汽車隊列行駛氣動特性數值模擬

羅建斌 吳量 苗明達 黃煜

摘 要：隨著高速公路和智能交通系統的快速發展，開展汽車隊列行駛的氣動特性研究具有重要意義.本文對等間距的3車隊列行駛的氣動特性進行了數值模擬，并研究了車間距對其氣動特性的影響.模擬結果表明：相比單車行駛情形，3車隊列行駛的各車均有一定的減阻效果，其中尤以中間車和尾部車的更顯著.簡化的二維數值分析雖然忽略了車底部以及頂部的氣流流動，但仍可為后續的真實車體繞流流動分析提供借鑒和參考.

關鍵詞：汽車隊列；氣動特性；數值模擬；氣動干擾

中圖分類號： U270.1；U271.91 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.01.002

0 引言

隨著我國社會經濟的快速發展，國內高速公路也得以迅猛發展.截止2017年7月，全國高速公路里程已達131×103 km，躍居世界第一.為了降低尾氣排放和提高燃油經濟性以及運輸效率，在智能交通系統中常常采用汽車隊列行駛模式.在汽車跟隨行駛時，由于兩車間距縮小，前后汽車產生較強的氣動干擾，其氣動特性發生明顯的變化，這將影響到汽車的燃油消耗特性和行駛特性.因此，開展汽車隊列行駛的氣動特性研究具有重要的實際意義.目前國內外對于汽車隊列行駛的氣動特性研究較少.傅立敏等[1]研究車輛前后間距及隊列中車輛數目對氣動阻力系數的影響.王靖宇等[2]以智能車輛的MIRA簡化模型作為研究對象， 采用移動地面邊界條件， 對單車和隊列行駛狀態下的汽車外流場進行了數值模擬研究.谷正氣等[3]利用計算流體力學方法對一輛小轎車尾隨一輛集裝箱車的過程進行了數值模擬， 得到了小轎車的氣動阻力系數和氣動升力系數相對變化關系.

1 數值模型及計算工況

本文在進行隊列行駛氣動特性的數值研究中，為簡化計算，只考慮二維情形.汽車行駛速度為25 m/s，設車寬作為特征長度的外流場的流動雷諾數Re =2.93E6，馬赫數Ma =0.074，遠遠小于0.3.因此，可將汽車隊列行駛的繞流流場簡化為不可壓縮、粘性、不考慮換熱的二維非定常流動.在數值模擬中選用可實現的k-ε湍流模型；因此，需要求解連續性方程、動量方程、 湍動能方程和耗散率方程[4-6].圖1為單車的幾何模型，圖中L為車長，W為車寬，R為圓角半徑（單位：mm）.經過反復試算，最終確定的外流場計算區域如圖2所示. 根據來流方向，從前往后，依次為第一輛汽車01、第二輛汽車02、第三輛汽車03.為保證流動充分發展，尾部流場長度設置為15 L，明顯大于前部長度以及兩側寬度5 L.整個模擬過程中，考慮3車跟隨情形，兩車間等間距Δd分別為0.5 L、0.75 L、1.0 L、1.25 L、1.5 L、2.0 L.

整個計算域采用圖3所示的結構化四邊形網格離散.為滿足壁面函數的要求，車體壁面加有細密的邊界層網格.

為了求解隊列行駛汽車的繞流氣動參數，必須給定與流動物理現象實際情況相符的正確邊界條件. 表1為流動計算的邊界條件設置.在數值計算中，首先以定常計算結果作為初始解開始非定常計算.計算時間步長為0.001 s，單步中迭代次數為20.迭代一定時間待監測的氣動力系數出現準周期變化后再計算一定的時間步以作為最終的計算結果.

2 仿真結果及分析

2.1 車間距對氣動特性影響

在數值計算處理中，參考面積為1.76 m2，參考速度為25 m/s，特征長度取車寬1.76 m，垂向長度按1 m計算.通過非定常計算可以獲得3車隊列行駛的各車氣動特性的時程變化關系.圖4、圖5分別為車間距Δd=1.5 L時的阻力系數及側向力系數隨時間變化的歷程.阻力系數和側向力系數均表現出一定的準周期變化，反映出二維隊列行駛的汽車外部流場的非定常性.

為了考慮隊列行駛的減阻效果，特與單車行駛工況進行比較.圖6為3車隊列時阻力系數隨車間距的變化趨勢，其中，橫坐標和縱坐標均無量綱化，分別為車間距與車長之比、隊列行駛時的阻力系數與單車行駛的阻力系數之比.該圖中反映出在3車隊列行駛時，在車間距為2倍車長以下，各車阻力均有不同程度的下降，其中尤其以中間車和尾部車的減阻效果更明顯.對于頭部車，車間距在1倍車長以下時減阻較明顯，但隨著車間距增加到1倍車長以上，阻力雖然有所降低，但基本上變化很平緩.尾部車的阻力系數也表現出與頭部車相同的變化趨勢.中間車處于頭部車的尾流區域，同時也處于尾部車的正壓區域，因此，其阻力系數的變化更加復雜，甚至出現了負阻力的變化.

2.2 平均流場分析

為了了解以上氣動阻力系數隨車間距的變化規律，主要從車體外部繞流的流場結構來進行觀察.圖7—圖10為單車行駛及車間距Δd =0.5 L、1.0 L、2.0 L四種情形的流場壓力分布云圖和流線圖.單車行駛時，汽車頭部出現了較大的正壓區，而尾部則出現了較大的負壓區，因此，車體受到較大的氣動阻力作用.當隊列行駛的車間距Δd =0.5 L時，由于間距較小，3車似乎形成一個整體，中間車前后的壓差很小，阻力系數相應地很小.同時，相對于單車行駛，頭部車和尾部車的阻力系數均有所下降.隨著間距的增加，氣流逐漸滲透到車與車的間隙處，在車間隙之間有明顯的流線經過.當車間距Δd =2.0 L時，中間車遠離了頭部車的負壓區，因此，對其尾部流場的干擾較小，頭部車的阻力系數有所回升.尾部車的正壓區由于中間車的干擾明顯弱于單車行駛情形，因此產生了一定的降阻效應.

圖11、圖12分別為車間距Δd =0.75 L時中間車和尾部車與單車行駛的車體截面的平均靜壓比較.從靜壓分布圖可以看出，相對于單車行駛情形，車間距Δd =0.75 L時中間車沿著Y方向的壓差積分面積遠遠大于前者，從而反映出中間車車體阻力有顯著下降.對于尾部車，其壓差的積分面積相比單車行駛要小很多，但其差值要大于中間車車體，因此，隊列行駛時中間車的減阻效應要明顯大于尾部車.

圖13為Δd =2.0 L時頭部車、中間車及尾部車的車體截面的平均靜壓比較.當車間距增加到2倍車長時，頭部車、中間車、尾部車均有一定的減阻效果.從其積分面積的大小可以看出，減阻效果從大到小依次為中間車、尾部車和頭部車.圖14—圖16分別為車間距Δd =0.5 L、Δd =1.0 L時頭部車、中間車及尾部車的車體截面的靜壓比較.從兩種車間距的靜壓比較可以看出，隨著間距的增加，頭部車和尾部車的減阻效果有所下降，而中間車的負阻力有所增加.

3 結論

通過以上的數值模擬分析可以得出以下3點主要結論：

1）二維隊列行駛的汽車外部流場表現出較強的非定常性，阻力系數和側向力系數均呈現出一定的準周期變化.

2）3車隊列行駛時，相比單車行駛工況，各車阻力均有不同程度的下降，其中尤其以中間車和尾部車的減阻效果更明顯.

3）簡化的二維分析忽略了車底以及車頂的氣流流動，可能放大了其氣動特性，但仍可為后續的隊列行駛真實車體繞流流動的氣動分析提供借鑒和參考.

參考文獻

[1]傅立敏， 吳允柱， 賀寶琴. 隊列行駛車輛的空氣動力特性[J]. 吉林大學學報（工學版）， 2006，36（6）：871- 875.

[2]王靖宇， 劉暢， 李勝，等. 隊列行駛三輛汽車外流場的數值模擬[J]. 重慶交通大學學報（自然科學版）， 2007，26（5）：138-141.

[3]谷正氣， 龔旭， 賈新建，等. 轎車尾隨集裝箱車外流場計算仿真分析[J]. 湖南大學學報（自然科學版）， 2009，36（1）：30-34.

[4]羅建斌，胡愛軍. 高架橋聲屏障高度對列車氣動特性影響的數值模擬[J].計算物理， 2012，29（1）：65-72.

[5]王福軍.計算流體動力學分析[M]. 北京：清華大學出版社， 2006.

[6]羅建斌，胡愛軍，粟騰超. 聲屏障高度影響列車氣動特性的數值研究[J].廣西科技大學學報， 2014，25（3）：14-20.

Abstract： With the rapid development of the freeway and intelligent traffic system， the study on the aerodynamic characteristic of vehicle platoon is of great significance. With three vehicle platoon under the equal separation distance， the numerical simulation of vehicle aerodynamic performance has been carried out. The influence of spacing on its aerodynamic characteristic has also been studied. The simulation result shows that there is more drag reduction effect than a single vehicle when running in three vehicle platoon. It is more remarkable for the middle and rear car particularly. The simplified two-dimension numerical analysis has neglected the air flow on the bottom and the top of vehicle， but it can still provide references for the flowing of realistic vehicle.

Key words： vehicle platoon； aerodynamic characteristic； numerical simulation； aerodynamic interruption

（學科編輯：張玉鳳）