側風對行車安全影響分析

劉　洋， 宇仁德， 宋林瀟

(山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255049)

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側風對行車安全影響分析

劉洋， 宇仁德， 宋林瀟

(山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255049)

摘要：以獲得不同強度側風作用下汽車所受橫擺力矩及升力的大小為目的，運用仿真軟件Fluent對三種不同強度風力作用下高速行駛轎車所受橫擺力矩與升力大小做出對比，結果顯示車速一定而側風強度增加時，汽車所受的橫擺力矩及升力會隨側風強度的增加而增加,威脅到汽車的行車安全.

關鍵詞：側風；流體力學； 數值模擬； 橫擺力矩； 升力； 行車安全

隨著近年高速道路的迅猛建設、汽車外形設計優化和汽車動力系統性能的提升，汽車行駛速度得到了很大的提升.汽車高速行駛時對側風敏感性較高，因而側風對高速行駛的汽車行駛安全會產生較大的威脅[1-2].

高速汽車在側風作用下其風壓中心和質心之間存在一定的距離，因而會產生橫擺力矩，使汽車發生側滑，影響行駛安全[3].而汽車在側風作用下產生的氣動升力會使汽車輪胎與地面阻力減小，影響汽車行駛中的制動性能，增加側風對汽車行駛安全的威脅.經過一些對比研究發現，仿真側風作用下的車輛周邊流場與模型試驗吻合度很高[4],本文研究選用流體仿真軟件并參考較為成熟的列車在側風作用下獲得氣動系數的模擬方法[5-7]，對穩態側風作用下高速汽車進行數值模擬分析.

1湍流模型

汽車行駛速度低于聲速，因此汽車的周邊流場可以看作三維不可壓縮粘性等溫流場，由于汽車外形較為復雜容易引起分離，所以應該按湍流處理[8].

標準k-ε模型是在關于湍動能k方程的基礎上引入一個關于湍動耗散率ε的方程[9].其基本方程如式(1)和式(2)：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

2仿真計算設置

2.1幾何模型建立

研究所采用轎車模型如圖1所示，本課題用Gambit來構建三維模型.考慮到網格劃分的數目大小、計算機的內存、計算時間等因素，把原模型縮小了10倍，采取10∶1比例建立模型.縮小后的模型總長452.3mm，總寬177.5mm，總高146.7mm.構建的模型簡化了轎車車身的細部結構，簡化了雨刮器、后視鏡等一些細節裝置.

由于轎車是對稱的，因此計算時只需計算一半即可，減少一半的計算量.

圖1　轎車半車模型

2.2創建風洞計算域

從理論上講，只有從無限的距離計算車外邊界才是最為精確的，但在實際計算中，若根據施加的入口和出口邊界條件要求的數值計算，流場應對車輛的影響最小，所以計算域的大小應足夠大.整個計算域是一個矩形網格，標準的微型車領域應近似為：入口距離模型車車長的3倍，出口距模型車車長的6倍，寬度的計算域是車輛寬度的12倍，車輛高度高6倍，考慮計算機容量應該適當選擇合理的網格劃分來實現研究目的.因此計算域的定義如下：長度是模型車長度的10倍，高度是車高的6倍，寬度是車寬的10倍.模型是中心對稱的，因此只畫一半，以縮小計算域減少計算負荷，在這樣的汽車流場數值模擬的計算域中進行計算模擬，汽車不再受流場計算域的大小影響.最終計算域的大小確定為：

汽車的前部計算域長為

3L=3×452.3mm=1356.9mm.

汽車的側面計算域寬為

4.5W=4.5×177.5mm=798.75mm.

汽車的上部計算域高為

4H=4×146.7mm=586.8mm.

汽車的后部計算域長為

6L=6×452.3mm=2713.8mm.

汽車的輪胎與計算域的下表面相接觸，詳情見圖2.

圖2　轎車半車數值模擬計算域

2.3網格劃分及邊界條件設置

在對車輛及其所在計算域進行網格劃分時，為保證其計算精度，采用了較細的網格劃分.車身表面形狀復雜，為產生良好的貼體網格，本文采用非結構化網格.圖3為 整個計算域對稱面上的網格劃分.

圖3　整個計算域對稱面上的網格

邊界條件設置：

(1)設置車體前面的面和右側面為速度入口邊界:前方入口速度為33m/s,另一個入口速度分別設置為15m/s，18m/s和20m/s,分別代表7、8、9級風力進行仿真計算.壓強為大氣壓.溫度為300k.湍流強度k為0.04湍流耗散率ε為0.025.

(2)設置車體后面的面為壓力出口邊界，相對于大氣壓的壓力為0.

(3)設置方塊對稱面上的兩個面為對稱的邊界類型.

(4)設置方塊的頂面和對稱面相對的側面為對稱的邊界類型.

(5)設置車體的所有面為wall，車身表面為固定壁面，各方向速度均為零，U=V=W=0.

空氣的密度是ρ=1.225kg/m3，動力粘度μ=1.7894×10-5kg/ms.

2.4網格獨立性驗證

在用Fluent進行數值模擬時，網格的數量和質量對計算結果影響很大.若網格數量太少，達不到所要求的精度.若網格劃分過于密集，則對計算內存要求較高，且計算時間會增加，因此確定網格劃分的數量是一個關鍵問題.目前對于這個問題，普遍采用網格的獨立性驗證.本文在劃分網格時，對于側風作用于車輛的計算域，采用了4種劃分方案，并按車輛以33m/s(約為120km/h)行駛，速度為15m/s的側風作用時車輛所受的橫擺力矩作為評價標準，計算結果見表1.

表1不同網格劃分時計算結果對比

網格數量橫擺力矩/N·m相對前一種方案變化/%方案一1104412-90676.772方案二1321581-91248.5310.631方案三1625321-91851.7850.661方案四2158604-92551.2370.762

從表1可以看出，方案二的結果比方案一相對變化已經小于2%，再繼續細化網格對計算結果影響不大.方案二不僅滿足了計算所要求的精度，而且避免了網格數過多而導致計算時間過長的問題，因此選用方案二的網格劃分.

3仿真及結果分析

Fluent軟件提供了多種湍流模型，根據汽車流場的完全湍動特點，最終選擇標準k-ε的湍流模型進行仿真計算.

計算方法選擇穩態情況下的SIMPLE算法.在迭代計算的時候，要選擇合適的松弛因子，松弛因子的設定直接決定迭代是否收斂及數值模擬的成敗.松弛因子可以調節迭代收斂速度.選用大的松弛因子可以使計算速度加快，但得不到精確的計算結果，松弛因子選的過小則會降低計算的速度.在差分格式中，壓力項采用標準的，動量項、湍動能和湍動能耗散項車速采用一階迎風格式.

本次仿真設定車輛車速120km/h，側風速度分別為15m/s、18m/s、20m/s進行模擬仿真.

3.1側風大小對橫擺力矩大小的影響

由仿真模型的坐標可知，橫擺力矩是使汽車繞坐標y軸旋轉的力矩.其在三種不同等級風速作用下的橫擺力矩仿真結果如圖4、圖5、圖6所示.

圖4　側風風速15m/s汽車所受橫擺力矩

圖5　側風風速18m/s汽車所受橫擺力矩

圖6　側風風速20m/s汽車所受橫擺力矩

由圖可以看出橫擺力矩會隨側風風速增加而增大.橫擺力矩系為負數，說明側風的作用點在車輛重心的前面.汽車在z軸方向受到側向力，從而產生繞y軸回轉的橫擺力矩.橫擺力矩會使車輛隨著風的方向擺動，嚴重影響車輛行駛時的方向穩定性.

3.2側風大小對氣動升力大小的影響

汽車在不同強度風速作用下產生的氣動升力作用點相同，即產生升力力矩的力臂相同，因此可從氣動力矩的變化判斷出氣動升力的變化.三種不同強度側風作用下的升力力矩仿真結果如圖7、圖8、圖9所示.

圖7　側風風速15m/s汽車所受升力力矩

圖8　側風風速18m/s汽車所受升力力矩

圖9　側風風速20m/s汽車所受升力力矩

通過對比圖7、圖8、圖9可看出，隨著側風強度的增加升力力矩增加，即升力是隨側風強度增大而增加的.氣動升力的增加會使得行駛中的汽車與地面之間的附著力降低.如果其值過大或者分布不當有可能使轉向輪失去轉向力，使驅動輪失去牽引力，影響汽車的操作穩定性.輕型汽車，特別是重心靠后的汽車，對前輪的升力特別敏感.當氣動升力達到一定范圍，將直接威脅到行車安全.

4結束語

通過三種仿真結果的分析，可以發現側風對高速行駛汽車的行駛安全有重要影響，側風強度的變化改變了汽車周圍氣流的流動，直接影響車身所受的橫擺力矩與升力大小變化.橫擺力矩會導致車身沿著側風的方向發生偏轉，降低汽車的行駛穩定性和車輛的操縱性能，而升力則會使汽車與路面附著力減小降低了汽車的制動與轉向性能.

參考文獻:

[1]曹麗華.側風環境下車輛動態響應研究[J].交通節能與環保，2013(2):56-62.

[2]谷正氣.汽車空氣動力學[M].北京：人民交通出版社.2005.

[3]海貴春，谷正氣，王和毅，等.側風對汽車高速行駛性能影響的仿真研究[J].湖南大學學報，2006,33(2):40-43.

[4]龔旭，谷正氣，李振磊.側風狀況下轎車氣動性能的仿真與實驗研究[J].系統仿真學報，2012,24(6):1 308-1 313.

[5]毛軍，郗艷紅，楊國偉.側風風場特征對高速列車氣動性能作用的研究[J].鐵道學報，2011,33(4):22-30.

[6]Chris B.A framework for the consideration of the effects of crosswinds on trains[J].United Kingdom: Journal of Wind Engineering& Industrial Aerodynamics,2013,123:130-142.

[7]Volpe R,Ferrand V,Silva A D， et al. Forces and flow structures evolution on a car body in a sudden crosswind[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2014,128:114-125.

[8]袁志群，谷正氣，盧克龍.汽車后視鏡氣動干涉阻力特性的數值計算研究[J].湖南工業大學學報.2010.24(3):81-85.

[9]朱紅鈞，林元華，謝龍漢.FLUENT流體分析及仿真[M.北京：人民郵電出版社.2010.

(編輯：劉寶江)

Elementary study on the influence of cross wind on driving safety

LIU Yang, YU Ren-de, SONG Lin-xiao

(School of Transportation and Vehicle Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255049， China)

Abstract:To investigate the influence of the different crosswind on vehicle yaw moment and lifting force, we use imitation software fluent high-speed vehicle's yawing moment and lift force in three different strength of the crosswind.The results show that when the vehicle′s speed is certain the yaw moment and lift force will increase with the increase of crosswind,which is a threat to the safety of driving.

Key words:crosswind; fluid mechanics; numerical simulation; yaw moment; lift force; traffic safety

中圖分類號：X913.4

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6197(2016)03-0070-04

作者簡介：劉洋，女，liuyang_8908@163.com； 通信作者： 宇仁德 ，男，yrd65@sina.com

收稿日期：2015-04-25