側風下汽車會車氣動特性數值分析

羅建斌 吳量 苗明達 黃煜

摘要：自然風與汽車會車工況的耦合會惡化汽車外流場，導致汽車所受氣動力的變化.因此，對側風下會車的氣動特性研究具有一定的現實意義.本文采用滑移網格技術對側風下等速會車的氣動特性進行了數值分析.數值結果表明：由于氣動干擾，側風下會車的兩車氣動阻力和側向力均產生了復雜的變化，對側向力的影響更加劇烈.簡化的二維數值模擬與真實的會車會有一定的偏差，但仍可為后續的真實車體會車的氣動分析提供參考。

關鍵詞：汽車會車；側風；氣動特性；數值分析；氣動干擾

0引言

普遍存在的自然風以及汽車會車、超車及通過隧道等特殊行駛工況的疊加和耦合常常會惡化汽車外流場，導致汽車所受氣動力的變化更加復雜.汽車在側風環境下會車時，隨著兩車距離的減小，周圍的氣流產生嚴重的氣動干擾，引起空氣繞流的變化.從而產生瞬時變化的氣動力，直接影響汽車的阻力特性、行駛穩定性和安全性.因此，有必要對汽車在側風環境下會車的氣動特性開展相關研究，目前國內外對于車輛交會的空氣動力特性研究主要是集中于軌道車輛，而對于汽車這一類公路運輸車輛的研究較少.高磊等對會車過程進行三維瞬態數值模擬，得到了會車過程的瞬態空氣動力特性，并且研究了不同相對車速對會車過程汽車瞬態空氣動力特性的影響，張英朝等使用商業的CFD軟件，對簡單外形汽車隧道中會車過程的瞬態空氣動力學特性進行了模擬，徐國英等運用計算流體力學數值模擬方法對在一級公路和四級公路上行駛的汽車迎面會車過程進行了仿真研究，上述研究主要是針對非側風情況下汽車會車的氣動特性，而對側風下會車工況的氣動特性研究很少。

1數值模型及計算工況

為簡化計算，側風下兩車等速會車的氣動特性研究只考慮二維情形，對于兩車交會的相對運動采用滑移網格技術處理，因此，在圖1所示計算域中將整個流動區域劃分為4個區域（圖中L為車長）.共劃分為兩個移動區域和兩個靜止區域，移動區域與相鄰區域通過交界面來交換數據.移動區域01（面EFJK）中包含第一輛汽車car01，其移動速度為v；移動區域02（面CDLM）中包含第二輛汽車car02，其移動速度為v.流動計算的car01和car02相隔1.2m，且外形一致（圖2），其中L、W、R分別為車長、車寬、圓角半徑（mm），考慮為等速（V₁=V₂=25 m/s）會車，側風風速為10 m/s，兩車相對速度計算的流動雷諾數和馬赫數分別為5.6E6、0.147，因此，可將汽車交會的外流場簡化為二維、粘性、不可壓縮、不考慮熱量交換的非定常湍流流動.在計算模擬中選用可實現的k-s湍流模型，通過求解連續性方程、動量方程、湍動能方程和耗散率方程得到整個流場的數值解，整個計算域采用結構化四邊形網格進行離散（圖3），車體表面加有細密的邊界層網格。

為了得到具體流動問題的特解，表1中列出了相應的流動邊界條件，在非定常計算中，其時間步長為0.001s，單步中迭代次數為20，計算時間與真實的流動時間一致。

2仿真結果及分析

2.1交會氣動特性

在數值計算處理中，參考面積為1.8㎡，參考速度為51m/s，特征長度取車寬1.8m，垂向長度按1m計算.通過非定常計算可以獲得側風下交會兩車的氣動特性時程變化趨勢，圖4、圖5分別交會時兩車的阻力系數及側向力系數隨時間變化的歷程，由于氣動干擾，交會時兩車的氣動特性表現出較明顯的非定常性.由圖4的阻力系數變化可以看出，處于交會側風上游的汽車car01的阻力系數變化較平緩，而處于下游的汽車car02的阻力系數變化較劇烈.上游的car01的阻力系數隨著兩車逼近逐漸減小，當會車后兩車頭部間隔d=4.0L時，阻力系數基本保持不變.下游的car02的阻力系數經歷先增加，后減小，再增加，再減小的變化過程.圖5中也反映出汽車car02的側向力系數較car01的側向力系數變化更復雜，當會車的兩車頭部平齊時，car02的側向力達到第一個峰值點，而后逐漸下降，再繼續上升到第二個峰值點，隨著會車過程的繼續進行，側向力系數逐漸減小，當d=2.0L時，側向力出現了負值，即由原來所受的排斥力變化為吸引力.處于側風上游的汽車car01的側向力系數首先逐漸增加，再減小，而后緩慢增加直至趨于基本不變

2.2特定時刻流場分析

為了理解以上的汽車在側風下交會時氣動干擾特性，可以針對特定時刻的流場進行單獨分析，圖6為相會兩車的幾種典型位置關系，其中d表示兩車頭部的間隔距離，L為車長，t為給定時刻。

圖7-圖10為4個特定時刻t=1.90 s、t=2.05 s、t=2.20 s、t=2.30 s的流場壓力云圖和流線圖.從這些壓力分布和流線圖中可以看出，在側風和汽車行駛風的聯合作用下，在車體背風側和尾部不同程度地出現了負壓區，特別是在兩車相隔間距較近的時刻，復雜的壓力分布直接導致作用在車體上的氣動力發生顯著的變化，在t=2.05 s時刻，兩車頭部相隔0.5倍車長，車身的一半重疊在一起，在car02的迎風側正壓區直接影響到car01背風側的負壓區，因此，該時刻car01所受到的側向力明顯小于car02.在t=2.20 s時刻，兩車頭部間距為2倍間距，車身正好錯開.在car02的背風側出現了一個很明顯的負壓區，由于car02尾流的影響，在car01的背風側尚未出現明顯的負壓區，因此，該時刻car02所受到的側向力明顯大于car01。

圖11、圖12分別為t=2.00 s時刻會車車輛carOl和car02沿x方向、y方向的靜壓系數比較，由圖中曲線的積分面積可以看出：t=2.00 s時刻car01和car02所受到的側向力相差較大，而阻力的大小很接近.圖13、圖14分別為t=2.25 s時刻會車車輛car01和car02沿x方向、y方向的靜壓系數比較.在t=2.25 s時刻，car02沿x方向的積分面積明顯大于car01，但沿y方向的則相反.因此，該時刻下，car01受到的阻力略大于car02，而側向力則明顯小于car02。

相會的兩車在不同時刻（t=2.00 s、t=2.15 s），其氣動特性也發生明顯變化.圖15、圖16分別為汽車carOl沿x方向和y方向的靜壓系數比較.圖17、圖18分別為汽車car02沿x方向和y方向的靜壓系數比較，在t=2.00 s時刻，兩車車頭正好重疊，隨著會車過程的繼續，直到t=2.15 s時刻，此時兩車頭部間距1.5倍車長，一半的車身產生重疊.相比t=2.00 s時刻，t=2.15 s時刻的氣動干擾更加劇烈，大大削弱了兩車所受的氣動力.因此，無論是car01還是car02，后一時刻所受到的阻力和側向力均小于前一時刻。

3結論

通過對側風下會車的兩車氣動特性的數值研究，可以獲得以下幾點主要結論：

1）在側風環境下，等速會車的兩車均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非周期性變化。

2）側風會車時，兩車的氣動干擾對兩車的氣動特性產生明顯的影響，但其中對于側向力的影響更加劇烈。

3）簡化的二維數值模擬與真實的會車會有一定的偏差，但仍可為后續的真實車體會車繞流流動的氣動分析提供借鑒和參考。