论文部分内容阅读
摘要：自然风与汽车会车工况的耦合会恶化汽车外流场，导致汽车所受气动力的变化.因此，对侧风下会车的气动特性研究具有一定的现实意义.本文采用滑移网格技术对侧风下等速会车的气动特性进行了数值分析.数值结果表明：由于气动干扰，侧风下会车的两车气动阻力和侧向力均产生了复杂的变化，对侧向力的影响更加剧烈.简化的二维数值模拟与真实的会车会有一定的偏差，但仍可为后续的真实车体会车的气动分析提供参考。
关键词：汽车会车；侧风；气动特性；数值分析；气动干扰
0引言
普遍存在的自然风以及汽车会车、超车及通过隧道等特殊行驶工况的叠加和耦合常常会恶化汽车外流场，导致汽车所受气动力的变化更加复杂.汽车在侧风环境下会车时，随着两车距离的减小，周围的气流产生严重的气动干扰，引起空气绕流的变化.从而产生瞬时变化的气动力，直接影响汽车的阻力特性、行驶稳定性和安全性.因此，有必要对汽车在侧风环境下会车的气动特性开展相关研究，目前国内外对于车辆交会的空气动力特性研究主要是集中于轨道车辆，而对于汽车这一类公路运输车辆的研究较少.高磊等对会车过程进行三维瞬态数值模拟，得到了会车过程的瞬态空气动力特性，并且研究了不同相对车速对会车过程汽车瞬态空气动力特性的影响，张英朝等使用商业的CFD软件，对简单外形汽车隧道中会车过程的瞬态空气动力学特性进行了模拟，徐国英等运用计算流体力学数值模拟方法对在一级公路和四级公路上行驶的汽车迎面会车过程进行了仿真研究，上述研究主要是针对非侧风情况下汽车会车的气动特性，而对侧风下会车工况的气动特性研究很少。
1数值模型及计算工况
为简化计算，侧风下两车等速会车的气动特性研究只考虑二维情形，对于两车交会的相对运动采用滑移网格技术处理，因此，在图1所示计算域中将整个流动区域划分为4个区域（图中L为车长）.共划分为两个移动区域和两个静止区域，移动区域与相邻区域通过交界面来交换数据.移动区域01（面EFJK）中包含第一辆汽车car01，其移动速度为v；移动区域02（面CDLM）中包含第二辆汽车car02，其移动速度为v.流动计算的car01和car02相隔1.2m，且外形一致（图2），其中L、W、R分别为车长、车宽、圆角半径（mm），考虑为等速（V1=V2=25 m/s）会车，侧风风速为10 m/s，两车相对速度计算的流动雷诺数和马赫数分别为5.6E6、0.147，因此，可将汽车交会的外流场简化为二维、粘性、不可压缩、不考虑热量交换的非定常湍流流动.在计算模拟中选用可实现的k-s湍流模型，通过求解连续性方程、动量方程、湍动能方程和耗散率方程得到整个流场的数值解，整个计算域采用结构化四边形网格进行离散（图3），车体表面加有细密的边界层网格。
为了得到具体流动问题的特解，表1中列出了相应的流动边界条件，在非定常计算中，其时间步长为0.001s，单步中迭代次数为20，计算时间与真实的流动时间一致。
2仿真结果及分析
2.1交会气动特性
在数值计算处理中，参考面积为1.8㎡，参考速度为51m/s，特征长度取车宽1.8m，垂向长度按1m计算.通过非定常计算可以获得侧风下交会两车的气动特性时程变化趋势，图4、图5分别交会时两车的阻力系数及侧向力系数随时间变化的历程，由于气动干扰，交会时两车的气动特性表现出较明显的非定常性.由图4的阻力系数变化可以看出，处于交会侧风上游的汽车car01的阻力系数变化较平缓，而处于下游的汽车car02的阻力系数变化较剧烈.上游的car01的阻力系数随着两车逼近逐渐减小，当会车后两车头部间隔d=4.0L时，阻力系数基本保持不变.下游的car02的阻力系数经历先增加，后减小，再增加，再减小的变化过程.图5中也反映出汽车car02的侧向力系数较car01的侧向力系数变化更复杂，当会车的两车头部平齐时，car02的侧向力达到第一个峰值点，而后逐渐下降，再继续上升到第二个峰值点，随着会车过程的继续进行，侧向力系数逐渐减小，当d=2.0L时，侧向力出现了负值，即由原来所受的排斥力变化为吸引力.处于侧风上游的汽车car01的侧向力系数首先逐渐增加，再减小，而后缓慢增加直至趋于基本不变
2.2特定时刻流场分析
为了理解以上的汽车在侧风下交会时气动干扰特性，可以针对特定时刻的流场进行单独分析，图6为相会两车的几种典型位置关系，其中d表示两车头部的间隔距离，L为车长，t为给定时刻。
图7-图10为4个特定时刻t=1.90 s、t=2.05 s、t=2.20 s、t=2.30 s的流场压力云图和流线图.从这些压力分布和流线图中可以看出，在侧风和汽车行驶风的联合作用下，在车体背风侧和尾部不同程度地出现了负压区，特别是在两车相隔间距较近的时刻，复杂的压力分布直接导致作用在车体上的气动力发生显著的变化，在t=2.05 s时刻，两车头部相隔0.5倍车长，车身的一半重叠在一起，在car02的迎风侧正压区直接影响到car01背风侧的负压区，因此，该时刻car01所受到的侧向力明显小于car02.在t=2.20 s时刻，两车头部间距为2倍间距，车身正好错开.在car02的背风侧出现了一个很明显的负压区，由于car02尾流的影响，在car01的背风侧尚未出现明显的负压区，因此，该时刻car02所受到的侧向力明显大于car01。
图11、图12分别为t=2.00 s时刻会车车辆carOl和car02沿x方向、y方向的静压系数比较，由图中曲线的积分面积可以看出：t=2.00 s时刻car01和car02所受到的侧向力相差较大，而阻力的大小很接近.图13、图14分别为t=2.25 s时刻会车车辆car01和car02沿x方向、y方向的静压系数比较.在t=2.25 s时刻，car02沿x方向的积分面积明显大于car01，但沿y方向的则相反.因此，该时刻下，car01受到的阻力略大于car02，而侧向力则明显小于car02。
相会的两车在不同时刻（t=2.00 s、t=2.15 s），其气动特性也发生明显变化.图15、图16分别为汽车carOl沿x方向和y方向的静压系数比较.图17、图18分別为汽车car02沿x方向和y方向的静压系数比较，在t=2.00 s时刻，两车车头正好重叠，随着会车过程的继续，直到t=2.15 s时刻，此时两车头部间距1.5倍车长，一半的车身产生重叠.相比t=2.00 s时刻，t=2.15 s时刻的气动干扰更加剧烈，大大削弱了两车所受的气动力.因此，无论是car01还是car02，后一时刻所受到的阻力和侧向力均小于前一时刻。
3结论
通过对侧风下会车的两车气动特性的数值研究，可以获得以下几点主要结论：
1）在侧风环境下，等速会车的两车均表现出较强的非定常性，阻力系数和侧向力系数均呈现出一定的非周期性变化。
2）侧风会车时，两车的气动干扰对两车的气动特性产生明显的影响，但其中对于侧向力的影响更加剧烈。
3）简化的二维数值模拟与真实的会车会有一定的偏差，但仍可为后续的真实车体会车绕流流动的气动分析提供借鉴和参考。
关键词：汽车会车；侧风；气动特性；数值分析；气动干扰
0引言
普遍存在的自然风以及汽车会车、超车及通过隧道等特殊行驶工况的叠加和耦合常常会恶化汽车外流场，导致汽车所受气动力的变化更加复杂.汽车在侧风环境下会车时，随着两车距离的减小，周围的气流产生严重的气动干扰，引起空气绕流的变化.从而产生瞬时变化的气动力，直接影响汽车的阻力特性、行驶稳定性和安全性.因此，有必要对汽车在侧风环境下会车的气动特性开展相关研究，目前国内外对于车辆交会的空气动力特性研究主要是集中于轨道车辆，而对于汽车这一类公路运输车辆的研究较少.高磊等对会车过程进行三维瞬态数值模拟，得到了会车过程的瞬态空气动力特性，并且研究了不同相对车速对会车过程汽车瞬态空气动力特性的影响，张英朝等使用商业的CFD软件，对简单外形汽车隧道中会车过程的瞬态空气动力学特性进行了模拟，徐国英等运用计算流体力学数值模拟方法对在一级公路和四级公路上行驶的汽车迎面会车过程进行了仿真研究，上述研究主要是针对非侧风情况下汽车会车的气动特性，而对侧风下会车工况的气动特性研究很少。
1数值模型及计算工况
为简化计算，侧风下两车等速会车的气动特性研究只考虑二维情形，对于两车交会的相对运动采用滑移网格技术处理，因此，在图1所示计算域中将整个流动区域划分为4个区域（图中L为车长）.共划分为两个移动区域和两个静止区域，移动区域与相邻区域通过交界面来交换数据.移动区域01（面EFJK）中包含第一辆汽车car01，其移动速度为v；移动区域02（面CDLM）中包含第二辆汽车car02，其移动速度为v.流动计算的car01和car02相隔1.2m，且外形一致（图2），其中L、W、R分别为车长、车宽、圆角半径（mm），考虑为等速（V1=V2=25 m/s）会车，侧风风速为10 m/s，两车相对速度计算的流动雷诺数和马赫数分别为5.6E6、0.147，因此，可将汽车交会的外流场简化为二维、粘性、不可压缩、不考虑热量交换的非定常湍流流动.在计算模拟中选用可实现的k-s湍流模型，通过求解连续性方程、动量方程、湍动能方程和耗散率方程得到整个流场的数值解，整个计算域采用结构化四边形网格进行离散（图3），车体表面加有细密的边界层网格。
为了得到具体流动问题的特解，表1中列出了相应的流动边界条件，在非定常计算中，其时间步长为0.001s，单步中迭代次数为20，计算时间与真实的流动时间一致。
2仿真结果及分析
2.1交会气动特性
在数值计算处理中，参考面积为1.8㎡，参考速度为51m/s，特征长度取车宽1.8m，垂向长度按1m计算.通过非定常计算可以获得侧风下交会两车的气动特性时程变化趋势，图4、图5分别交会时两车的阻力系数及侧向力系数随时间变化的历程，由于气动干扰，交会时两车的气动特性表现出较明显的非定常性.由图4的阻力系数变化可以看出，处于交会侧风上游的汽车car01的阻力系数变化较平缓，而处于下游的汽车car02的阻力系数变化较剧烈.上游的car01的阻力系数随着两车逼近逐渐减小，当会车后两车头部间隔d=4.0L时，阻力系数基本保持不变.下游的car02的阻力系数经历先增加，后减小，再增加，再减小的变化过程.图5中也反映出汽车car02的侧向力系数较car01的侧向力系数变化更复杂，当会车的两车头部平齐时，car02的侧向力达到第一个峰值点，而后逐渐下降，再继续上升到第二个峰值点，随着会车过程的继续进行，侧向力系数逐渐减小，当d=2.0L时，侧向力出现了负值，即由原来所受的排斥力变化为吸引力.处于侧风上游的汽车car01的侧向力系数首先逐渐增加，再减小，而后缓慢增加直至趋于基本不变
2.2特定时刻流场分析
为了理解以上的汽车在侧风下交会时气动干扰特性，可以针对特定时刻的流场进行单独分析，图6为相会两车的几种典型位置关系，其中d表示两车头部的间隔距离，L为车长，t为给定时刻。
图7-图10为4个特定时刻t=1.90 s、t=2.05 s、t=2.20 s、t=2.30 s的流场压力云图和流线图.从这些压力分布和流线图中可以看出，在侧风和汽车行驶风的联合作用下，在车体背风侧和尾部不同程度地出现了负压区，特别是在两车相隔间距较近的时刻，复杂的压力分布直接导致作用在车体上的气动力发生显著的变化，在t=2.05 s时刻，两车头部相隔0.5倍车长，车身的一半重叠在一起，在car02的迎风侧正压区直接影响到car01背风侧的负压区，因此，该时刻car01所受到的侧向力明显小于car02.在t=2.20 s时刻，两车头部间距为2倍间距，车身正好错开.在car02的背风侧出现了一个很明显的负压区，由于car02尾流的影响，在car01的背风侧尚未出现明显的负压区，因此，该时刻car02所受到的侧向力明显大于car01。
图11、图12分别为t=2.00 s时刻会车车辆carOl和car02沿x方向、y方向的静压系数比较，由图中曲线的积分面积可以看出：t=2.00 s时刻car01和car02所受到的侧向力相差较大，而阻力的大小很接近.图13、图14分别为t=2.25 s时刻会车车辆car01和car02沿x方向、y方向的静压系数比较.在t=2.25 s时刻，car02沿x方向的积分面积明显大于car01，但沿y方向的则相反.因此，该时刻下，car01受到的阻力略大于car02，而侧向力则明显小于car02。
相会的两车在不同时刻（t=2.00 s、t=2.15 s），其气动特性也发生明显变化.图15、图16分别为汽车carOl沿x方向和y方向的静压系数比较.图17、图18分別为汽车car02沿x方向和y方向的静压系数比较，在t=2.00 s时刻，两车车头正好重叠，随着会车过程的继续，直到t=2.15 s时刻，此时两车头部间距1.5倍车长，一半的车身产生重叠.相比t=2.00 s时刻，t=2.15 s时刻的气动干扰更加剧烈，大大削弱了两车所受的气动力.因此，无论是car01还是car02，后一时刻所受到的阻力和侧向力均小于前一时刻。
3结论
通过对侧风下会车的两车气动特性的数值研究，可以获得以下几点主要结论：
1）在侧风环境下，等速会车的两车均表现出较强的非定常性，阻力系数和侧向力系数均呈现出一定的非周期性变化。
2）侧风会车时，两车的气动干扰对两车的气动特性产生明显的影响，但其中对于侧向力的影响更加剧烈。
3）简化的二维数值模拟与真实的会车会有一定的偏差，但仍可为后续的真实车体会车绕流流动的气动分析提供借鉴和参考。