楊列宸 袁志群 秦利燕 呂恒慶

摘 要：針對以往大多數(shù)研究中采用90°側風進行研究這一問題，通過CFD軟件對不同側風角度下的汽車穩(wěn)定性進行了研究。采用風洞試驗的方法對仿真試驗進行了驗證，通過對比，發(fā)現(xiàn)仿真得到的數(shù)值與風洞試驗的數(shù)值差值在5%以內，說明了仿真模擬的合理性。結果發(fā)現(xiàn)，汽車在側風環(huán)境下的側向位移量與汽車質心的速度和所受到的側向力共同影響，總體趨勢是，側向位移量首先會隨著側風角度的增大而逐漸增大，在某個角度取得最大值，然后再逐漸減小。

關鍵詞：汽車穩(wěn)定性;側風角度;CFD

中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）09-206-03

Study on the Influence of Crosswind Angle on Vehicle Stability

Yang?Liechen， Yuan Zhiqun， Qin Liyan， Lu Hengqing

（Xiamen Institute of Technology， Fujian?Xiamen?361024）

Abstract：?In view of the previous research on 90° crosswind in most studies， the stability of vehicles under different crosswind angles was studied by CFD software. The simulation test was verified by the method of wind tunnel test. By comparison， it was found that the numerical difference between the numerical value obtained by the simulation and the wind tunnel test was within 5%， which indicated the rationality of the simulation. It was found that the lateral displacement of the car in the crosswind environment is affected by the speed of the car's center of mass and the lateral force received. The overall trend is that the lateral displacement will first increase as the crosswind angle increases. Get the maximum at an angle and then gradually decrease.

Keywords： Vehicle stability; Crosswind angle; CFD

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）09-206-03

1 引言

汽車側風穩(wěn)定性這個問題的提出，是因為在1935年的一場賽車比賽中，當時德國的一位賽車手在比賽中，由于受到了強烈的側風影響，導致駕駛的賽車失去了控制，最后他本人撞到了大樹而受重傷去世 ^[1]。從那時開始，學者們意識到了側風對汽車的影響，開始進行研究汽車的側風穩(wěn)定性。上世紀，德國的卡姆教授于斯圖加特 ^[2]創(chuàng)建了著名的車輛科學與發(fā)動機研究所，并首次進行了汽車穩(wěn)定性和直線行駛能力的研究。進入21世紀，我國國內開始使用實車風洞實驗室開展研究。風洞試驗可以進行多次試驗，重復性比較高而且試驗結果也很準確，但是另一方面風洞試驗也有成本高、時間長等缺點，由此，伴隨著虛擬樣機技術的出現(xiàn)，很好的補足了這一缺點，也為汽車的氣動研究提供了很好的技術手段。

在以往的大多數(shù)研究中，很多學者默認的將側風角度設為90°，認為側風垂直作用于汽車側面會是最危險的工況。但是自然界中側風的來向是不固定的，所以說，直接使用90°的側風角度進行研究是不嚴謹?shù)?。針對這一問題，本文將對側風角度對行車的安全性進行研究。

2 計算域及計算模型

2.1 汽車模型

本論文的模型采用的是1：1的Mira階梯背式標準模型，如下圖1所示。Mira標準汽車模型是現(xiàn)在業(yè)界研究汽車整車外流場最為理想化的簡化模型，該模型在全球范圍內也被廣大學者廣泛的使用，有大量的試驗數(shù)據可以進行研究參考和對照，這樣有助于對仿真的驗證和對試驗的修正。

2.2?計算域及計算方案

選擇合理的計算域和計算網格尺寸對計算結果的準確性尤為重要。由于前面選用了重疊網格的計算方案，車體在計算域中處于不斷前進的狀態(tài)，因此，對于計算域相對其他方案較長，結合《乘用車空氣動力學仿真技術規(guī)范》的計算域要求，得到計算域的尺寸具體如下表1：

根據要求，本文對從域的尺寸進行了設置，具體為：從域前部距離車頭0.5倍車長，從域后部距離車尾1.5倍車長，從域上部距離車頂2倍車高，從域左右兩側距離車體各1倍車寬。

2.3?計算網格

車體附近的氣流受車體的影響會產生速度梯度，設置3級體網格加密區(qū)，為了保證計算資源的合理性，參考計算的硬件屬性，對網格數(shù)量進行了一定的控制，設置的加密區(qū)網格尺寸分別為64mm、128mm及256mm的加密域控制。具體的加密區(qū)如下圖2所示：

通過查閱文獻，通常學者對于采用大渦模擬，Y+一般取1。因此，對于本文，為保證此條件，第一層附面層尺寸大小取0.1mm，增長率為1.2，一共生成14層，最終總厚度為6mm。最終的體網格數(shù)量為1037萬。

3 仿真模擬結果分析

3.1 仿真與實驗比對

為了證明仿真模擬的合理性，選取無側風時仿真模擬和風洞試驗的氣動力進行對比。

仿真得到的三個力系數(shù)的誤差范圍均在5%以內，符合要求，說明仿真現(xiàn)在對于研究有很大的幫助，計算結果也能夠保證比較精確。

3.2 氣動六分力變化趨勢

阻力系數(shù)在前期隨著側風角度的增大而逐漸增大，在70°時取得最大值;側力系數(shù)和升力系數(shù)隨著側風角度的增大而不斷增大，可以看出，側風對側向力和升力的影響比較大，兩者會在側風角度較大時值也相對較大;側傾力矩系數(shù)也是隨著側風角度的增大而不斷增大;橫擺力矩系數(shù)則是在側風角度50°之前逐漸增大，隨后不斷減小;相對而言，俯仰力矩系數(shù)的變化就顯得比較雜亂，在沒有側風的作用時，其取值為正值，在側風作用時，其取值為負值，相當于側風的作用改變俯仰力矩的作用方向，在側風角度5°-35°的范圍內，俯仰力矩系數(shù)不斷減小，在35°-65°之間不斷增大，在65°之后又逐漸減小，變化比較復雜。

3.3 側風穩(wěn)定性評價

結合本文工況，研究發(fā)現(xiàn)，在車體駛入側風帶和駛出側風帶時，車體所受到的氣動力為線性函數(shù)，類似于線性階躍。當車體完全處于側分帶時，其所收到的氣動力為定值。本文Mira階梯背標準模型的車長為4162.8mm，側向風速為90km/h，汽車以100km/h的車速進入6m的側風帶，在2S內所受到的氣動力如下表達式（以0°時的阻力為例）：

（1）0

（2）0.15

（3）0.36

根據上述的公式，在軟件中編輯出此側風模型如下圖3所示：

將計算得到的氣動六分力輸入到軟件中，仿真得到不同側風角度下的側向位移對比。

在50°側風角度下，側向位移量最大，為1192mm。汽車在受到瞬時性急風作用運動時，其側向位移量和車身的橫擺角與質心的速度和側向力的大小這兩個外界因素有關。因此，對比上面?zhèn)蕊L0°-90°的工況，汽車的模型都是相同的，所示有關系數(shù)值都是相同的，所以，在此工況下，汽車質心點的速度與其所受到的側向的乘積在50°時取得最大值，因此上面仿真得到的最大側向位移為側風角度50°時。

4?結論

利用仿真的方法將汽車系統(tǒng)動力學和空氣動力學結合起來，更加具體的驗證了側風角度對行車安全的影響。研究發(fā)現(xiàn)，并非90°側風下汽車是最危險。而汽車在側風環(huán)境下的側向位移與質心點的速度和側風力的大小兩者共同影響。綜合來看，隨著側風角度的增大，汽車在側風環(huán)境下的側向位移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。而如果需要研究極限工況下的行車安全性，需要根據不同的車型和工況來確定具體的側風角度。

參考文獻

[1] Faerber，H A.Das Autobuch[M].Offenburg：Burda，1956：231.

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[3] 熊超強，臧孟炎，范秦寅.低阻力汽車外流場的數(shù)值模擬及其誤差分析[J].汽車工程，2012，1： 36-39.

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[5] CD-adapco Inc. STAR-CCM+ User Guide[M]. 2013.