 邊界條件設(shè)置

1.4 控制方程和計算參數(shù)設(shè)置

超車過程的外流場屬于三維、黏性、非穩(wěn)態(tài)的不可壓縮流，遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒控制方程，在三維直角坐標系中這些控制方程的守恒型通用形式為

式中：ρ為密度；u為速度；t為時間；φ為通用變量；Γ為廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項。公式等號兩邊的各項依次為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項，對于特定的方程，φ，Γ和S具有特定的形式[12]。

計算中采用RNGk-ε湍流模型，對流項采用2階迎風格式，速度和壓力耦合采用PISO算法[13]。超車過程瞬態(tài)時間步長設(shè)定為0.005s，每種工況分別計算1 050個時間步，即兩車間的距離從X/L＝-4.5計算到X/L＝2。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 氣動力分析

2.1.1 無側(cè)風時隔離帶對車輛氣動力的影響

圖4 無側(cè)風時主超車與被超車受到的氣動力

圖4表示無側(cè)風影響時，超車過程中主超車和被超車氣動力變化情況。圖例中，F(xiàn)D表示氣動阻力，F(xiàn)S表示側(cè)向力，F(xiàn)L表示升力。

由圖4可見，無側(cè)風時隔離帶對車輛氣動力影響非常小。與無隔離帶的超車過程[11]相比，兩車的氣動阻力平均變化量小于1%；側(cè)向力和升力變化略大一些，但對車輛的安全穩(wěn)定性影響依然很小。

2.1.2 側(cè)風條件下隔離帶對車輛氣動力的影響

圖5給出了側(cè)風條件下隔離帶對主超車和被超車氣動阻力的影響。由圖5(a)可見，在側(cè)風條件下隔離帶使主超車氣動阻力下降，1#隔離帶使氣動阻力平均降低28.3%，2#隔離帶使之平均降低30.5%。由圖5(b)可見，兩種隔離帶使被超車氣動阻力發(fā)生了不同的變化，1#隔離帶使被超車氣動阻力減小，X/L＝-0.75處減小幅度最大，此時 ΔFD＝1393.6N；2#隔離帶在超車前后(X/L＜-1和X/L＞1)使被超車氣動阻力減小，但在超車過程中(-1＜X/L＜1)使被超車氣動阻力增大，在X/L＝-0.5時ΔFD＝974.3N。

圖5 側(cè)風條件下主超車與被超車的氣動阻力

圖6為側(cè)風條件下不同隔離帶對主超車和被超車側(cè)向力的影響趨勢。由圖可見，隔離帶使車輛的側(cè)向力大幅度減小，且植被密集的隔離帶使車輛側(cè)向力減小的幅度更大。由于主超車位置靠近隔離帶，所以隔離帶對主超車側(cè)向力的影響更加明顯。特別是在2#隔離帶作用下，主超車側(cè)向力平均降幅達68.8%，最大降幅達82.8%，極大地提高了車輛的安全穩(wěn)定性。對于被超車，當X/L＜-0.75時，2#隔離帶比1#隔離帶對其側(cè)向力的影響更大；但當X/L＞-0.75以后，兩種隔離帶使FS下降的幅度差別不大；而當X/L＞0.5后，隔離帶對被超車側(cè)向力的影響很小。

圖6 側(cè)風條件下主超車與被超車的側(cè)向力

圖7示出側(cè)風條件下隔離帶對主超車和被超車升力的影響。由圖可見，隔離帶有效地降低了兩車的升力，且植被密集的隔離帶對升力的降低效果更明顯。1#隔離帶使主超車升力平均降低了44.4%，而2#隔離帶使主超車升力平均降低了71.8%。對于被超車而言，其升力降低幅度也很大，尤其在X/L＝-0.5處升力降低幅度最大，1#隔離帶使FL減小了3 158.8N，2#隔離帶使FL減小了3 884.3N；但X/L＞0.5以后，隔離帶的影響不大。由圖7(b)還可看出，幾乎在整個超車過程中，2#隔離帶已使被超車的升力由正值變?yōu)樨撝担@使車輛的操縱穩(wěn)定性得到顯著提高。

2.2 流場分析

由上述分析可知，在側(cè)風條件下隔離帶對超車過程車輛氣動力產(chǎn)生了較大影響。由圖5～圖7可見，在X/L＝-0.5附近車輛氣動力達到峰值，因此下面對該位置處流場進行分析。

圖7 側(cè)風條件下主超車與被超車的升力

圖8為側(cè)風條件下不同隔離帶X/L＝-0.5時，Z＝1.4m截面上的壓力云圖和流線圖。由圖8(a)可見：無隔離帶時，在側(cè)風作用下，前方來流發(fā)生偏轉(zhuǎn)；氣流繞過車身時，在兩車背風側(cè)和尾部產(chǎn)生氣流分離，形成漩渦；尾流向著側(cè)風方向偏轉(zhuǎn)。由圖8(b)可見，當受到1#隔離帶作用時，部分側(cè)風穿過隔離帶，對前方來流產(chǎn)生擾動，在車身周圍產(chǎn)生許多回流，形成數(shù)量較多的小漩渦，此時兩車迎風側(cè)和背風側(cè)壓差減小，側(cè)向力減小。而由圖8(c)可見，采用2#隔離帶時，側(cè)風無法穿過隔離帶，只能從隔離帶頂部繞流到車輛周圍。此時主超車前方來流受側(cè)風影響較小，不再與車身呈一定角度，而是幾乎與車頭垂直。氣流繞過車身后，也不再隨著側(cè)風發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而是在主超車尾部較大負壓的作用下，逐漸向主超車正后方偏轉(zhuǎn)，并在尾部形成漩渦。當氣流流過車身時，車輛背風側(cè)沒有明顯的漩渦生成。此時車身左右兩側(cè)壓差進一步減小，使側(cè)向力減小。

圖8 側(cè)風條件下X/L＝-0.5時Z＝1.4m截面壓力云圖和流線圖

圖9為側(cè)風條件下不同隔離帶X/L＝-0.5時主超車和被超車縱對稱面上的壓力云圖和流線圖。由圖9(a)可見，無隔離帶時，主超車前方來流遇到車頭時，部分氣流滯止，在車頭前方形成較高的正壓。流過駕駛室頂部的氣流，繞流廂體前上緣時，產(chǎn)生氣流分離，形成一個較大的氣流分離區(qū)。流過這個區(qū)域的氣流，在廂體頂部后方附著并向下游流動，在廂體后緣分離流入尾部。而由駕駛室頭部分流到底部的氣流，受到車輛底部凹凸不平和地面的影響，速度降低，壓強升高；當這部分氣流到達車廂尾部時，由于尾流壓強較低，在壓強差的作用下形成較強的上卷漩渦[14]。漩渦的脫落產(chǎn)生了較大的能量損失，形成了較大的氣動阻力。由圖9(c)可見，當受到1#隔離帶影響時，主超車周圍流場發(fā)生改變。由于部分側(cè)風穿過隔離帶流至主超車周圍，對車輛前方來流產(chǎn)生擾動，氣流在主超車前方產(chǎn)生回流，形成一個較大的漩渦，導致主超車前方壓力降低。氣流繞流廂體上方時，形成一個與圖9(a)中類似的漩渦，之后流入尾部，并在車輛尾部附近形成漩渦。在車輛底部，由于氣流受到穿過隔離帶的側(cè)風的擾動，速度升高，壓強降低，因此車輛受到的升力減小。當氣流從底部進入尾流時，由于壓差減小，在尾部形成的上卷漩渦減弱，影響區(qū)域減小。由圖9(c)還可發(fā)現(xiàn)，在上卷漩渦后方靠近地面處，氣流還形成了明顯的回流區(qū)。由于車輛前后壓差減小，致使主超車受到的氣動阻力大幅度減小。由圖9(e)可見，當受到2#隔離帶影響時，由于側(cè)風無法穿過隔離帶，所以車身周圍的氣流主要來自車輛前方和繞流隔離帶上方的氣流，此時側(cè)風的影響減弱，主超車受到的各項氣動力均減小。

對于被超車，由圖9(b)可見，無隔離帶時，前方來流在車頭前方形成滯止氣流，產(chǎn)生高壓，但其壓力明顯低于主超車的壓力。由于受到主超車的影響，被超車尾部的上卷漩渦消失，取而代之的是一個滯止點渦，且在滯止點渦后方形成另一個較大的漩渦。由圖9(d)可見：當受到1#隔離帶影響時，被超車前方氣流產(chǎn)生回流，削弱了車前正壓，并在一定區(qū)域內(nèi)形成了負壓；底部氣流擾動較大，速度增加，壓強減小，車輛受到的升力減小；尾流中沒有明顯的上卷漩渦，但同圖9(b)類似，形成了滯止點渦和另一個渦心位置較高尺寸較大的漩渦。車輛前后壓差減小，受到的氣動阻力減小。由圖9(f)可見，當受到2#隔離帶影響時，被超車前方形成較高的正壓，尾部形成明顯的上卷漩渦，尾部負壓增強，車輛的氣動阻力比無隔離帶時還大。車輛底部形成一些小的漩渦，但在貼近地面處，部分氣流直接流過車輛底部，流速較快，壓強較低，因此升力減小。

圖9 側(cè)風條件下X/L＝-0.5處主超車與被超車縱對稱面壓力云圖和流線圖

3 結(jié)論

(1)無側(cè)風時隔離帶對車輛氣動力影響很小。隔離帶對車輛氣動阻力的影響不足1%，對側(cè)向力和升力的影響略大一些，但對車輛安全穩(wěn)定性的總體影響依然很小。

(2)在側(cè)風條件下，隔離帶使超車過程中車輛氣動力發(fā)生明顯改變。在兩種隔離帶作用下，主超車的阻力、側(cè)向力和升力均大幅度降低，而被超車的阻力在稀疏隔離帶作用下減小，在密集隔離帶作用下增大，其側(cè)向力和升力在兩種隔離帶作用下均減小。

(3)隔離帶改善了側(cè)風條件下車輛的氣動性能。相對植被稀疏的隔離帶，植被密集的隔離帶使車輛的氣動力變化較大，氣動性能改善效果更明顯。

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