摘 要：為了探究風(fēng)雨環(huán)境下駕駛隊(duì)列的氣動(dòng)載荷特性和流場(chǎng)特性，該文基于Euler-Lagrange法，考慮雨滴和氣流的相互作用，建立風(fēng)雨耦合環(huán)境下的駕駛隊(duì)列模型，并對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)而研究降雨量、側(cè)向風(fēng)風(fēng)速、車輛間距對(duì)隊(duì)列中車輛的氣動(dòng)載荷特性和流場(chǎng)特性的影響。研究表明：隨著降雨量和側(cè)向風(fēng)風(fēng)速的增大，駕駛隊(duì)列中車輛受到的力和力矩不斷增大，當(dāng)降雨量為50～250 mm/h時(shí)，隊(duì)列中第1輛車阻力從27.21 N增大到28.49 N；當(dāng)側(cè)向風(fēng)為4.4～15.5 m/s時(shí)，第1輛車的側(cè)向力從101 N增大到554.3 N。隨著隊(duì)列間距的增大，隊(duì)列中車輛受到的氣動(dòng)阻力先增大后減小，側(cè)向力和側(cè)傾力矩不斷增大，橫擺力矩不斷減小；當(dāng)隊(duì)列間距為0.25～0.75倍時(shí)，尾車（第5輛車）的側(cè)向力從137.6 N增大到174.74 N，橫擺力矩從39.29 Nm降低到12.47 Nm。

關(guān)鍵詞： 氣動(dòng)載荷特性；風(fēng)雨耦合；駕駛隊(duì)列；側(cè)向風(fēng)風(fēng)速；降雨量

中圖分類號(hào)： U 461.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.04.005

Research on aerodynamic characteristics of driving platooning"in wind and rain coupled environment

XU Jianmin1，2， YANG Wei1， GONG Xiaoyan1， WU Song1， LI Luonan1

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Xiamen University of Technology， Xiamen 361024 China;2. Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Bus Design and Manufacturing， Xiamen 361024 China）

Abstract： In order to explore the aerodynamic load characteristics and fow feld characteristics of the driving queue under wind and rain environment， this paper established a driving queue model under wind and rain coupling environment based on Euler-Lagrange method， considering the interaction between raindrops and air fow， and verifed the accuracy of the model by comparing the test data. Then the effects of rainfall， lateral wind speed and vehicle spacing on the aerodynamic load characteristics and fow feld characteristics of vehicles in the queue were studied. The results show that the force and torque on vehicles in the driving queue increase continuously with the increase of rainfall and lateral wind speed. When the rainfall is 50～250 mm/h， the resistance of the frst vehicle in the queue increases from 27.21 to 28.49 N. When the lateral wind is 4.4～15.5 m/s， the lateral force of the frst vehicle increases from 101 to 554.3 N. With the increase of queue spacing， the aerodynamic resistance of vehicles increases at frst and then decreases， the lateral force and roll moment increase"continuously， and the yaw moment decreases continuously. When the queue spacing is 0.25 to 0.75 times， the lateral force of the tail car （the ffth car） increases from 137.6 to 174.74 N， and the yaw moment decreases from 39.29 to 12.47 Nm.

Key words： a erodynamic load characteristic; wind and rain coupling; driving platooning; lateral wind speed;"rainfall

在運(yùn)輸業(yè)中重型廂式貨車的能源消耗占比較高，減小重型廂式貨車的能源消耗一直以來是本行業(yè)的目標(biāo)之一。但是目前單輛車減阻設(shè)計(jì)已趨于成熟，因此需要考慮隊(duì)列行駛車輛之間聯(lián)動(dòng)減阻，而自動(dòng)駕駛技術(shù)的出現(xiàn)為車輛的隊(duì)列行駛提供了基礎(chǔ)。中國(guó)地域遼闊、氣候多變，車輛在行駛中不可避免地會(huì)遇到惡劣天氣，在風(fēng)雨天氣時(shí)隊(duì)列中車輛的受力會(huì)發(fā)生較大變化，嚴(yán)重情況甚至?xí)斐山煌ㄊ鹿?。因此，探究風(fēng)雨環(huán)境下駕駛隊(duì)列中車輛的氣動(dòng)特性及車輛周圍流場(chǎng)變化對(duì)深入了解駕駛隊(duì)列的氣動(dòng)性能和行車安全至關(guān)重要。

側(cè)風(fēng)、降雨是車輛行駛中經(jīng)常遇到的外界環(huán)境，風(fēng)雨環(huán)境會(huì)使車輛的受力情況發(fā)生改變。CHEN Zheng [1]的研究結(jié)果表明在側(cè)風(fēng)環(huán)境下， 隨著車頭長(zhǎng)度增加，整車氣動(dòng)阻力系數(shù)不斷降低。許建民[2]研究了不同減阻結(jié)構(gòu)在側(cè)風(fēng)環(huán)境下的氣動(dòng)阻力和側(cè)向力，表明在橫擺角為12°時(shí)，復(fù)合減阻裝置效果最佳。M. Lorite-Díez [3]對(duì)側(cè)風(fēng)環(huán)境下廂式車尾部添加不同氣動(dòng)附件及氣動(dòng)阻力的研究，表明彎曲空腔在側(cè)風(fēng)下對(duì)汽車減阻效果更佳。張英朝[4]在側(cè)風(fēng)環(huán)境下，對(duì)平頭貨車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化得到了最優(yōu)結(jié)構(gòu)。于偉靖[5]的研究表明車輛通過建筑物間隙不同長(zhǎng)寬比側(cè)風(fēng)帶時(shí)， 隨著長(zhǎng)寬比的增加，氣動(dòng)力峰值也增加。A. I. Ishak [6]研究了不同側(cè)風(fēng)環(huán)境下列車在不同路堤運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)載荷和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，表明路堤的引入將惡化列車周圍的空氣動(dòng)力學(xué)特性。張英朝[7]探究了側(cè)風(fēng)環(huán)境下方程式賽車的氣動(dòng)力系數(shù)變化情況，表明隨著擺角的增大，賽車的阻力因數(shù)和側(cè)向力系數(shù)不斷增大。WANG Ming [8]對(duì)側(cè)風(fēng)環(huán)境下橋梁上運(yùn)行列車的氣動(dòng)特性研究，表明低風(fēng)速側(cè)風(fēng)下的側(cè)向系數(shù)和升力系數(shù)比高風(fēng)速下的值更大。針對(duì)側(cè)向風(fēng)類型，J. Howell [9]對(duì)比了在有切變和無切變2種側(cè)風(fēng)作用下車輛的氣動(dòng)特性，表明2種情況受力基本一致。進(jìn)一步地，隗海林等[10]、LIANG Hao [11]探究了不同側(cè)風(fēng)環(huán)境下以編組行駛的車輛氣動(dòng)特性變化規(guī)律，表明6編組列車側(cè)向力較小。上述學(xué)者對(duì)側(cè)風(fēng)環(huán)境下多種情況和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致研究，但沒有考慮到降雨對(duì)車輛氣動(dòng)特性的影響。

針對(duì)風(fēng)雨結(jié)合的情況，于夢(mèng)閣[12 -13]、SH AO"Xueming [14]、LI Haiqing [15]、ZENG Guangzhi [16]和彭益華[17]研究了風(fēng)雨環(huán)境下高速列車空氣動(dòng)力學(xué)性能的變化，表明隨著降雨量增加，列車氣動(dòng)阻力、升力和側(cè)向力等不斷升高。YU Mengge [18-19]研究了側(cè)風(fēng)和降雨環(huán)境對(duì)高速列車氣動(dòng)特性的影響，表明列車的氣動(dòng)載荷系數(shù)主要與列車的偏航角、降雨強(qiáng)度和風(fēng)速有關(guān)；暴雨環(huán)境非球形雨滴下高速列車氣動(dòng)系數(shù)隨降雨強(qiáng)度近似線性增加。上述研究對(duì)象為風(fēng)雨環(huán)境下的高速列車，對(duì)廂式貨車在風(fēng)雨環(huán)境下隊(duì)列行駛的研究具有一定的啟發(fā)意義。

目前對(duì)于車輛隊(duì)列或單獨(dú)車輛減阻的研究多聚焦于不同側(cè)風(fēng)環(huán)境，但是車輛在行駛過程中會(huì)經(jīng)常遭遇風(fēng)雨交加的天氣情況，降雨會(huì)很大程度地影響車輛的受力情況從而影響駕駛安全，而對(duì)于廂式貨車在風(fēng)雨環(huán)境下隊(duì)列行駛的研究仍處于起步階段。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，隊(duì)列行駛尤其是長(zhǎng)途運(yùn)輸中貨運(yùn)車輛的隊(duì)列行駛是將來的發(fā)展趨勢(shì)，研究駕駛隊(duì)列在各種環(huán)境下的氣動(dòng)特性對(duì)隊(duì)列行駛的發(fā)展至關(guān)重要。鑒于此，本文基于流體力學(xué)仿真分析法，采用基于Euler-Lagrange的離散相模型（discrete phase model，DPM）建立駕駛隊(duì)列的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證其準(zhǔn)確性；再以駕駛隊(duì)列為研究對(duì)象，探究不同降雨量、側(cè)向風(fēng)風(fēng)速、駕駛隊(duì)列間距對(duì)于駕駛隊(duì)列氣動(dòng)特性的影響。

1 計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型的選擇

多相流是2種或者2種以上不同的物質(zhì)一起流動(dòng)，比如氣液、氣固、液固等。求解多相流的方法一般有2種：Euler-Lagrange模型法和Euler-Euler模型法。本文選擇基于Euler-Lagrange法的DPM模型，同時(shí)考慮連續(xù)相風(fēng)和離散型雨之間的相間耦合作用。DPM模型離散相雨滴顆粒的力平衡方程表達(dá)式為：

其中： u為連續(xù)相流體速度； up為雨滴速度； ρp為雨滴密度； gx是g在x方向上的重力加速度； FD（u ? up）為單位質(zhì)量雨滴所受的阻力； dp為雨滴直徑； CD為阻力因數(shù)；b1、b2和b3為常數(shù)，與雷諾數(shù)Re相關(guān)。

1.2 降雨強(qiáng)度選取

降雨強(qiáng)度是指定時(shí)間段內(nèi)的指定面積區(qū)域的降雨量，可以反映出降雨程度。參考高速列車在風(fēng)雨環(huán)境下相關(guān)研究設(shè)置的降雨強(qiáng)度[4]，本文選擇50、100、150、200、250 mm/h 共5個(gè)降雨強(qiáng)度。降雨程度不同，雨滴的大小也會(huì)存在差異，根據(jù)C. A. Best [20]的研究，可以根據(jù)不同降雨強(qiáng)度計(jì)算雨滴粒徑，當(dāng)降雨強(qiáng)度一定時(shí)，雨滴粒徑的計(jì)算式為

其中： D是雨滴的直徑； k是雨型常數(shù)，k = 2.25； I是降雨強(qiáng)度； E是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取E = 1.3。

1.3 雨滴譜分析

C.A.Best [20]

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算總結(jié)得到降雨雨滴尺寸分布和降雨強(qiáng)度的關(guān)系，從而得到了雨滴譜的計(jì)算式為

其中：F（D）是雨滴直徑≤D的雨滴數(shù)量在總雨滴中所占據(jù)的百分?jǐn)?shù)；V是單位體積空氣中雨滴的總體積；m、n、K分別是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)：m = 0.232，n = 0.846，K = 67。在仿真

設(shè)置中需要輸入質(zhì)量流量，因此需要將單位體積中雨滴體積的含量換算為質(zhì)量流量，計(jì)算式為[21]

Q =. （7）其中： Q為總的質(zhì)量流量； v為雨滴的終點(diǎn)速度； S為降雨平面的面積。

1.4 雨滴終點(diǎn)速度計(jì)算

在降雨環(huán)境中，在重力的影響下雨滴會(huì)加速下落，下落的同時(shí)雨滴會(huì)受到空氣阻力，最終雨滴會(huì)以固定的速度下降，固定下降的速度就是雨滴的終點(diǎn)速度。當(dāng)雨滴粒徑的大小發(fā)生變化時(shí)雨滴的終點(diǎn)速度會(huì)發(fā)生改變，雨滴的終點(diǎn)速度和雨滴粒徑的關(guān)系式[21]為

2 仿真計(jì)算模型

2.1 幾何模型構(gòu)建

廂式貨車在運(yùn)輸業(yè)比較常見，尤其長(zhǎng)貨廂貨車數(shù)量占比較高，本文為了研究隊(duì)列行駛時(shí)重型廂式貨車的氣動(dòng)特性，選取美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）的類廂式貨車地面運(yùn)輸系統(tǒng)（ground transportation system，GTS）模型作為駕駛隊(duì)列的基礎(chǔ)模型[22]，GTS模型中該模型車輛長(zhǎng)度l = 2 476 mm，車輛寬度w = 324 mm，車輛高度h = 514 mm。建立的GTS模型如圖1所示。

2.2 計(jì)算域和邊界條件設(shè)置

外流場(chǎng)仿真要保證外部有足夠的空間，避免阻塞效應(yīng)。駕駛隊(duì)列模型由5輛車組成，計(jì)算域的外流場(chǎng)長(zhǎng)度L設(shè)置28倍車長(zhǎng)，高H為5倍車高，寬W為50倍車寬，滿足阻塞比的要求。計(jì)算域入口為速度入口用來模擬車輛行駛速度，取車輛行駛速度為25 m/s；計(jì)算域出口為壓力出口，表氣壓為0；地面為滑移壁面；其余壁面為非滑移壁面，建立帶有降雨平面的駕駛隊(duì)列計(jì)算域，如圖2所示。

2.3 網(wǎng)格劃分

采用ICEM軟件選取非結(jié)構(gòu)四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。車體倒角等較小位置選擇4 mm，貨廂部分選取16 mm尺寸的網(wǎng)格，計(jì)算域外部選擇256尺寸網(wǎng)格。為使車輛周圍網(wǎng)格更加精密，在車輛周圍設(shè)置邊界層網(wǎng)格初始厚度為1 mm，增長(zhǎng)率為1.2，共3層邊界層。在車輛較近區(qū)域選擇密度盒子做局部加密。車輪接地處為保證網(wǎng)格的質(zhì)量做拉伸凸臺(tái)處理。圖3是隊(duì)列車輛的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格示意圖。

2.4 計(jì)算模型驗(yàn)證

為使仿真更加精確，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證。分別探究不同數(shù)量網(wǎng)格下，GTS車輛的氣動(dòng)阻力因數(shù)，如表1所示，可以看出當(dāng)網(wǎng)格達(dá)到271萬時(shí)GTS車輛的氣動(dòng)阻力因數(shù)變化不大，符合工程要求，因此本文在271萬網(wǎng)格的基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)研究。本文得到的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)0.508 [22]，試驗(yàn)差距為9.3%，符合要求。對(duì)單車進(jìn)行仿真得到氣動(dòng)阻力為27.53 N，氣動(dòng)升力為6.40 N。

3 風(fēng)雨耦合環(huán)境下駕駛隊(duì)列氣動(dòng)特性分析

3.1 風(fēng)雨耦合環(huán)境仿真方案設(shè)置

為探究在風(fēng)雨耦合環(huán)境下側(cè)向風(fēng)風(fēng)速、降雨量以及隊(duì)列間距對(duì)駕駛隊(duì)列車輛受力的影響。考慮降落的雨滴對(duì)主項(xiàng)來流風(fēng)的影響，采用風(fēng)雨相間耦合的方法進(jìn)行風(fēng)雨耦合環(huán)境模擬。在風(fēng)雨耦合環(huán)境下探究降雨量（50、100、150、200、250 mm/h）、側(cè)向風(fēng)風(fēng)速（4.4、6.7、9.35、12.3、15.5 m/s）和隊(duì)列間距（0.25倍、0.5倍、0.75倍）對(duì)車輛氣動(dòng)特性的影響。在采用控制變量法對(duì)參數(shù)影響進(jìn)行研究時(shí)，均選擇中等的側(cè)向風(fēng)風(fēng)速、降雨強(qiáng)度和隊(duì)列間距，然后分別對(duì)其余變量的影響進(jìn)行探究。

3.2 風(fēng)雨環(huán)境下駕駛隊(duì)列氣動(dòng)特性分析

圖4是隊(duì)列中車輛周圍雨滴流經(jīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖4a是流經(jīng)隊(duì)列中車輛雨滴軌跡的俯視圖，從圖中可以看出，在風(fēng)雨耦合環(huán)境下，雨滴在側(cè)向風(fēng)和主項(xiàng)來流風(fēng)的作用下，在水平面內(nèi)傾斜流過車身。圖4b圖是縱向平面內(nèi)雨滴流經(jīng)隊(duì)列車輛的軌跡圖，從圖可以看出，雨滴受到來流氣流的影響，在縱向平面內(nèi)傾斜地流經(jīng)車身。

圖5為隊(duì)列車輛中第1輛車在干燥環(huán)境和降雨環(huán)境下壓力云圖，對(duì)比兩環(huán)境中的云圖可見，第1輛車在降雨環(huán)境下，車輛左側(cè)出現(xiàn)一部分較大壓力區(qū)域，同時(shí)背風(fēng)側(cè)負(fù)壓區(qū)域增加，并且負(fù)壓值更大，負(fù)壓區(qū)域增大會(huì)增加對(duì)車輛的吸力。因此，降雨會(huì)對(duì)車輛的行駛穩(wěn)定性造成一定的影響。

3.2.1 降雨量對(duì)駕駛隊(duì)列的影響

考慮風(fēng)雨之間的相互影響作用，采用相間耦合的方法，運(yùn)用控制變量法，探究風(fēng)雨耦合環(huán)境下隊(duì)列中各車輛的氣動(dòng)特性。圖6是風(fēng)雨耦合環(huán)境下不同降雨量時(shí)隊(duì)列中第1輛車迎風(fēng)面的壓力云圖以及無降雨時(shí)單車迎風(fēng)面壓力云圖。從圖中可以看出，與無降雨相比，在降雨環(huán)境下車輛迎風(fēng)面的高壓區(qū)的壓力全部變大，并且隨著降雨強(qiáng)度的增大，車輛迎風(fēng)面高壓區(qū)域的面積隨之變大，車輛受到的氣動(dòng)阻力增大。同時(shí)結(jié)合圖5可知，在降雨情況下尾部壓力區(qū)域變化不大，進(jìn)一步說明隨著降雨量的增加車輛前后壓差不斷增大。

圖7是風(fēng)雨耦合環(huán)境下在0.5倍車輛間距和9.35 m/s側(cè)向風(fēng)風(fēng)速情況下降雨量對(duì)隊(duì)列中車輛氣動(dòng)力的影響。

從圖7a中可見，在風(fēng)雨耦合環(huán)境下，降雨量增大時(shí)，隊(duì)列中車輛受到的氣動(dòng)阻力（Fre）變大。降雨量固定不變，隊(duì)列中車輛從前到后受到的氣動(dòng)阻力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)降雨量為50～250 mm/h時(shí)，隊(duì)列中第1輛車阻力從27.21 N增大到28.49 N；末尾車（第5輛車）阻力從32.46 N增大到33.7 N，分別增加了1.28N和1.24N。

圖7b是隊(duì)列中車輛受到的氣動(dòng)升力（Flift），從圖中可以看出，降雨量固定不變時(shí)隊(duì)列中從前到后車輛受到的升力依次降低；當(dāng)降雨量變大時(shí)，隊(duì)列中車輛受到的氣動(dòng)升力升高，當(dāng)降雨量為50～250 mm/h時(shí)，隊(duì)列中第1輛車氣動(dòng)升力從157.66 N增大到158.19 N，第5輛氣動(dòng)升力從121.64 N增大到123 N，分別增加了0.53 N和1.36 N。

圖7c是隊(duì)列中車輛受到的側(cè)向力（Fside），從圖可以看出，當(dāng)降雨量變大時(shí)，隊(duì)列中車輛受到的側(cè)向力變大。當(dāng)降雨量為50～250 mm/h時(shí)，第1輛車的側(cè)向力從250.51 N增大到255.86 N，增加了5.35 N；當(dāng)降雨量不變時(shí)，在隊(duì)列中由前到后車輛受到的側(cè)向力依次減小。

圖8是在風(fēng)雨耦合環(huán)境下隊(duì)列中車輛在不同降雨量下受到的氣動(dòng)力矩。

從圖8a中可以看出，當(dāng)降雨量變大時(shí)，隊(duì)列中各車輛的縱傾力矩（Mdir）依次增大，其中第1輛車只增加了0.3 Nm。隊(duì)列中由前到后車輛受到的縱傾力矩依次減小，這是因?yàn)榱鹘?jīng)第1輛車頂部氣流最多，而流經(jīng)底部的氣流阻塞最嚴(yán)重，從而使得車輛受到的縱傾力矩較大。

圖8b是隊(duì)列中車輛在風(fēng)雨耦合環(huán)境下受到的橫擺力矩（Mtran）?？梢钥闯觯?duì)列從前到后車輛受到的橫擺力矩呈現(xiàn)出先升高后降低再升高的趨勢(shì)；當(dāng)降雨量變大時(shí)，隊(duì)列中車輛受到的橫擺力矩依次升高，其中第1輛車所受橫擺力矩增加3.93 Nm，這是降雨使車輛側(cè)面受力變大導(dǎo)致的。

圖8c是隊(duì)列中車輛在風(fēng)雨耦合環(huán)境下受到的側(cè)傾力矩（Mside）。可以看出，隊(duì)列中的車輛從前向后受到的側(cè)傾力矩依次降低；當(dāng)降雨量變大時(shí)，隊(duì)列中車輛受到的側(cè)傾力矩隨之增大，其中第1輛車所受側(cè)傾力矩增加0.75 Nm，這是因?yàn)榻涤陱?qiáng)度增大時(shí)，雨滴的粒徑和速度隨之變大，撞擊在車輛表面產(chǎn)生較大的力。

3.2.2 側(cè)向風(fēng)風(fēng)速對(duì)駕駛隊(duì)列的影響

圖9是風(fēng)雨耦合環(huán)境下不同側(cè)向風(fēng)風(fēng)速時(shí)隊(duì)列中第1輛車中間位置橫截面速度云圖，可以看出，隨著側(cè)向風(fēng)風(fēng)速的增大，車輛頂部的氣流分離渦逐漸變大，車輛側(cè)面背風(fēng)面的分離渦逐漸變大。側(cè)向風(fēng)風(fēng)速較高時(shí)可以看出車輛側(cè)面近地側(cè)的氣流渦幾乎被打散，車輛側(cè)面背風(fēng)側(cè)形成的低速低壓區(qū)面積變大，車輛的橫向穩(wěn)定性降低。

圖10是風(fēng)雨耦合環(huán)境下隊(duì)列中車輛在0.5倍間距和150 mm/h的降雨量下，不同側(cè)向風(fēng)時(shí)車輛所受的氣動(dòng)力。

圖10a是隊(duì)列中車輛受到的氣動(dòng)阻力，可以看出，當(dāng)側(cè)向風(fēng)風(fēng)速變大時(shí)，隊(duì)列車輛受到的氣動(dòng)阻力先增大后減小， 隨著風(fēng)速增加，第1輛車阻力增加9.48 N。這是因?yàn)閭?cè)向風(fēng)風(fēng)速較高時(shí)，流經(jīng)車輛前后間隙的氣流增多，極大的改變了車輛的前后壓差，從而導(dǎo)致了車輛的氣動(dòng)阻力發(fā)生改變。

圖10b是風(fēng)雨耦合環(huán)境下隊(duì)列中車輛受到的升力，可以看出，隨著側(cè)向風(fēng)風(fēng)速的增加，隊(duì)列中車輛的氣動(dòng)升力都增加。這是因?yàn)閭?cè)向風(fēng)風(fēng)速較高，隊(duì)列中車輛底部氣流堵塞嚴(yán)重，而流經(jīng)車輛頂部的氣流較多，使車輛上下的壓力差變大，使得車輛受到的升力變大，當(dāng)側(cè)向風(fēng)為4.4～15.5 m/s時(shí)，第1輛車的升力從55.86 N增大到236.7 N，增加了180.84 N，末尾車（第5輛車）的升力從28.94 N增大到243.51 N，增加了214.57 N。同時(shí)隊(duì)列中從前到后基本上呈現(xiàn)升力不斷降低的現(xiàn)象。

圖10c是隊(duì)列中車輛在風(fēng)雨耦合環(huán)境下車輛受到的側(cè)向力，可以看出隨著側(cè)向風(fēng)風(fēng)速增大，隊(duì)列中車輛受到的側(cè)向力依次變大，當(dāng)側(cè)向風(fēng)為4.4～15.5 m/s時(shí)，第1輛車的側(cè)向力從101 N增大到554.3 N，增加了453.31 N， 第5輛車的側(cè)向力從35.24 N增大到425.7 N，增加了390.46 N。同時(shí)隊(duì)列中從前到后車輛受到的側(cè)向力依次減小，而且都是第1輛車受到的側(cè)向力最大，這是因?yàn)榈?輛車迎風(fēng)面接觸的氣流最多，受到氣流產(chǎn)生的側(cè)向力最大。

圖11是隊(duì)列中車輛在0.5倍間距和150 mm/h的降雨量下車輛受到的氣動(dòng)力矩。

圖11a是隊(duì)列中車輛受到的縱傾力矩，可以看出當(dāng)側(cè)向風(fēng)風(fēng)速變大時(shí)，隊(duì)列中車輛的縱傾力矩先升高后降低，這是由于側(cè)向風(fēng)風(fēng)速較高時(shí)，車輛上下側(cè)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化，其中第1輛車的縱傾力矩隨著風(fēng)速變大增加了33.25 Nm。同時(shí)在較低的側(cè)向風(fēng)風(fēng)速時(shí)，隊(duì)列中從前到后車輛的縱傾力矩依次減小。

圖11b是隊(duì)列中車輛在風(fēng)雨耦合環(huán)境下受到的橫擺力矩，可以看出，當(dāng)側(cè)向風(fēng)風(fēng)速較高時(shí)，隊(duì)列中車輛的橫擺力矩變化程度較大，其中第1輛車的橫擺力矩隨著風(fēng)速變大增加了130.03 Nm。這是因?yàn)楫?dāng)側(cè)向風(fēng)風(fēng)速較高時(shí)隊(duì)列中車輛的橫向受力較大，進(jìn)而車輛的橫擺力矩變大。

圖11c是隊(duì)列中車輛在風(fēng)雨耦合環(huán)境下受到的側(cè)傾力矩，可以看出，當(dāng)側(cè)向風(fēng)風(fēng)速增大時(shí)，隊(duì)列中車輛受到的側(cè)傾力矩隨之變大，當(dāng)側(cè)向風(fēng)為4.4～15.5 m/s時(shí)，第1輛車的縱傾力矩從?0.67 Nm增大到 -59.93 Nm，增加了-49.26 Nm，第5輛車的縱傾力矩從 -3.3 Nm增大到 -46.22 Nm，增加了-42.92 Nm。隊(duì)列中車輛從前到后受到的側(cè)傾力矩呈減小的趨勢(shì)。

3.2.3 隊(duì)列間距對(duì)駕駛隊(duì)列的影響

圖12是風(fēng)雨耦合環(huán)境下不同隊(duì)列間距縱向平面車輛壓力云圖，從圖可以看出，隨著隊(duì)列間距的增大，隊(duì)列中車輛側(cè)面迎風(fēng)面高壓區(qū)的面積變大，進(jìn)而可以解釋隨著隊(duì)列間距的增大，隊(duì)列中車輛受到的側(cè)向力變大。隊(duì)列中從前向后各車輛側(cè)面迎風(fēng)面高壓區(qū)域面積減小，即隊(duì)列中車輛從前到后受到的側(cè)向力減小。

圖13是風(fēng)雨耦合環(huán)境下隊(duì)列中車輛在9.35 m/s的側(cè)向風(fēng)和150 mm/h的降雨環(huán)境下不同間距隊(duì)列中車輛受到的氣動(dòng)力。

圖13a是3種隊(duì)列車輛在風(fēng)雨耦合環(huán)境下受到的氣動(dòng)阻力，可以看出，在風(fēng)雨耦合環(huán)境下，0.25倍間距時(shí)，隊(duì)列中車輛受到的氣動(dòng)阻力最小，0.75倍間距時(shí)隊(duì)列中車輛受到的阻力反而小于0.5倍，可見在風(fēng)雨環(huán)境下隊(duì)列中車輛受到的氣動(dòng)阻力不是隨著間距的增大而變大，這是由于有側(cè)向風(fēng)和降雨的加入，隊(duì)列中車輛受到的氣動(dòng)阻力更為復(fù)雜。

圖13b是隊(duì)列中車輛在風(fēng)雨耦合環(huán)境下，不同間距隊(duì)列中車輛受到的氣動(dòng)升力，可以看出在3種隊(duì)列中，0.25倍間距隊(duì)列中車輛受到的氣動(dòng)升力最小，0.5倍間距和0.75倍間距受到的升力近似，說明隨著隊(duì)列間距的變化，隊(duì)列中車輛升力受到隊(duì)列間距的影響會(huì)降低。同時(shí)3種隊(duì)列車輛從前到后受到的氣動(dòng)升力逐漸減小。

圖13c是風(fēng)雨耦合環(huán)境下3種隊(duì)列中車輛受到的側(cè)向力，可以看出在3種隊(duì)列中都是第1輛車受到的側(cè)向力最大且超過250 N，隨著隊(duì)列間距的增大，除第1輛車外其余車輛受到的側(cè)向力變大。當(dāng)隊(duì)列間距為0.25～0.75倍時(shí)，隊(duì)列中第5輛車的側(cè)向力從137.6 N增大到174.74 N。此外3種隊(duì)列中車輛由前到后受到的側(cè)向力降低，0.25倍間距時(shí)，隊(duì)列第1輛車到第5輛車側(cè)向力從256.16 N降低到137.61 N。

圖14是風(fēng)雨耦合環(huán)境下在9.35 m/s的側(cè)風(fēng)和150 mm/h的降雨環(huán)境下隊(duì)列中車輛受到的氣動(dòng)力矩。

圖14a是隊(duì)列車輛受到的縱傾力矩，可以看出在風(fēng)雨環(huán)境下，3種隊(duì)列間距中0.25倍間距時(shí)車輛受到的縱傾力矩大部分最小。3種間距隊(duì)列中車輛從前到后車輛受到的縱傾力矩依次降低。

圖14b是在風(fēng)雨耦合環(huán)境下不同隊(duì)列車輛受到的橫擺力矩，可以看出隨著隊(duì)列間距的增大，隊(duì)列中車輛受到的橫擺力矩依次變小，而且隨著間距的變大，隊(duì)列的間距對(duì)車輛的橫擺力矩影響程度降低。當(dāng)隊(duì)列間距為0.25倍～0.75倍時(shí)，隊(duì)列中第5輛車的橫擺力矩從39.29 Nm降低到12.47 Nm。

圖14c是風(fēng)雨耦合環(huán)境下不同間距隊(duì)列中車輛受到的側(cè)傾力矩，可以看出隨著隊(duì)列間距的增大，隊(duì)列中車輛受到的側(cè)傾力矩變大，當(dāng)隊(duì)列間距為0.25倍～0.75倍時(shí)，隊(duì)列中第5輛車受到的側(cè)傾力矩從-12.88 Nm增大到-17.11 Nm。在3種隊(duì)列中車輛從前到后受到的側(cè)傾力矩不斷降低。第5輛車的受力以及力矩具體變化量如表2所示。

4 結(jié) 論

在風(fēng)雨耦合環(huán)境下分別探究了降雨量、側(cè)向風(fēng)風(fēng)速、隊(duì)列間距對(duì)隊(duì)列中不同車輛氣動(dòng)特性的影響。分析了降雨量、側(cè)向風(fēng)風(fēng)速和隊(duì)列間距分別改變時(shí)，隊(duì)列中車輛氣動(dòng)力和力矩的變化以及車輛周圍流場(chǎng)的變化，得到如下結(jié)論：

1） 隨著降雨量的增大，隊(duì)列中車輛受到的力和力矩呈增大趨勢(shì)，當(dāng)降雨量從50 mm/h增大至250 mm/h時(shí)，隊(duì)列中第1輛車阻力從27.21 N增大到28.49 N，尾車（第5輛車）阻力從32.46 N增大到33.7 N；隊(duì)列中第1輛車氣動(dòng)升力從157.66 N增大到158.19 N，第5輛車氣動(dòng)升力從121.64 N增大到123 N。

2） 隨著側(cè)向風(fēng)風(fēng)速的增大，隊(duì)列中車輛受到的力和力矩呈增大趨勢(shì)，當(dāng)側(cè)向風(fēng)從4.4 m/s增大至15.5 m/s時(shí)，第1輛車的側(cè)向力從101 N增大到554.3 N，縱傾力矩從-10.67 Nm增大到 -59.93 Nm，第5輛車的側(cè)向力從35.24 N增大到425.7 N，縱傾力矩從 -3.3 Nm增大到 -46.22 Nm。側(cè)向風(fēng)風(fēng)速較高時(shí)，隊(duì)列中后面車輛受到的阻力反而較低，同時(shí)第1輛車受到的縱傾力矩較低并且第1輛車中間位置橫截面處氣流分離渦變大，車輛側(cè)面低速低壓區(qū)面積變大，降低了車輛的側(cè)向穩(wěn)定性。

3） 隨著隊(duì)列間距的增大，隊(duì)列車輛受到的阻力先增大后減小，側(cè)向力和側(cè)傾力矩增大，橫擺力矩減小，當(dāng)隊(duì)列間距從0.25倍增大至0.75倍時(shí)，隊(duì)列中第5輛車的側(cè)向力從137.6 N增大到174.74 N，側(cè)傾力矩從-12.88 Nm增大到 -17.11 Nm，橫擺力矩從39.29 Nm降低到12.47 Nm。隊(duì)列中第5輛車的車輛側(cè)面迎風(fēng)面高壓區(qū)面積不斷變大，隊(duì)列中從前到后車輛側(cè)面高壓區(qū)面積變小。

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