唐洪濤，苗秀奇，陳廣厚，董林源

(天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

在兩條相鄰車道上相反方向行駛的汽車會(huì)發(fā)生交匯，尤其是在公路車道之間沒(méi)有隔離帶、行車速度較快的一級(jí)公路或者是在車速較慢、車道間距較小的三級(jí)公路，會(huì)車時(shí)車身周圍的壓力場(chǎng)會(huì)不斷發(fā)生變化，可能會(huì)使得汽車發(fā)生偏轉(zhuǎn)，對(duì)汽車的操作穩(wěn)定性和安全性有著嚴(yán)重的影響．

汽車會(huì)車過(guò)程中，兩車相對(duì)位置不斷發(fā)生變化，會(huì)在車身周圍形成不定常的渦流，從而導(dǎo)致汽車在會(huì)車時(shí)發(fā)生車頭偏轉(zhuǎn)．特別是兩車之間的橫向間距較小時(shí)，會(huì)使側(cè)向力發(fā)生很大變化．

目前從空氣動(dòng)力學(xué)方向分析汽車高速、小間距會(huì)車過(guò)程的研究較少，多數(shù)是對(duì)單一運(yùn)動(dòng)或者是單一車輛的研究分析，或者是對(duì)不同工況下超車模型[1–2]的研究．傅立敏等[3]在轎車并列行駛湍流特性的數(shù)值模擬中得出：并列行駛的安全距離應(yīng)該在單倍車寬與0.5倍車寬之間；張英朝等[4]在轎車會(huì)車時(shí)氣動(dòng)特性的數(shù)值模擬中指出：會(huì)車達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，車身表面壓力分布和單車 SAE模型表面壓力分布基本一致；張英朝等[5]還對(duì)簡(jiǎn)單外形汽車隧道中會(huì)車過(guò)程中瞬態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，得出會(huì)車過(guò)程中氣動(dòng)力系數(shù)有類似正弦函數(shù)的變化曲線；在國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，徐國(guó)英等[6]在基于 CFD的汽車迎面會(huì)車過(guò)程氣動(dòng)干擾特性仿真研究中得出：側(cè)向力和橫擺力矩的變化趨勢(shì)基本相同；谷正氣等[7]在會(huì)車瞬態(tài)氣動(dòng)特性分析與研究中表明，兩轎車會(huì)車時(shí)的氣動(dòng)阻力系數(shù)為負(fù)正弦函數(shù)變化，且與側(cè)向力的變化不同步；楊敏[8]進(jìn)行車輛會(huì)車動(dòng)態(tài)模擬，表明二維動(dòng)態(tài)會(huì)車過(guò)程中使棱角結(jié)構(gòu)光順及減小會(huì)車速度可削弱壓力波，促進(jìn)行車安全．

上述研究成果中的變量大多數(shù)都是單一的，但通常來(lái)說(shuō)，汽車會(huì)車是一個(gè)間距和速度共同影響下的過(guò)程，而且對(duì)于會(huì)車網(wǎng)格選擇，動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)比滑移網(wǎng)格更加適用，同時(shí)隨著行車速度不斷提高，超速會(huì)車開始增多．因此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)不同速度、不同間距、不同車型以及超速下的會(huì)車過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，選取幾個(gè)會(huì)車過(guò)程的離散位置作為研究對(duì)象，結(jié)合瞬態(tài)壓力云圖、速度矢量圖和氣動(dòng)力變化曲線，重點(diǎn)分析會(huì)車過(guò)程中的氣動(dòng)力變化、流場(chǎng)變化，從中得出相關(guān)規(guī)律．

1 數(shù)值模擬

1.1 基本控制方程

本文選用的汽車行駛速度不超過(guò) 100,km/h，馬赫數(shù)約為 0.081,7，小于 0.3，因此可以認(rèn)為此時(shí)氣體是不可壓縮的[9]．其基本控制方程為

當(dāng)控制方程為x方向動(dòng)量方程時(shí)，可以變換為

當(dāng)控制方程為y方向動(dòng)量方程時(shí)，可以變換為

當(dāng)控制方程為能量方程時(shí)，可以變換為

式中：ρ為空氣密度，取值為 1.184,15,kg/m3；u、v分別為 x和 y方向的速度矢量；p為壓力；μ為動(dòng)力黏度系數(shù)，取值為 1.789,4×10–5,kg/(m·s)；k為常數(shù)．

1.2 原始模型

選用國(guó)產(chǎn)某款運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(SUV)，該款車的外形尺寸為：長(zhǎng) 4,325,mm，寬 1,765,mm，高1,625,mm．基于模型尺寸選用計(jì)算域尺寸為：長(zhǎng)60,m，寬 20,m．把該款 SUV 簡(jiǎn)化成二維模型，車頭棱角作平滑處理．如圖1所示．

圖1 計(jì)算域Fig. 1 Computational area of the model

1.3 網(wǎng)格劃分

模型采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，由于是二維會(huì)車分析，故把兩車簡(jiǎn)化為近似小矩形塊，分別命名為 car1和 car2(左下角為 car1，右上角為 car2)，面網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.5，計(jì)算域網(wǎng)格尺寸設(shè)為2，如圖2所示．

圖2 網(wǎng)格模型Fig. 2 Mesh model

1.4 邊界條件

計(jì)算域左側(cè)設(shè)置為壓力入口，右側(cè)設(shè)置為壓力出口，兩車壁面條件設(shè)置為wall，計(jì)算采用K-epsilon湍流模型，求解器選用非定常求解器，動(dòng)網(wǎng)格參數(shù)Mesh Methods選用Smoothing和Remeshing，Smoothing中Spring Constant Factor(剛度系數(shù))設(shè)置為 0.05，Remeshing中選用Size Function(尺寸函數(shù))和 Must Improve Skewness(必須改善畸變率)[10]，該設(shè)置的目的是為了得到較好的網(wǎng)格更新，在保證原來(lái)尺寸不變的前提下，使局部網(wǎng)格重新劃分．

2 會(huì)車方案設(shè)計(jì)

根據(jù)2014年9月20日發(fā)布的新版公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[11]：一級(jí)公路在不受限制的情況下，可不設(shè)中間隔離帶，在設(shè)計(jì)速度100,km/h的路段，車道寬度為3.75,m，兩車處于車道正中間會(huì)車時(shí)，兩車之間的距離約為 2,m；三級(jí)公路在設(shè)計(jì)車速為 40,km/h的路段，車道寬度為 3.25,m，兩車在車道正中間會(huì)車時(shí)，兩車間距約為1.5,m．

設(shè)置兩車以相同速度向相反的方向行駛，最大行車速度選用一級(jí)公路和三級(jí)公路的設(shè)計(jì)速度上限，并在速度上限下調(diào)20,km/h的范圍內(nèi)變化，即一級(jí)公路的行車速度范圍為 80～100,km/h，三級(jí)公路的行車速度為 20～40,km/h．設(shè)置一級(jí)公路的會(huì)車間距為1.5～2,m；三級(jí)公路的會(huì)車間距為 1～1.5,m．方案見表 1．

表1 設(shè)計(jì)方案Tab. 1 Design proposals

3 結(jié)果分析

3.1 壓力云圖

因?yàn)閮绍嚹Ｐ瓦x取相同，且會(huì)車速度相同，因此車身周圍的壓力分布相同．設(shè) D為兩車頭之間在行駛方向的距離，L為車身長(zhǎng)度，D/L描述了不同會(huì)車狀態(tài)．以方案 3為例，分析會(huì)車過(guò)程中兩車外流場(chǎng)之間的相互干擾特性和氣動(dòng)特性隨兩車相對(duì)位置 D/L的變化，結(jié)果見圖3．

由圖3可以看出：在兩車開始相會(huì)(圖3(a))，即D/L＝-1時(shí)，car1的高壓區(qū)逐漸向 car2靠近并交匯，開始互相影響，car2靠近c(diǎn)ar1一側(cè)的壓力明顯高于遠(yuǎn)離 car1的一側(cè)(開放側(cè))，car2車頭部會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)離car1車頭的側(cè)向力，并且側(cè)向力逐漸增大，增大到最大時(shí)可能會(huì)使車體偏離行駛方向，對(duì)汽車的穩(wěn)定性造成影響．

當(dāng)兩車車頭平齊(圖 3(b))，即 D/L＝0時(shí)，由于車頭高壓區(qū)的相互作用產(chǎn)生側(cè)向作用力，此時(shí)負(fù)向側(cè)向力會(huì)達(dá)到最大．

當(dāng)兩車處于并列平行狀態(tài)(圖 3(c))，即 D/L＝1時(shí)，由于兩車之間的間距面積變得很窄，所以氣流流動(dòng)速度迅速增大，在兩車之間形成很高的負(fù)壓區(qū)，借助負(fù)壓區(qū)的作用使兩車有著相互吸引的趨勢(shì)，正向側(cè)向力會(huì)達(dá)到最大，此時(shí)發(fā)生交通事故的概率最大．

當(dāng)兩車開始脫離對(duì)方(圖 3(d))，即 D/L＝2時(shí)，兩車逐漸開始進(jìn)入對(duì)方的尾渦區(qū)，由于空氣介質(zhì)具有黏性，所以會(huì)利用空氣的這種性質(zhì)互相帶動(dòng)尾部的氣流流動(dòng)，從而使流速加快，氣體壓力下降[12]．

當(dāng)兩車即將完全脫離對(duì)方尾渦區(qū)(圖 3(e))，即D/L＝3時(shí)，兩車相互作用開始減弱，兩車側(cè)向力也逐漸減弱，直至減為0．

圖3 相對(duì)位置變化時(shí)的壓力云圖Fig. 3 Pressure contours of different positions

3.2 速度矢量圖

運(yùn)動(dòng)中的車輛帶動(dòng)周圍空氣流動(dòng)，在兩車周圍形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)區(qū)域，這些流場(chǎng)區(qū)域不斷導(dǎo)致汽車的氣動(dòng)力變化，速度矢量圖見圖4．

會(huì)車前(圖 4(a))，兩車的流場(chǎng)彼此獨(dú)立，car1和car2近壁面兩側(cè)分別存在旋渦，且兩側(cè)的旋渦是對(duì)稱分布的，故兩車的行駛是平穩(wěn)的．

當(dāng)兩車車頭平齊時(shí)(圖 4(b))，car1干擾側(cè)流場(chǎng)和 car2干擾側(cè)流場(chǎng)開始交匯，car1干擾側(cè)渦流方向?yàn)槟鏁r(shí)針，car2干擾側(cè)渦流方向也為逆時(shí)針，方向相同的渦流相互作用產(chǎn)生排斥力，使得干擾側(cè)作用力增強(qiáng)，兩車有偏離彼此的傾向．

當(dāng)兩車平行對(duì)齊時(shí)(圖 4(c))，干擾側(cè)的渦流位置、個(gè)數(shù)以及渦流強(qiáng)度都發(fā)生了變化，從而改變了兩車間隙處的流場(chǎng)．car1干擾側(cè)產(chǎn)生的渦流和 car2干擾側(cè)產(chǎn)生的渦流相互融合，使兩車之間形成低速旋渦區(qū)，渦流集中的地方能量消耗大，同時(shí)根據(jù)伯努利方程得出，此旋渦區(qū)也屬于低壓區(qū)[13]，兩車有相互吸引的趨勢(shì)．

兩車開始逐漸脫離對(duì)方時(shí)(圖 4(d))，干擾側(cè)交匯氣流開始分離，渦的數(shù)量增加，位置也發(fā)生變化，并且速度梯度也有明顯降低，使得相互吸引的作用力減弱．

通過(guò)對(duì)比圖 4(a)和圖 4(e)的會(huì)車狀態(tài)發(fā)現(xiàn)：會(huì)車前和會(huì)車后有明顯不同，會(huì)車后渦流的作用會(huì)延續(xù)很長(zhǎng)一段距離，行車穩(wěn)定性受到影響，此時(shí)也應(yīng)該注意行車安全．

圖4 相對(duì)位置變化時(shí)的速度矢量圖Fig. 4 Velocity vector of different positions

3.3 側(cè)向力

在沒(méi)有其他因素的影響下，單一車輛行駛時(shí)，所受的側(cè)向力幾乎為 0，但是在兩車會(huì)車時(shí)，由于兩車互相影響，側(cè)向力有明顯變化，當(dāng)相互作用達(dá)到一定程度時(shí)，兩車行駛方向?qū)?huì)發(fā)生偏移，從而會(huì)引發(fā)交通事故．以car1作為研究對(duì)象，采用6種方案進(jìn)行仿真計(jì)算，側(cè)向力隨著不同會(huì)車狀態(tài)變化情況見圖 5，最大值見表2．

圖5 car1的側(cè)向力瞬態(tài)變化Fig. 5 Transient changes of lateral force

表2 側(cè)向力最大值Tab. 2 Maximum of lateral force

從表2可以看出，所有方案的側(cè)向力數(shù)值都比較?。抡嬷械男熊囁俣纫堰x用了標(biāo)準(zhǔn)允許的設(shè)計(jì)速度上限，如果車輛按照新版公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定速度行駛，行車是安全的．

將方案1與方案3、方案2與方案4進(jìn)行對(duì)比，可以直觀地分析間距對(duì)側(cè)向力的影響．方案 1的間距比方案 3大 33%，方案 3的負(fù)向側(cè)向力和正向側(cè)向力的最大值比方案1分別大31%,和35%．方案2的間距比方案 4的間距大 50%，方案 4的負(fù)向側(cè)向力和正向側(cè)向力的最大值比方案 2分別大 21%和20%．這說(shuō)明小間距高速會(huì)車，間距的小范圍改變，會(huì)使側(cè)向力發(fā)生較大變化．

將方案3和方案5進(jìn)行對(duì)比，可以直觀地分析速度對(duì)側(cè)向力的影響．方案 3的速度比方案 5大 1.5倍，方案3的負(fù)向側(cè)向力和正向側(cè)向力的最大值比方案 5分別大 4.4倍和 3.7倍．這說(shuō)明等間距會(huì)車時(shí)，高速會(huì)車比低速會(huì)車使汽車擺動(dòng)的更加劇烈．

3.4 不同車型會(huì)車

選用不同尺寸的會(huì)車模型，同樣設(shè)置兩車行駛速度相同，并勻速行駛．左下角命名為 car1；右上角命名為 car2，car1保持原始尺寸，car2尺寸比原始尺寸增大1.5倍．為了便于對(duì)比，選擇表1中方案3作為會(huì)車方案進(jìn)行分析，分析會(huì)車過(guò)程中兩車外流場(chǎng)之間的相互干擾特性和氣動(dòng)特性隨兩車相對(duì)位置的變化．會(huì)車過(guò)程的壓力云圖見圖6．

對(duì)比圖6(a)和圖3(b)相同會(huì)車狀態(tài)下的壓力云圖發(fā)現(xiàn)：不同車型會(huì)車時(shí)兩車正壓區(qū)是不對(duì)稱的，大車正壓區(qū)影響范圍擴(kuò)大，說(shuō)明大車對(duì)小車的排斥力增強(qiáng)，由于尺寸、質(zhì)量都不同，故此時(shí)小車會(huì)有遠(yuǎn)離大車的趨勢(shì)．

對(duì)比圖6(b)和圖3(c)相同會(huì)車狀態(tài)下的壓力云圖發(fā)現(xiàn)：大車和小車平行會(huì)車時(shí)，兩車之間同樣也出現(xiàn)很強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)，此時(shí)的負(fù)壓區(qū)較之前更強(qiáng)，說(shuō)明兩車相互吸引的作用力也得到加強(qiáng)，由于尺寸、質(zhì)量不同，該作用力對(duì)于小車比較明顯，小車會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)不斷靠近大車，很可能直接撞到大車側(cè)面，此時(shí)的事故率也最大．

對(duì)比圖6(c)和圖3(d)相同會(huì)車狀態(tài)下的壓力云圖發(fā)現(xiàn)：兩車開始脫離對(duì)方的影響，帶動(dòng)彼此尾部氣流流動(dòng)，流速不斷加快，使得氣壓下降速度也加快．小車氣壓下降速度比大車氣壓下降速度更快，氣流分離，使兩車之間產(chǎn)生排斥力．

圖6 會(huì)車過(guò)程中的壓力云圖Fig. 6 Pressure contours of meeting cars

由圖7會(huì)車過(guò)程中的速度矢量圖可以看出：此過(guò)程中兩車也經(jīng)歷排斥、吸引、排斥，不同的是兩車的作用力大小不同，速度矢量圖的變化和前面分析一致，不再贅述．

不同車型會(huì)車采用表 1方案 3，小車(car1)的側(cè)向力瞬態(tài)變化曲線見圖8．

對(duì)比圖8和圖5中方案3的側(cè)向力變化可知：原方案的同車型會(huì)車時(shí)，car1的負(fù)向側(cè)向力最大值為101.23,N，正向側(cè)向力最大值為 133.93,N，不同車型會(huì)車時(shí)，car1的負(fù)向側(cè)向力最大值為 158.71,N，正向側(cè)向力最大值為 217.03,N，分別增大了 56.8%,和62.0%,．可見，側(cè)向力在不同車型會(huì)車時(shí)的變化曲線呈現(xiàn)不穩(wěn)定波動(dòng)；隨著車型尺寸的變化，側(cè)向力也會(huì)有相對(duì)應(yīng)的變化，此時(shí)更應(yīng)該注意行車速度和間距，以免出現(xiàn)交通事故．

圖7 不同車型會(huì)車過(guò)程中的速度矢量圖Fig. 7 Velocity vector of meeting cars

圖8 car1側(cè)向力瞬態(tài)變化曲線Fig. 8 Transient changing of lateral force of car1

3.5 超速會(huì)車

雖然在公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定一級(jí)公路的最高時(shí)速為 100,km/h，但也會(huì)出現(xiàn)超速會(huì)車情況．本文選用 130,km/h作為會(huì)車速度，通過(guò)壓力云圖和速度矢量圖分了同車型超速會(huì)車情況，仿真模擬結(jié)果見圖9和圖10．

由圖9可以看出：會(huì)車速度達(dá)到130,km/h時(shí)，兩車之間的負(fù)壓區(qū)更大，兩車之間相互影響也越來(lái)越大，周圍的流場(chǎng)更加復(fù)雜，兩車在會(huì)車瞬間吸引力更大，說(shuō)明超速會(huì)車危險(xiǎn)系數(shù)大．

圖9 超速會(huì)車過(guò)程中的壓力云圖Fig. 9 Pressure contours of overspeed meeting

由圖 10可以看出：兩車之間形成超低速旋渦區(qū)，由于渦流越集中的地方能量消耗越大，故借助超低速旋渦區(qū)，兩車相互吸引的作用力會(huì)變得非常大，car1最大側(cè)向力達(dá)到 464.5,N，比相同間距、會(huì)車速度為 100,km/h時(shí)的最大側(cè)向力(133.93,N)增大了2.47倍，發(fā)生交通事故的概率大大增加．

圖10 超速會(huì)車過(guò)程中的速度矢量圖Fig. 10 Velocity vector of overspeed meeting

4 結(jié) 論

(1)會(huì)車過(guò)程中壓力場(chǎng)和側(cè)向力隨著兩車的位置發(fā)生變化，側(cè)向力在會(huì)車前后會(huì)呈現(xiàn)不穩(wěn)定波動(dòng)變化，改變速度和間距，側(cè)向力變化趨勢(shì)基本相同．

(2)在會(huì)車過(guò)程中，側(cè)向力會(huì)發(fā)生正負(fù)變化，同時(shí)伴有極值出現(xiàn)，側(cè)向力正向最大值出現(xiàn)在兩車身平行時(shí)，負(fù)向最大值出現(xiàn)在兩車頭平齊時(shí)，導(dǎo)致兩車左右搖擺，行車安全受到威脅．

(3)不同車型會(huì)車時(shí)，側(cè)向力會(huì)隨著車型的改變而發(fā)生改變，變化和車型尺寸存在一定關(guān)系．在行車過(guò)程中，當(dāng)兩相同車型或者不同車型會(huì)車時(shí)，為了提高行車安全，會(huì)車速度應(yīng)該減?。?/p>

(4)當(dāng)會(huì)車速度達(dá)到一定程度后，繼續(xù)增大車速度會(huì)導(dǎo)致側(cè)向力急劇增大，超速會(huì)車危險(xiǎn)系數(shù)急劇升高．