轎車與卡車超車過程中瞬態氣動特性分析

孫露，谷正氣，楊易，楊濱徽，龔旭

(湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410082)

車輛在行駛過程中經常會遇到超車這種復雜行駛情況。汽車超車時由于兩車的流譜發生相互干涉，引起擾流的變化，在車身上產生瞬時氣動力的壓力分布，并且該壓力分布在整個超車過程中迅速變化，這種變化將直接導致作用在汽車車身上的氣動力發生改變，導致汽車橫擺、側傾、側滑狀況發生變化，從而影響汽車行駛的瞬態穩定性，嚴重時會發生交通事故。因此，分析車輛高速狀態下超車的氣動性能是必要的[1-4]。目前，國內對車輛超車的空氣動力學研究主要是針對簡單模型對超車時的氣動力進行分析研究。谷正氣等[5]基于SST湍流模型對轎車與轎車超車中的外流場進行分析，得出被超車的氣動阻力系數呈先增大后減小的趨勢，且在兩轎車車頭距離與轎車車身長之比為 0.3時達到最大值，側力系數先減小后增大且方向發生變化；鄭昊等[6]通過動網格對兩簡化直背式模型間的間距對氣動力的影響進行了仿真分析，得出2種間距下的兩車側向力、側傾力矩和橫擺力矩的不同變化趨勢；傅立敏等[7]采用三維瞬態數值模擬，對Ahmed模型汽車超車過程中的車速對汽車的瞬態空氣動力學特性的影響進行了分析，表明在超車過程中，相對車速對被超車的影響很大。國內對超車的研究多基于常用的汽車空氣動力學模型，而且一般都是在相同的車體之間進行模擬研究。仿真中所用的轎車和卡車是基于實際車輛的模型，而且是在2個不同類型的車輛之間，這主要是因為車型相差大的車體之間氣動力變化更為復雜。在此，本文作者采用六面體網格，運用滑移交界面和移動網格技術，應用 STAR-CD軟件對超車過程中的非定常流進行瞬態數值模擬和分析，并對比分析2輛車的氣動特性。

1 數值模擬

1.1 基本控制方程組

在通常狀態下，汽車在空曠的道路上行駛，其速度相對于聲速較低，空氣介質物性參數應為常數，汽車周圍流場可按不可壓縮流處理。在復雜工況下，如超車、會車、尾隨、過隧道，汽車周圍的流場是瞬態變化的，這時的流動應按非定常流處理。因此，汽車超車時的外流場屬于黏性、非定常、不可壓縮流，具有典型的三維分離流動特性[5]，故遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒控制方程。在三維直角坐標系中，這3個控制方程的守恒型通用形式如下：

式中：u為速度矢量；t為時間；φ為通用變量，可以代表u，v，w和T等求解變量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項。對于特定的φ，Γ和S具有特定的表達式[8]。

1.2 模型的建立

本文研究的轎車模型為一階梯背轎車模型，如圖1所示，模型縮尺比例為1:10，車身長為512.5 mm，寬(帶后視鏡)為205 mm，高為147.5 mm。對模型進行了適當簡化處理，如簡化車身底盤，將輪胎簡化為實心的圓柱形，但保留了后視鏡、雨刮器凹槽等細部特征。模型較大限度地保留了實車的主要特征，能比較準確地反映所研究的內容。

圖1 轎車幾何模型Fig.1 Car model

而所用卡車模型為一平頭型集裝箱貨車，如圖 2所示，模型縮尺比例為1:10，車身長為1 276.5 mm，寬為233.6 mm，高為348.6 mm，對模型進行了簡化處理。

圖2 卡車幾何模型Fig.2 Truck model

1.3 計算域與網格劃分

轎車與卡車的超車模型中，考慮到工況比較復雜，為了減少網格數量和節省計算時間，使用純六面體網格。全域網格總數約350萬，主超車為轎車，被超車為卡車。模型中轎車車頭離卡車車頭初始縱向距離約為5倍轎車長，橫向間距取0.5倍轎車寬。初始時計算域如圖3所示。

圖4所示為超車移動示意圖。由圖4可知：轎車所在的移動網格區域以一定速度相對卡車移動，移動網格一側的網格從計算域中移除，同時從另一側的附加網格中添加相應數量的網格，從而整個計算域網格數和網格所占空間保持穩定。2個車域之間通過滑動交界面傳遞數據，從而構成整個流場[9]，這樣，2個汽車的相對位置就隨時間而變化，從而模擬汽車在路面上行駛的瞬態的超車的過程。

圖3 計算域示意圖Fig.3 Schematic diagram of calculation domain

圖4 超車移動示意圖Fig.4 Schematic diagram of moving of overtaking models

超車模擬的轎車和卡車六面體網格如圖5和圖6所示。

圖5 轎車周邊六面體網格Fig.5 Hexahedral mesh around car

圖6 卡車周邊六面體網格Fig.6 Hexahedral mesh around truck

1.4 邊界條件和計算參數的設置

考慮汽車的實際行駛速度，文中模擬了被超車車速為20 m/s、主超車車速為30 m/s的工況。計算域的入口設置為速度入口邊界條件，出口設置為壓力出口邊界。計算域的地面、頂面和左右側面均采用滑移壁面邊界。

超車過程瞬態時間步長為0.000 5 s。計算中使用高雷諾數κ-ε湍流模型，對流項采用多維二階MARS差分格式，速度和壓力耦合采用對瞬態問題更有優勢的隱式算子分割算法PISO[10]。

2 計算結果及分析

2.1 主超車氣動力分析

超車過程中主超車(轎車)的阻力和側力的變化曲線如圖7所示。圖7中：X為兩車車頭的距離，以卡車的車頭為零點，以卡車行駛方向為正方向；L為轎車車身長；側力以Y軸正方向為正，Y軸負方向為負。

從圖7可以看出：轎車在超車過程中，阻力先有小幅度的波動，而后增大，達到波峰值后，再逐漸減小，隨后恢復到單車時的狀態。

圖7 轎車的阻力和側力Fig.7 Transient drag and side force of car

兩車前方的空氣受到車頭的推動形成一個高壓區，并且距車頭越近作用越強。當兩車相距很遠時，兩車外流相互影響較小，阻力變化很小。

當轎車車頭與卡車車尾相遇時(X/L=-2.5)，阻力開始逐漸出現波動，并在兩車相遇(X/L=0)后，即兩車車頭平齊時，轎車與卡車車頭的高壓區完全匯合，此時，轎車的阻力開始迅速增大。結果表明：當X/L=0.75時，即轎車開始駛出卡車的重影區時，阻力達到最大值，以后隨著轎車逐漸駛離重影區(X/L＞0.75)，轎車受到的阻力又減小；當X/L＞1.5后，阻力恢復到單車時的狀態。

轎車所受到的側力在進入重影區(X/L=-2.5)和駛出重影區后(X/L=0.75)分別達到正向的最大值和反向的最大值，轎車所受到的側力先增大后減小，達到零之后，呈反向增長，在達到反向的最大值之后又減小，隨后恢復到穩定狀態，變化趨勢呈正弦曲線，但兩峰值不相等[11]。

分析其原因，當轎車開始接近卡車時，側力開始緩慢增加。這是因為隨著兩車靠近，轎車內側面受到卡車車尾附近負壓區的影響，使得轎車內側面的壓力較外側面的壓力小，壓力的不對稱導致轎車受到向內的側向氣動力。在轎車與卡車的縱向距離不斷減小的過程中，轎車受卡車尾流低壓區的影響也逐漸變大，轎車向內的側向力逐漸由小變大。圖 8所示為X/L=-2.3時的壓力圖，從圖8可以看出：轎車受向內的側向力；當轎車車頭與卡車車尾相遇時，縱向距離為零(X/L=-2.5)，干擾側作用面積達到最大，干擾最強，側力增大到正向最大值。

圖8 X/L=-2.3時兩截面壓力云圖及壓力分布Fig.8 Pressure contour and distribution when X/L is -2.3

轎車車身開始進入與卡車車身重疊的區域，隨著兩車車身重疊區域的增大，轎車內側面逐漸擺脫卡車尾流的影響，向內的側力也逐漸減小，并且出現了反向。

隨著轎車駛出卡車的重疊區，這時轎車側面受到卡車車前的高壓區的影響，轎車受到的側向力隨著受影響側面面積的擴大而增大。圖9所示為當X/L=1時，轎車內側的負壓區要少于外側的負壓區，所以，轎車有指向外側的氣動力；當X/L=0.75時，轎車已經駛出卡車的重影區，向外的側力達到最大值。

圖9 X/L=1時兩截面壓力分布圖Fig.9 Pressure contour and distribution when X/L is 1

最后，轎車開始遠離集裝箱車，隨轎車的繼續行駛，轎車受到卡車車頭正壓區和尾流受卡車的影響逐漸變小，轎車的側向力和阻力又逐漸恢復到自由狀態[12-14]。圖10所示為當X/L=3.9和Z=60 mm時水平截面上的壓力圖。由圖10可見：此時兩車左右兩側壓力都成對稱分布。

圖10 X/L=3.9，Z=60 mm時水平截面上的壓力圖Fig.10 Pressure contour of Z=60 mm horizontal plane when X/L is 3.9

Noger等[15]在研究汽車超車氣動特性時，得出超車過程中主超車的氣動阻力會隨超車的進行而逐漸波動變化，而氣動側力有類似于正弦函數的變化過程。經分析，發現仿真所得結論與文獻[15]中的基本一致。

由仿真得出的數據可知：轎車的側力在一陣波動之后，最后的側力趨于水平，但是沒有恢復到穩定狀態下的0 N。究其原因，這主要是在設置計算域的初始邊界條件時，設置了入口速度邊界，同時被超車是設置為靜止不動的。而從圖9所示的壓力圖一樣可以看出：轎車在超過卡車之后，轎車車身兩側的負壓區呈不對稱分布，轎車超車后，被超車卡車頭部的正壓區、側面的負壓區和尾流都還對轎車干擾側產生影響，使得轎車的側力不能完全恢復到0 N。

2.2 被超車氣動力分析

超車過程中被超車卡車的阻力和側力的變化曲線如圖11所示。從圖11可以發現：隨著X/L的變化，卡車的氣動阻力呈現先增大后減小最后趨于穩定值的變化趨勢；當X/L=-2.3左右，卡車的阻力增大到最大值，而此時恰好是轎車的車頭與卡車車尾相遇時。出現這個情況主要是因為當轎車逐漸接近卡車時，卡車前部的氣流流速降低，卡車前部來流在卡車側面受到轎車的阻擋，從而前部正壓將增大；與此同時，卡車尾部的湍流區由于轎車的出現發生了變化，造成車尾的壓力減小，因此，總的壓差阻力增加。

圖11 卡車的阻力和側力Fig.11 Transient drag and side force of truck

隨著轎車駛入重影區，卡車的阻力開始下降，當X/L=-1時，回到常態值；當-1＜X/L＜0時，這時轎車完全淹沒在卡車的重影區內，轎車對卡車前端的高壓區和尾端的負壓區影響很小，阻力基本保持不變。這之后，轎車開始駛出重影區，卡車阻力出現減小，并當X/L=0.5時，阻力達到最小，然后，隨著超車過程的結束恢復到穩定值。

被超車卡車的氣動力與轎車的相比，阻力的波動趨勢不一樣，而側力變化趨勢也不相同，其達到正峰值的時間基本相同，但最大負側力的時間不一樣，而且變化的速率要大些；當X/L=-1時，卡車的側力達到負的最大值，并且持續了一段時間波幅很小，基本趨于不變。直到轎車開始駛出重影區(X/L=0)，側力又增大，而后逐漸恢復到常態值。卡車的氣動力相對轎車的都要稍大一些，這主要是因為卡車體積大，車身高。被超車的阻力和側力在重影區(-1.5＜X/L＜0，此時，轎車完全淹沒在卡車的陰影區內)存在一段小幅波動。這是由于卡車車身較長，卡車車身大致可分為 2段：前一段為車頭，后一段為車廂。卡車駕駛室與車廂之間有大約0.45 m的間隙，在這個縫隙中有很強的氣流向兩邊溢出，對其周圍的氣流產生干擾。

3 結論

(1) 以某兩種實際車輛模型為研究對象，在固定車速和間距的情況下，應用滑移交界面和動網格技術對該超車過程中的瞬態外流場進行了數值模擬。

(2) 在超車過程中兩車周圍的流場相互變化影響，車身受到的氣動力在極短的時間內發生劇烈變化。主超車轎車的氣動阻力在X/L=0.75時達到最大值，而氣動側力在車頭剛駛近卡車的重影區(X/L=-2.5)和駛出卡車的重影區(X/L=0.75)時分別到達正向和反向的最大值。

(3) 被超車卡車與轎車相比，由于卡車底盤、車身高，卡車駕駛室與車廂之間有約0.45 m的間隙，阻力和側力的變化更加復雜，變化的過程不一樣，而且卡車的氣動力達到峰值的時刻與轎車的不相同，因此，超車在車身差別較大時的氣動性研究更應得到關注。

[1] 谷正氣. 汽車空氣動力學[M]. 北京: 人民交通出社, 2005:80-115.GU Zheng-qi. Automotive aerodynamics[M]. Beijing: China Communications Press, 2005: 80-115.

[2] 傅立敏. 汽車空氣動力學數值計算[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2001: 150-160.FU Li-min. Numerical calculation of automotive aerodynamics[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press,2001: 150-160.

[3] 趙偉, 魏朗, 張韋華. 汽車超車并行工況下側向避撞控制策略研究[J]. 鄭州大學學報: 工學版, 2008, 29(1): 83-87.ZHAO Wei, WEI Lang, ZHANG Wei-hua. Research of control strategy on avoiding automobile side collision under parallel overtaking condition[J]. Journal of Zhengzhou University:Engineering Science, 2008, 29(1): 83-87.

[4] 賀寶琴. 復數車輛超車過程中的氣動干擾特性研究[D]. 吉林:吉林大學汽車工程學院, 2005: 55-60.HE Bao-qin. Study of aerodynamic interference characteristics during multi-vehicle overtaking process[D]. Jilin: Jilin University. College of Automotive Engineering, 2005: 55-57.

[5] 谷正氣, 姜波, 何憶斌, 等. 基于SST湍流模型的超車時汽車外流場變化的仿真分析[J]. 汽車工程, 2007, 29(6): 494-496.GU Zheng-qi, JIANG Bo, HE Yi-bin, et al. Numerical simulation on the change of external flow field during vehicle overtaking based on SST turbulence model[J]. Automotive Engineering,2007, 29(6): 494-496.

[6] 鄭昊, 康寧, 藍天. 兩車間距對超車過程轎車氣動特性的影響[J]. 北京航空航天大學學報, 2008, 34(4): 460-464.ZHENG Hao, KANG Ning, LAN Tian. Effect of spaces between cars on aerodynamic characteristics of cars in overtaking process[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2008, 34(4): 460-464.

[7] 傅立敏, 吳允柱, 賀寶琴. 超車過程的車輛氣動特性仿真研究[J]. 中國機械工程, 2007, 18(3): 621-624.FU Li-min, WU Yun-zhu, HE Bao-qin. Simulation research on automotive aerodynamic characteristics during the overtaking process[J]. China Mechanical Engineering, 2007, 18(3):621-624.

[8] 王福軍. 計算流體動力學分析[M]. 北京: 清華大學出版社,2004: 11.WANG Fu-jun. Analysis of computational fluid dynamics[M].Beijing: Tsinghua University Press, 2004: 11.

[9] 吳允柱, 賀寶琴, 傅立敏. 車速對超車車輛瞬態氣動特性的影響[J]. 吉林大學學報: 工學版, 2007, 37(5): 1009-1013.WU Yun-zhu, HE Bao-qin, FU Li-min. Influence of velocity on transient aerodynamic characteristics of overtaking and overtaken vehicles[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2007, 37(5): 1009-1013.

[10] Corin R J, He L, Dominy R G. A CFD investigation into the transient aerodynamic forces on overtaking road vehicle models[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2008, 96: 1390-1411.

[11] 周偉, 谷正氣. 超車情況下外流場計算仿真分析與研究[J].汽車工程, 2005, 27(3): 344-346.ZHOU Wei, GU Zheng-qi. Simulation analysis and study on external flow field around vehicle in overtaking[J]. Automotive Engineering, 2005, 27(3): 344-346.

[12] 黃向東. 汽車空氣動力學與車身造型[M]. 北京: 人民交通出版社, 2000: 91-93.HUANG Xiang-dong. Automotive aerodynamics and body styling[M]. Beijing: China Communications Press, 2000: 91-93.

[13] Azim A F, Gawad A F. A flow visualization study of the aerodynamics interference between passenger cars[C]//Society of Automotive Engineers (SAE) 2000 World Congress Vehicle Aerodynamics. Detroit: SAE, 2000: 1-12.

[14] 傅立敏, 扶原放. 轎車并列行駛湍流特性的數值模擬[J]. 吉林大學學報: 工學版, 2005, 35(4): 358-362.FU Li-min, FU Yuan-fang. Numerical simulation on characteristics of turbulent flow around two driving side-by-side[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2005, 35(4): 358-362.

[15] Noger C, Regardin C, Szechenyi E. Investigation of the transient aerodynamic phenomena associated with passing manoeuvres[J].Journal of Fluids and Structures, 2005, 21: 231-241.