250 第 38 卷 [6-7] 笔者在前期研究的基础上, 改变弯道会车情况下两车的绝对速度 相对速度和横向间距, 研究车辆行驶速度和间距对弯道交会两车瞬态气动特性的影响. 采用重叠网格的方法, 研究速度和间距改变情况下弯道会车的瞬态气动特性, 获得两车气动六分力的变化规律, 为进一步研究弯道会车提

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1 2017 年 5 月 May2017 第 38 卷第 3 期 Vol.38 No.3 doi: /j.isn 速度和间距对弯道会车瞬态气动特性的影响 王靖宇, 于旭涛, 惠政, 胡兴军 ( 吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室, 吉林长春 ) 摘要 : 应用计算流体力学方法, 采用重叠网格策略, 对 2 个简化 DrivAer 模型的弯道会车进行了数值模拟, 研究了绝对速度 相对速度和横向间距改变情况下, 两车气动六分力的变化规律. 结果表明 : 车辆在极短的会车过程中, 侧向力 侧倾力矩和横摆力矩都发生了方向的变化, 迅速达到各自的正负极值, 并且随着车辆行驶速度的增加, 这种变化趋势更加明显 ; 相对速度改变时, 车辆周围流场的相互干扰随着速度的增加而不断增强 ; 在间距改变条件下, 气动力峰值随着会车间距的减小而增加, 这些都会对车辆的操纵稳定性带来一定的影响. 关键词 : 弯道会车 ; 计算流体力学 ; 瞬态气动特性 ; 重叠网格 ; 数值模拟中图分类号 :U461 文献标志码 :A 文章编号 : (2017) 引文格式 : 王靖宇, 于旭涛, 惠政, 等. 速度和间距对弯道会车瞬态气动特性的影响 [J]. 江苏大学学报 ( 自然科学版 ),2017,38 (3): ,272. Influenceofrunningspeedandlateraldistanceonvehicletransient aerodynamiccharacteristicsduringcurvecrosing WANGJingyu,YUXutao,HUIZheng,HUXingjun (StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,JilinUniversity,Changchun,Jilin130022,China) Abstract:Thecomputationalfluiddynamicswithoverlappinggridwasusedtoconductthenumerical simulationoftwosimplifieddrivaermodelforcurvecrosing.theefectsofabsolutevelocity,relative velocityandlateraldistanceonthesixaerodynamicforceswereinvestigated.theresultsshowthatthe directionsofsideforce,rolingmomentandyawingmomentarechangedwhencarspaseachother,and theirvaluesreachthemaximum orminimum valuesinshorttimeinterval.thechangingtrendbecomes moreobviouslyastheabsolutevelocityisincreased.whentherelativevelocityisincreased,theflow fieldinterferenceofbothcarsisenhanced.themaximum valuesofaerodynamicforcesareincreased whenthelateraldistanceisdecreased.alofthesecanafectthevehiclehandlingstability. Keywords:curvecrosing;computationalfluiddynamics;transientaerodynamiccharacteristics;over lappinggrid;numericalsimulation 汽车在道路上行驶, 经常出现超车和会车的情况, 两车之间的流场相互干扰, 影响车辆的操纵稳定性 [1-2], 弯道行驶的情况更加复杂. 目前, 国内外汽车空气动力学对会车及超车的研究主要集中在直线 行驶工况下的气动特性研究, 弯道行驶的研究主要集中在系统动力学 人机工程 会车的雷达设计和智能控制系统等方面 [3-5], 研究重点并不是车辆的空气动力特性. 收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ) 作者简介 : 王靖宇 (1976 ), 男, 辽宁辽阳人, 副教授 (wangjy@jlu.edu.cn), 主要从事汽车空气动力学的研究. 胡兴军 (1976 ), 男, 重庆垫江人, 教授, 博士生导师 ( 通信作者,hxj@jlu.edu.cn), 主要从事车身工程的研究.

2 250 第 38 卷 [6-7] 笔者在前期研究的基础上, 改变弯道会车情况下两车的绝对速度 相对速度和横向间距, 研究车辆行驶速度和间距对弯道交会两车瞬态气动特性的影响. 采用重叠网格的方法, 研究速度和间距改变情况下弯道会车的瞬态气动特性, 获得两车气动六分力的变化规律, 为进一步研究弯道会车提供理论基础. 场尤其是尾部流场充分发展, 这样计算结果才能准确 [11-12]. 1 瞬态数值模拟 1.1 重叠网格方法的验证采用重叠网格方法, 对直线行驶的单车进行瞬态数值模拟, 将气动六分力计算结果与风洞试验结果进行对比, 验证应用重叠网格方法计算结果的准确性 [8]. 1.2 几何模型本研究采用的计算模型为 DrivAer 模型, 该模型与真车更加接近, 整车长为 4.61m, 车高为 1.42 m, 车宽为 1.75m, 轴距为 2.79m [9]. 在前处理过程中, 对结构复杂的原几何模型做了一定程度的简化, 去掉了车桥 传动轴和门把手等部件, 对底盘做了平滑化处理, 并对雨刮器 轮胎凹槽等细节进行了平整化处理, 保留了车轮轮辋 车窗凹槽等明显的几何特征. 为了满足计算要求, 对地面与轮胎的交接处进行了特殊处理, 将汽车车轮底部改为较小的平面, 使车轮与地面留有一定的间隙. 建立的汽车模型如图 1 所示. 图 2 计算域网格的划分对数值模拟的结果有较大的影响 [13], 利用 STAR CCM+ 进行 trim 网格划分, 对细节特征进行加密处理, 同时将车道部分网格进行加密, 车身表面拉伸边界层网格, 最终生成 1300 万个左右的网格. 1.4 边界条件及湍流模型主域设置为弯道模型, 地面设置为滑移壁面, 其余边界设置为压力出口边界. 车辆周围的小部分区域设置为从域, 顶壁和车身表面设置为无滑移壁面, 其余边界设置为重叠域交界面. 车辆模型外部流场的流动可以看作是恒定温度下的不可压缩流动, 其流场的控制方程包括时均连续方程和动量守恒方程. 汽车为钝头体, 周围的流动非常复杂, 流线曲率变化比较大, 需要很好地模拟车身表面的边界层流动. 计算采用 realizablek ε 湍流模型 [14], 它适合的流动类型比较广泛, 包括有旋均匀剪切流 自由流 腔道流动和边界层流动, 对以上的流动过程, 包括对边界层的模拟结果都要比标准的 k ε 要好. 1.3 计算域及网格方案 图 1 汽车模型 [6-7] 通过前期的研究可知, 在迭代 6000 步左右流场基本达到稳定. 为了保证两车在会车前车辆周围流场达到车辆正常行驶的状态, 仿真过程中首先设定时间步长为 s, 迭代 5000 步, 待流场波动减小后将时间步长变为 s. 参照 JTG D 公路路线设计规范 [10], 建立半径为 125m, 总长为 70m 的弯道, 计算域如图 2 所示, 其中 l 为车长. 计算域要足够大, 以保证车辆周围的流 2 计算结果及分析 为了便于对会车过程中的车辆的气动特性进行分析, 给出了会车过程表达的位置约定. 两车的间距指两车车头前缘之间沿弯道中心线的相对距离, 记为 x, 以车长 l 来标准化, 两车沿各自车道中心线行驶, 汽车间的横向间距在会车过程始终保持不变, 左侧车为车 1, 右侧车为车 改变绝对速度改变弯道会车的速度, 使两车分别以 15.0, 17.5,20.0,22.5,25.0m s -1 相同的速度交会, 以

3 第 3期 王靖宇等 速度和间距对弯道会车瞬态气动特性的影响 左侧车为例 探讨相对速度不变 绝对速度改变情况 下气动特性的变化规律 侧向力 横摆力矩 侧倾力 矩的变化曲线分别如图 3 所示 其中 分别 为车 车 的绝对速度 从图 3 可以看出 在极短的会车过程中 两 车受到的侧向力 侧倾力矩和横摆力发生了改变 分 别有极值出现 而且方向也发生了变化 这会对车辆 的行驶稳定性带来影响 在两车以相同车速会车过 图 横摆力矩变化曲线 程中 两车受到的侧向力 侧倾力矩和横摆力矩变化 趋势基本一致 而且随着车辆行驶速度的增加 这种 变化趋势更加明显 图 侧倾力矩变化曲线 两车以不同的绝对速度在弯道会车过程中 在 x z 截面处的压力云图如图 所示 图 3 侧向力变化曲线 图 不同速度下的压力云图 从图 可以看出 随着会车速度的提高 两车压 力场相互干扰现象更加明显 在弯道行驶和会车的 改变相对速度 右侧车 车 以速度为 m 行驶 改变 共同作用下 导致了侧向力的产生 进而产生了横摆 左侧车 车 的行驶速度 使之分别以 力矩和侧倾力矩 随着速度的提高 两车压力场在车 m 的速度与右侧车交会行驶 研究两车在 头与车尾逐渐融合 气动干扰加剧 这是侧向力 横 相对速度改变情况下两车气动载荷的变化规律 两 摆力矩和侧倾力矩随着车速增加而不断增大的根本 车侧向力 横摆力矩 侧倾力矩的变化曲线分别如图 原因 9所示

4 第 3卷 图 9 两车侧倾力矩变化曲线 图 两车侧向力变化曲线 从图 9可以看出 随着两车相对速度的改 变 在弯道会车过程中 车 气动力波动更加明显 而车 气动力波动较小 这主要是因为车 保持速 度不变 车 以不同速度与之会车 不同速度的车 对车 流场造成的干扰存在较大的差异 速度越大 干扰越明显 而车 由于速度不变 对车 的影响也 几乎不变 车 的气动力波动主要是由于以不同速 度在弯道上行驶 车身周围流场不对称程度不同造 成的 弯道会车过程中 对方车速对己方车辆气动力 影响较大 车 保持速度 m 不变 车 以速度分 别为 m 进行弯道会车过程中 在 x z 处截面的压力分布云图如图 所示 其中 下侧车为车 上侧车为车 从图 可以看出 随着车 速度的增加 对车 的影响逐渐 增强 车辆周围流场的相互干扰随着速度的增加而 不断增强 图 两车横摆力矩变化曲线 图 压力分布云图 3 改变横向间距 文献 研究表明两车的行驶间距对复数车 辆空气动力学相互干涉现象有重要影响 根据 J TG D 公路路线设计规范 关于道路宽度的规

5 第 3期 3 王靖宇等 速度和间距对弯道会车瞬态气动特性的影响 定 当车辆分别在各自车道正中心会车行驶时 两车 m 不变 两车分别以 倍 会车间距约为 倍车宽 这种情况最为常见 但有 车宽车距下弯道会车过程中瞬态气动特性的变化规 时车辆并不一定都沿车道中心行驶 将保持车速为 律如图 所示 图 气动特性的变化规律 由于汽车弯道行驶 会车开始前 就存在一定的 U m m 侧向力 侧倾力矩和横摆力矩 会车过程中 随着两 m C S AE 车纵向位置的变化 车辆所受的气动力大小和方向 I US A S AE P G P 都在不断地变化 其中侧向力和侧倾力矩变化趋势 类似 而横摆力矩的变化规律更加复杂 气动力和力 矩随着会车间距的减小而增大 N m 于海 张兰芳 李迪 山区低等级公路弯道行车速度 对行车轨 迹 的 影 响 J 交 通 科 学 与 工 程 9 YUH ZHANGLF LID T m f 3 结 论 k w w m J J ft S E 弯道交会的两车 侧向力 侧倾力矩和横摆 力矩在极短的会车过程中分别有极值出现 而且方 向都发生了改变 这将影响车辆的操纵稳定性 相对速度不变绝对速度改变时 随着行驶速 度的增加 侧向力 侧倾力矩和横摆力矩的变化趋势 更加明显 相对速度改变时 对方车速的增加对己方 流场的影响较大 3气动力峰值随着弯道交会两车间距的减小 而增大 9 C HOPKI NSB TAHERIS AHMADI ANM Y w m f m C S AEI US A S AE P G P N m 9 王靖宇 王泽伟 顾庆童 等 弯道行驶车辆瞬态气动 特性的数值模拟 J 吉林大学学报 工学版 WANG JY WANG ZW GU Q T N m m f m f 参考文献 R f 李杰 张英朝 张? 等 轿车大客车会车时的气动特 性 J 同济大学学报 自然科学版 3 J J fj U E T E C 王靖宇 王保玉 顾庆童 等 弯道会车的瞬态气动特 同济大学学报 自然科学版 3 性 J ZHANGYC ZHANGZ T LIJ 9 m f J V WANGJY WANGBY GUQT S J ft j U N m J 3 C S J ft j U N DAVI LAA ARAMBURUE FREI XASA M k f m C S AEI US A S AEP G P N m 3 9 C 顾庆童 汽车弯道行驶瞬态气动特性数值模拟研究 D 长春 吉林大学 3 3 TS UBOKURA M I KAWA Y NAKAS HI MA T 下转第 页

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