唐洪濤，龍世桀，楊峻程，王 旭

（天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

汽車高速行駛的操作穩(wěn)定性、安全性和舒適性在很大程度上取決于汽車的氣動特性[1]。汽車在路面上行駛的工況越來越復(fù)雜，尤其是汽車在高速超車時，車身周圍流場不斷急劇變化，這不僅嚴(yán)重影響汽車的氣動特性，而且會使車輛發(fā)生偏移，影響車輛行駛時的穩(wěn)定性和安全性[2]。

2000年，AZIM等應(yīng)用實(shí)際汽車1/60的模型基于煙霧可視化方法，對超車過程的湍流特性進(jìn)行了試驗(yàn)[3]，結(jié)果表明，干擾車周圍的流動結(jié)構(gòu)根據(jù)雷諾數(shù)的改變而發(fā)生顯著變化，但是模型比例與真實(shí)汽車相差較大，而且可視化方法提供的定量信息很少。2005年，NOGER 等放大了模型尺寸，采用動態(tài)試驗(yàn)對兩個1/5尺寸的模型進(jìn)行了超車過程的瞬態(tài)模擬[4]，研究表明，縱向間距、橫向間距和相對速度都會對車輛的氣動力和力矩產(chǎn)生影響，但是模型較為簡單，精確程度低。隨后在2008年，CORIN等對超車過程進(jìn)行了數(shù)值模擬[5]，發(fā)現(xiàn)了相對速度會對超車過程中車輛周圍的壓力場產(chǎn)生影響，從而使車輛的受力狀態(tài)發(fā)生改變。2013年，BRUZELIUS等基于RANS方法進(jìn)行了數(shù)值模擬[6]，分析了超車過程引起的阻力、側(cè)向力和橫擺力矩系數(shù)的變化規(guī)律。2014年，HOWELL等通過試驗(yàn)的方法研究了小型汽車超越大型卡車時的空氣動力學(xué)特性[7]，得到了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并討論了試驗(yàn)過程的局限性。ALHOMOUD等應(yīng)用SolidWorks軟件設(shè)計了小型汽車和大型卡車模型并進(jìn)行了模擬仿真[8]，探索超車過程中4個不同位置上阻力系數(shù)對兩車的影響，但是該模擬并不是連續(xù)的超車過程，與真實(shí)的超車過程有差異。上述研究主要針對直道超車，對實(shí)際生活中的直道超車現(xiàn)象具有一定的指導(dǎo)意義。但是，實(shí)際生活中更多情況是變道超車，很少有人將變道超車過程中兩車的流場變化以及流場中渦的變化與車身受力相結(jié)合進(jìn)行分析。

綜上所述，本文基于前人的研究，采用動網(wǎng)格技術(shù)[9]和SIMPLE算法[10]對相同車型不同速度、相同車型不同間距、不同車型的變道超車過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了相應(yīng)的壓力云圖、速度矢量圖、流線圖以及側(cè)向力等結(jié)果，并對側(cè)向力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出變道超車過程不同位置處兩車周圍流場變化、車身周圍束縛渦與流場中自由渦的變化過程，從而解釋車身受力狀態(tài)發(fā)生改變的原因，為汽車行駛提供理論建議。

1 基本控制方程

本文選用的汽車行駛速度不超過100 km/h，馬赫數(shù)約為0.081 7，小于0.3，因此可以認(rèn)為此時氣體是不可壓縮的[11]。

連續(xù)性方程：

x方向上的動量守恒方程：

y方向上的動量守恒方程：

z方向上的動量守恒方程：

式（2）～（4）中：ρ為密度；t為時間；u、v、w分別表示速度在x、y、z方向上的速度分量；Fx、Fy、Fz分別表示體積力在x、y、z方向上的分量。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動能及耗散率運(yùn)輸方程為：

式（5）～（6）中：μi為湍流粘度；Gk是由平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項；Gb是由浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生項；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；C1ε、C1ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk、σε分別為湍動能k和湍動耗散率ε對應(yīng)的普朗特數(shù)，F(xiàn)LUENT中默認(rèn)值為σk=1.0、σε=1.3；Sk、Sε表示用戶自定義源項。

2 數(shù)值模擬

2.1 汽車模型的選取和計算域的設(shè)定

汽車模型選用某款家用轎車，其基本尺寸為：長4 866 mm，寬1 832 mm，高1 464 mm。按長寬的比例簡化為平面矩形，矩形的長用L表示，矩形的寬用W表示，車頭與車尾的棱角作光滑處理，兩車從右向左行駛，主超車命名為CarA，被超車命名為CarB，兩車初始位置距離計算域右邊界3L，兩車齊頭并進(jìn)。為保證變道超車時兩車有足夠的行駛距離，且不受兩邊壁面的影響，計算域尺寸設(shè)計為：長30L，寬15W。如圖1 所示。

圖1 汽車模型和計算域

2.2 網(wǎng)格劃分

模擬采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，模擬二維變道超車過程，小車車身線的網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.1，計算域網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.6。這樣的劃分方法可以使小車附近的區(qū)域網(wǎng)格相對較為密集，而遠(yuǎn)離小車的區(qū)域網(wǎng)格相對較為稀疏，從而可以提高小車周圍計算域的精度，更好地完成模擬。如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件和初始條件的設(shè)定

計算域的右邊界設(shè)置為壓力進(jìn)口，左邊界設(shè)置為壓力出口，兩車車身設(shè)置為wall，求解器選用非定常求解器，計算采用k-epsilon湍流模型，定義流體材料中選擇ideal-gas（理想氣體）。動網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置選擇Smoothing（網(wǎng)格光順）和Remeshing（網(wǎng)格重劃分），Smoothing中的彈性因子設(shè)置為0.05[12]。動網(wǎng)格中需要對局部網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分，重新劃分網(wǎng)格時需要判定網(wǎng)格畸形率和網(wǎng)格尺寸是否符合要求，因此，在Remeshing中選用Must Improve Skewness（改善畸形率）和Size Function（尺寸函數(shù)），從而使局部網(wǎng)格完成更好的重新劃分，提高網(wǎng)格質(zhì)量[12]。為了避免動網(wǎng)格計算時出現(xiàn)負(fù)體積的問題，網(wǎng)格的最小體積應(yīng)該大于小車的最快速度與計算步長的乘積。

2.4 變道超車方案設(shè)計

記CarA的中心與CarB的中心沿x軸正方向的距離為X，沿y軸正方向的距離為Y，用X/L和Y/W表示兩車的位置。變道超車方案見表1。

表1 變道超車方案

3 模擬結(jié)果分析

3.1 變道超車壓力云圖分析

選擇Case2的壓力云圖進(jìn)行分析。選取超車過程的5個位置，分別是X/L=0.5、Y/W=1.5，X/L=1、Y/W=1.25，X/L=1.5、Y/W=1，X/L=2、Y/W=0.75，X/L=3.5、Y/W=0。單車行駛時，在不考慮側(cè)風(fēng)的影響下，小車所受的側(cè)向力和旋轉(zhuǎn)力矩幾乎為0，但復(fù)數(shù)車輛變道超車過程中，兩車會產(chǎn)生相互影響，圖例單位為Pa。

圖3 變道超車壓力云圖

如圖3a所示，CarA在x方向上超越CarB半個車身長時，CarA前方的正壓區(qū)與CarB前方的正壓區(qū)相互作用，產(chǎn)生不均衡的側(cè)向力。兩車之間的區(qū)域形成負(fù)壓區(qū)，產(chǎn)生相互吸引的趨勢。CarA兩側(cè)的氣壓在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，局部受力不均衡，車頭內(nèi)側(cè)壓力高于外側(cè)壓力，車尾內(nèi)側(cè)壓力低于外側(cè)壓力，產(chǎn)生逆時針的趨勢，車身發(fā)生振動。由于局部受力不均衡，CarB車身內(nèi)側(cè)壓力低于外側(cè)壓力，產(chǎn)生逆時針旋轉(zhuǎn)的趨勢。此時，CarB的車頭有很大幾率撞擊CarA的車身，屬于變道超車過程中的危險位置。

如圖3b所示，CarA在x方向上完成對CarB的超越時，CarA內(nèi)側(cè)氣壓受到CarB車頭處高壓的影響，相較外側(cè)呈現(xiàn)高壓狀態(tài)，兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，CarA車身受到內(nèi)側(cè)指向外側(cè)的側(cè)向力，車尾處內(nèi)側(cè)區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，受到外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的側(cè)向力，車身產(chǎn)生逆時針旋轉(zhuǎn)趨勢，車身振動加劇。CarB內(nèi)側(cè)氣壓受到CarA尾部氣壓的影響相較外側(cè)呈現(xiàn)高壓，CarB車身受到內(nèi)側(cè)指向外側(cè)的側(cè)向力，車頭處受到外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的側(cè)向力，車身同樣產(chǎn)生逆時針旋轉(zhuǎn)趨勢，此時兩車容易出現(xiàn)剮蹭現(xiàn)象，因此，兩車應(yīng)該在橫向上保持安全距離。

如圖3c所示，CarA在x方向上超出CarB半個車身長時，CarA車身內(nèi)側(cè)仍然受到CarB車頭處高壓的影響，兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，產(chǎn)生側(cè)向力，隨著兩車x方向間距的增大，側(cè)向力逐漸減小。同理，CarB的內(nèi)側(cè)氣壓受到CarA尾部氣流的影響減小，產(chǎn)生的側(cè)向力也隨之減小。

如圖3d和圖3e所示，CarA超越CarB變道至被超車車道的過程中，隨著兩車x方向間距的增大，兩車所受到的側(cè)向力逐漸減小。CarA的尾流對CarB的內(nèi)側(cè)影響逐漸減小。

3.2 速度矢量圖分析

在變道超車過程中，運(yùn)動的小車周圍形成不均衡流動甚至于偏置的流場，兩個流場區(qū)域相互干涉，不斷變化，從而引起小車氣動力發(fā)生變化。圖例單位m/s。

圖4 變道超車速度矢量圖

圖4b為圖4a的局部放大圖，CarA在x方向上超越CarB半個車身長時，兩車之間的區(qū)域氣流相互干涉，該區(qū)域氣流明顯加速，形成低壓區(qū)。CarA車身內(nèi)側(cè)的氣流與CarB車頭內(nèi)側(cè)的氣流方向相反，相互作用產(chǎn)生排斥力，CarA車頭處受到內(nèi)側(cè)指向外側(cè)的力，車尾處受到低壓區(qū)的影響，產(chǎn)生外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的力，產(chǎn)生逆時針旋轉(zhuǎn)的趨勢，CarA車身發(fā)生振動，對駕駛員的操作有很大的影響。CarB車頭處受到由外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的力，產(chǎn)生逆時針旋轉(zhuǎn)的趨勢。

圖4d為圖4c的局部放大圖，CarA在x方向上完成對CarB的超越，在X/L=0.5到X/L=1的過程中，CarA所受到的側(cè)向力逐漸增大至最大，CarA內(nèi)側(cè)氣流干擾加劇，車身振動加劇。CarB內(nèi)側(cè)氣流受到CarA車尾處氣流影響，氣流方向、大小都發(fā)生了變化，產(chǎn)生渦，由于渦的渦量和位置發(fā)生變化，導(dǎo)致CarB車身受力變化明顯，對CarB的行駛穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。

如圖4e所示，CarA在x方向上超出CarB半個車身長時，隨著兩車x方向距離的增大，兩車的相互干涉減小，CarA受到的側(cè)向力逐漸減小。CarA尾部氣流與CarB車頭處氣流相互干涉，氣流加速，在該區(qū)域形成低壓區(qū)。CarB受到的側(cè)向力，同時隨著兩車x方向的距離增大而減小。

如圖4f和圖4g所示，CarA超越CarB變道至被超車車道的過程中，隨著兩車x方向距離的增大，兩車流場的相互干涉減小，兩車基本恢復(fù)單車行駛狀態(tài)。

3.3 流線圖分析

對Case2的流線圖進(jìn)行瞬態(tài)流線圖采集，時間步長為0.000 1 s，每100個時間步長采集一張圖片。通過對比圖5所示X/L=0.1到X/L=1.5的瞬態(tài)流線圖分析發(fā)現(xiàn)，從X/L=0.6開始在兩車壁面的內(nèi)外兩側(cè)分別出現(xiàn)一對明顯束縛渦，隨著兩車相對位置的變化，束縛渦的渦量發(fā)生變化，使兩車周圍的流場比較紊亂；在CarA的尾流中存在自由渦，這個渦產(chǎn)生、變大、運(yùn)動、消失的過程，引起兩車之間流場相互干涉。

圖5 變道超車流線圖

在X/L=0.1到X/L=0.5的過程中，兩車內(nèi)側(cè)流線相互作用，氣流加速，此處形成低壓區(qū)，兩車產(chǎn)生相互吸引的趨勢。隨著兩車y方向距離減小，兩車相互吸引的趨勢逐漸增強(qiáng)。在此過程中，兩車相互吸引的趨勢占主導(dǎo)地位。兩車所受到的側(cè)向力逐漸增大，在X/L=0.5時，CarB所受到的側(cè)向力增至最大。

在車身周圍循環(huán)流動通常發(fā)生在車身表面的旋渦稱為束縛渦；在車身上形成的循環(huán)流動向外側(cè)擴(kuò)散，并最終消失在大氣中的旋渦稱為自由渦。

隨著兩車縱向間距的增大，在X/L=0.6時，存在4個比較明顯的束縛渦，分別命名為1、2、3、4渦，其中1渦、2渦在貼近CarA壁面的位置，1渦為逆時針方向旋轉(zhuǎn)，渦尺寸較小，2渦為順時針方向旋轉(zhuǎn)，渦尺寸較大，3渦、4渦在貼近CarB壁面的位置，3渦為逆時針方向旋轉(zhuǎn)，渦尺寸較大，4渦為順時針方向旋轉(zhuǎn)，渦尺寸較小。1渦、4渦在CarA、CarB的外側(cè)受到的影響較小，發(fā)生的變化也較小。

束縛渦（2渦）的產(chǎn)生、變化消耗流場中的能量，引起周圍壓強(qiáng)的改變，進(jìn)而影響CarA的受力狀態(tài)，同時兩車縱向間距增大，低壓區(qū)范圍減小，相互吸引的趨勢減弱，因此，CarA受到由內(nèi)側(cè)指向外側(cè)的側(cè)向力增大。

在X/L=0.7時，2渦渦尺寸增大，3渦渦尺寸增大，5渦是從由2渦脫離車身表面進(jìn)入大氣內(nèi)形成的自由渦，5渦呈順時針方向旋轉(zhuǎn)，渦尺寸較小。

自由渦的產(chǎn)生消耗流場中的能量，產(chǎn)生自由渦的位置，壓強(qiáng)會發(fā)生急劇變化，同時兩車相互吸引的趨勢減弱，CarB受到由外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的側(cè)向力減小。

在X/L=0.8時，2渦向內(nèi)側(cè)運(yùn)動，3渦渦尺寸減小，5渦向后運(yùn)動，逐漸脫離CarA的尾流流場，渦尺寸增大，呈逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

在X/L=0.9時，2渦向后運(yùn)動，3渦渦尺寸增大，5渦持續(xù)向后運(yùn)動，渦尺寸持續(xù)減小，隨著5渦從CarA的尾流場中脫離出來，在CarA的尾流場中產(chǎn)生6渦，6渦渦尺寸較小，呈順時針方向旋轉(zhuǎn)，與5渦旋轉(zhuǎn)方向相反。

在X/L=1.0時，2渦渦尺寸持續(xù)增大，3渦向前運(yùn)動，5渦持續(xù)向后運(yùn)動從捕捉平面消失，6渦向后運(yùn)動，渦量增大，呈逆時針方向旋轉(zhuǎn)，6渦展現(xiàn)出5渦的特征。

束縛渦渦尺寸、位置的變化過程，引起流場中壓強(qiáng)發(fā)生改變，束縛渦（2渦）渦尺寸持續(xù)增加，位置不斷發(fā)生變化，對CarA受力狀態(tài)的影響增大，因此，CarA受到的側(cè)向力不斷增加，在X/L=1.0時，側(cè)向力增大至最大。

自由渦產(chǎn)生、變大、運(yùn)動、消失的過程消耗流場的能量，隨著5渦、6渦渦尺寸增大和位置向后運(yùn)動，對CarB受力狀態(tài)的影響逐漸增大，在圖6b側(cè)向力變化曲線中的表現(xiàn)為CarB所受側(cè)向力的斜率增大。

圖6 不同超車速度側(cè)向力變化曲線

在X/L=1.1時，2渦渦尺寸減小，3渦渦尺寸減小，6渦與5渦的運(yùn)動狀態(tài)相同，持續(xù)向后運(yùn)動從捕捉平面消失，CarA尾流場中7渦逐漸產(chǎn)生，7渦渦尺寸較小，呈順時針方向旋轉(zhuǎn)。在X/L=1.2時，2渦渦尺寸增大，3渦向后運(yùn)動，7渦向后運(yùn)動，渦尺寸明顯增大，呈順時針方向旋轉(zhuǎn)，7渦呈現(xiàn)出與5渦、6渦相同的特征。在X/L=1.3時，3渦向前運(yùn)動，渦尺寸增大，7渦持續(xù)向后運(yùn)動，逐漸從CarA的尾流中脫離出來，形成一個獨(dú)立的呈逆時針方向旋轉(zhuǎn)的自由渦。在X/L=1.4時，3渦消失，7渦持續(xù)向后運(yùn)動，渦尺寸減小，呈逆時針方向旋轉(zhuǎn)。在X/L=1.5時，7渦持續(xù)向后運(yùn)動從捕捉平面消失。隨著兩車x方向間距增大，CarA的尾流場中不再產(chǎn)生自由渦。

束縛渦（2渦）在X/L=1.1時渦尺寸開始減弱，CarA受到的側(cè)向力逐漸減弱。隨著兩車縱向間距的增大，兩車之間的相互干涉減小，側(cè)向力減小，兩車行駛狀態(tài)逐漸趨于平穩(wěn)。

自由渦（7渦）在X/L=1.1時產(chǎn)生，X/L=1.2時變大，X/L=1.3時向后運(yùn)動的過程中，對CarB的影響持續(xù)增大。隨著自由渦向后運(yùn)動至車尾處后消失，自由渦對CarB受力狀態(tài)的影響開始減弱。在圖6b側(cè)向力變化圖中的表現(xiàn)為：在X/L=1.3附近側(cè)向力趨勢發(fā)生改變。

通過以上對兩車之間流場流線的瞬態(tài)仿真分析，在變道超車過程中，高速氣流在兩車內(nèi)外兩側(cè)壁面位置和兩車之間區(qū)域變化較為復(fù)雜，隨著兩車相對位置的變化，兩對束縛渦的渦尺寸大小持續(xù)變化，旋轉(zhuǎn)方向相反。變道超車過程中，CarA尾流場中出現(xiàn)自由渦，自由渦產(chǎn)生、變大、運(yùn)動、消失的過程，加劇了兩車周圍流場的相互干涉，因此，研究束縛渦渦量和位置的變化、自由渦從產(chǎn)生到消失的過程對兩車受力狀態(tài)的影響具有重要意義。

3.4 不同車速數(shù)據(jù)分析

對比分析Case1～3在X/L=0.5、Y/W=1.5位置的壓力云圖可知，隨著兩車的速度加快，兩車車頭處正壓值依次增加，相互作用依次加強(qiáng)，兩車之間的負(fù)壓區(qū)范圍和最大負(fù)壓值依次增大。因此，在負(fù)壓區(qū)的影響下，主超車和被超車都受到側(cè)向力和旋轉(zhuǎn)力矩的作用，隨著兩車速度的增加，側(cè)向力和旋轉(zhuǎn)力矩依次增加。

3.5 不同車距數(shù)據(jù)分析

對比分析Case4、 Case2和Case5在X/L=0.5位置的壓力云圖可以得出，隨著兩車的間距增大，兩車之間的負(fù)壓區(qū)范圍和最大負(fù)壓值依次減小。隨著變道超車的間距變大，主超車和被超車所受到的側(cè)向力和旋轉(zhuǎn)力矩依次降低。

圖7 不同超車速度壓力云圖

圖8 不同超車間距壓力云圖

3.6 側(cè)向力數(shù)據(jù)分析

3.6.1 不同車速的變道超車數(shù)據(jù)分析

本文中側(cè)向力的方向是垂直于小車行駛方向的力。在單車行駛狀態(tài)，不考慮側(cè)風(fēng)影響的條件下，所受到的側(cè)向力基本為0。在變道超車過程中，小車所受到的側(cè)向力有明顯的變化，在超車過程中相對位置不同，所受到的側(cè)向力也不同。當(dāng)側(cè)向力發(fā)生劇烈變化時，小車的行駛穩(wěn)定性會受到嚴(yán)重的影響。

主超車CarA在Case1、Case2、Case3變道車的超車過程中所受到的側(cè)向力如圖6a所示，主超車CarA所受到的側(cè)向力先增大再減小后趨于穩(wěn)定，在X/L=1時側(cè)向力達(dá)到最大。 Case2與Case1、Case3對比發(fā)現(xiàn)：控制兩車間距不變，兩車速度越快，側(cè)向力的變化幅度越大。主超車CarA在Case1的極值比Case2的極值增大了56%， Case1的極值比Case3的極值增大了156%，Case2的極值比Case3的極值增大了64%。

被超車CarB在Case1、Case2、Case3變道車超車過程中所受到的側(cè)向力如圖 6b所示，被超車CarB所受到的側(cè)向力先增大再減小后趨于穩(wěn)定，在X/L=0.5時側(cè)向力達(dá)到最大；與主超車CarA相似，隨著車速的增加，側(cè)向力的變化幅度增大。Case2與Case1、Case3對比發(fā)現(xiàn)：被超車CarB在Case1的極值比Case2的極值增大了68%，Case1的極值比Case3的極值增大了199%，Case2的極值比Case3的極值增大了78%。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，改變車速變道超車時，被超車受到的影響大于主超車。

3.6.2 不同間距的變道超車數(shù)據(jù)分析

主超車CarA在 Case2、Case4、Case5變道車超車過程中所受到的側(cè)向力如圖9a所示，控制兩車車速相同，改變兩車間距對側(cè)向力的影響。隨著兩車間距的增加，主超車受到的側(cè)向力變化幅度降低。主超車CarA在Case4的極值比Case2的極值增大了42%，Case4的極值比Case5的極值增大了74%，Case2的極值比Case5的極值增大了23%。

被超車CarB在Case2、Case4、Case5變道車超車過程中所受到的側(cè)向力如圖9b所示，與主超車相同，隨著兩車間距的增大，被超車受到的側(cè)向力減小。被超車CarB在Case4的極值比Case2的極值增大了18%，Case4的極值比Case5的極值增大了41%，Case2的極值比Case5的極值增大了18%。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，改變間距變道超車時，主超車受到的影響大于被超車。

圖9 不同超車間距側(cè)向力變化曲線

3.7 不同車型變道超車的分析

3.7.1 小車超越大車

以上是對相似車型變道超車的研究，下面對不同車型變道超車進(jìn)行探索，對小車超越大車的壓力圖和側(cè)向力的變化進(jìn)行分析。該方案命名為Case6，小車命名CarA，大車命名CarB。選取X/L=0.5和X/L=1的位置進(jìn)行分析。

如圖10a所示：不同車型變道超車相較于相同車型變道超車，兩車車頭處正壓區(qū)的相互作用明顯增大，兩車之間的負(fù)壓區(qū)范圍和最大負(fù)壓值有所增大，說明兩車相互吸引的趨勢增強(qiáng)，側(cè)向力增大。CarB的尺寸和重量較CarA相差較大，側(cè)向力對CarA的影響更為明顯，逆時針旋轉(zhuǎn)趨勢增強(qiáng)，CarA的操作穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，車身出現(xiàn)振動，有很大可能與CarB相撞。

如圖10b所示：不同車型變道超車時，兩車正壓區(qū)作用范圍明顯增強(qiáng)，CarA內(nèi)側(cè)壓力升高，兩側(cè)壓力差增大，CarA受到的側(cè)向力增加至最大，逆時針旋轉(zhuǎn)趨勢增強(qiáng)，CarA的操作穩(wěn)定性受到影響，車身的振動現(xiàn)象加劇，有一定幾率被CarB“吸引”過來，發(fā)生車禍。

圖10 不同車型變道超車壓力云圖（小車超越大車）

對比不同車型變道超車的側(cè)向力發(fā)現(xiàn)：主超車CarA在變道超車的過程中，所受到側(cè)向力的變化幅度明顯增加。主超車CarA在Case6的極值比Case2的極值增大了60%。被超車CarB受到的側(cè)向力也有所增加，被超車CarB在Case6的極值比Case2的極值增大了27%，主超車CarA所受到側(cè)向力的變化幅度更大，對小車的操作穩(wěn)定性影響更大。

圖11 不同車型變道超車側(cè)向力變化曲線（小車超越大車）

3.7.2 大車超越小車

大車變道超越小車的情況，同樣對壓力圖和側(cè)向力的變化進(jìn)行分析，該方案命名為Case7，大車命名為CarC，小車命名為CarD。同樣選取X/L=0.5和X/L=1的位置進(jìn)行分析。

如圖12a所示：不同車型變道超車時，由于CarC的尺寸和質(zhì)量較大，車頭處的正壓區(qū)范圍和正壓值較相同車型變道超車明顯增大，兩車之間負(fù)壓區(qū)范圍和負(fù)壓最大值有所增加。此時CarD所受的側(cè)向力達(dá)到最大值，對CarD的操作穩(wěn)定性有很大的影響，有很高機(jī)率與CarC相撞。因此，應(yīng)控制兩車保持安全的距離。

如圖12b所示：不同車型變道超車相較于相同車型變道超車，兩車的車頭處正壓區(qū)的相互作用明顯增強(qiáng)，CarC的內(nèi)側(cè)壓力增大，導(dǎo)致兩側(cè)壓差增大，此時CarC受到的側(cè)向力也增加至最大，車身振動加劇，對CarC的操作穩(wěn)定性造成影響。因此，CarD應(yīng)增大與CarC的間距，降低行車速度，避免發(fā)生事故。

圖12 不同車型變道超車壓力云圖（大車超越小車）

當(dāng)大車超越小車時，兩車變道超車過程中，各個位置所受到的側(cè)向力明顯增大。主超車CarC在Case7的極值比Case2的極值增大了94%，被超車CarD在Case7的極值比Case2的極值增大了47%，主超車CarC所受到的側(cè)向力變化幅度增大，對大車的操作穩(wěn)定性影響增大。由于變道超車過程中車型的不同，兩車所受的側(cè)向力變化幅度增大。

圖13 不同車型變道超車側(cè)向力變化曲線（大車超越小車）

4 結(jié)論

（1）變道超車過程中壓力、速度、側(cè)向力隨著兩車的相對位置的變化而變化，兩車所受側(cè)向力都會先增大后減小，然后趨于穩(wěn)定，主超車在X/L=1時，側(cè)向力達(dá)到最大值，被超車在X/L=0.5時，側(cè)向力達(dá)到最大。

（2）變道超車過程中，汽車的行駛穩(wěn)定性與側(cè)向力的大小有密切的聯(lián)系，在X/L=0.5到X/L=1的位置的過程中，側(cè)向力較大，此時屬于變道超車的危險位置。

（3）變道超車過程相較于直道超車過程流場變化更為復(fù)雜，變道超車過程中車身兩側(cè)的束縛渦渦量大小持續(xù)變化，旋轉(zhuǎn)方向相反；流場中自由渦經(jīng)歷產(chǎn)生、變大、發(fā)展、消失的過程，消耗流場中的能量，加劇兩車周圍的流線發(fā)生偏置，從而影響兩車的受力狀態(tài)。

（4）通過方案對比發(fā)現(xiàn)：變道超車過程中，兩車車速增大，側(cè)向力增大，被超車受到的影響大于主超車；兩車間距減小，側(cè)向力增大，主超車受到的影響大于被超車。

（5）不同車型變道超車時，側(cè)向力的變化會有所不同，小車超越大車時，小車受到的影響遠(yuǎn)大于大車，嚴(yán)重影響駕駛員的操作穩(wěn)定性，為了避免發(fā)生交通事故，應(yīng)降低超車速度，增加超車間距。