会车瞬态气动特性对操纵稳定性的影响

王靖宇，惠 政，于旭涛，胡兴军

(吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022)



会车瞬态气动特性对操纵稳定性的影响

王靖宇，惠 政，于旭涛，胡兴军

(吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022)

采用重叠网格的方法，以2个简化的SAE模型为研究对象，对会车过程进行了数值模拟研究。在极短的会车过程中，影响操纵稳定性的侧向力、横摆力矩和侧倾力矩不仅分别有极值出现，且方向也发生了改变。在此基础上，将瞬态变化的气动力载荷施加到整车系统动力学模型上进行仿真，探究瞬态气动力的变化对操纵稳定性所产生的影响。仿真结果表明：在瞬态气动力的作用下，两车均会产生侧向滑移角、横摆角速度及侧倾角速度，虽然数值较小，但也会对车辆的操纵稳定性带来一定的影响。

会车；重叠网格；数值模拟；瞬态气动特性；操纵稳定性

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]。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会车及超车过程中瞬态气动力的变化、速度和间距等对瞬态气动力的影响方面[3-4]。在会车过程中，瞬态气动力的变化会对车辆的操纵稳定性带来一定的影响，关于此方面的研究还非常少见。

本文采用重叠网格的方法，对两个简化SAE模型的会车进行数值模拟研究，获得了两车气动六分力的瞬态变化规律，并将瞬态气动力施加到整车系统动力学模型上进行仿真，探究瞬态气动力的变化对操纵稳定性所产生的影响。

1 瞬态数值模拟

1.1 应用重叠网格方法进行外流场瞬态模拟的试验验证

应用重叠网格的方法对直线行驶的SAE模型进行了瞬态数值模拟，获得了气动六分力的数值及模型周围的速度场和压力场分布，并将数值模拟结果与风洞试验结果进行对比。风洞试验在吉林大学汽车风洞实验室进行，试验段尺寸为8 m×4 m×2.2 m，地板为固定地板，如图1所示。

图1 风洞试验

将风洞试验的结果与数值模拟结果进行对比，气动六分力的误差小于5%，满足工程要求。数值模拟得到的SAE模型周围的速度和压力分布与风洞试验结果也比较吻合，说明应用重叠网格方法对汽车外流场进行瞬态数值模拟研究的计算结果准确可靠[5]。

1.2 SAE模型和计算域

本文的研究对象为1∶1的阶背式SAE模型，模型关键尺寸如图2所示。SAE模型是非常简单的汽车形体模型，没有车轮，仅对几个平面和棱角进行倒角处理，在汽车底部设置扩散器。在汽车空气动力学的研究中，SAE模型获得了广泛的应用[6-7]。

图2 SAE模型尺寸

在CATIA软件中建立SAE模型，最大的外边界尺寸为4 200 mm×1 600 mm×1 200 mm，离地间隙为200 mm。模型周围较小的长方体是从域，尺寸为8 500 mm×3 250 mm×3 250 mm，如图3所示，整个计算域是主域。

图3 SAE模型

为了保证计算结果的准确性，整个计算域的尺寸要足够大，使车辆周围的流场尤其是尾部的流场能充分发展[8-9]，见图4。

1.3 网格划分

在数值模拟中，网格的划分对计算结果有很大的影响[10-11]。本文在STAR-CCM+软件中进行trim网格的划分。底部扩散器的网格尺寸为7.812 5 mm，SAE模型其他部分的网格尺寸为 15.625 mm，模型表面最大的网格尺寸为31.25 mm，划分10层边界层，最终生成的计算域网格如图5所示。

图4 计算域

图5 计算域网格

从域边界处的网格尺寸是62.5 mm，网格尺寸每8层增长1倍，同时保证从域和主域重叠部分的网格不少于4层。计算域外边界的网格尺寸为500 mm。将会车车道部分的网格进行加密处理，网格尺寸为62.5 mm。网格尺寸每10层增长1倍，最终生成了 1 000 万左右的网格。

1.4 边界条件及湍流模型

主域的地面为滑移壁面，其余的边界是压力出口边界。从域的顶壁和车身表面是无滑移壁面，其余的边界是重叠域交界面。

车辆外流场的空气流动可以看作是定常温度下的不可压缩流动，流场的控制方程包括时均连续方程和雷诺方程。汽车为近地面行驶的钝头体，车辆周围的流动非常复杂，流线的曲率变化较大，同时需要很好地模拟车身表面的边界层流动。本次数值模拟采用了realizablek-ε湍流模型[12]，它适合的流动类型比较广泛，同时对边界层的模拟结果相比标准k-ε模型准确。

2 数值模拟结果

两车的间距指的是两车车头前端之间的相对距离，记为x，用SAE模型的长度l来标准化。2个模型沿各自车道的中心线行驶，速度均为20 m/s。在会车的过程中，2个模型间的横向距离始终保持不变，为1倍车宽，1.75 m，左侧车为CAR1，右侧车为CAR2。

2.1 瞬态气动力变化规律

从图6～8可以看出：在会车过程中，气动阻力、气动升力和纵倾力矩的数值随着两车位置的变化而不断改变，分别有极值出现。气动升力和纵倾力矩的改变会使前后轴的载荷发生改变，进而导致车身运动状态的变化，这会给车辆的舒适性带来一定的影响。

从图9～11可以发现：在极短的会车过程中，侧向力、侧倾力矩和横摆力矩的方向发生了多次改变，数值也在不断的变化中，分别有正负极值出现，这必将对车辆的操纵稳定性带来一定的影响。

图6 气动阻力

图7 气动升力

图8 纵倾力矩

图9 侧向力

图10 侧倾力矩

图11 横摆力矩

在Adams软件中建立整车系统动力学模型，将空气动力学仿真得出的气动力和力矩的瞬态数据通过不断累加的step函数输入，力的施加点为空气动力学参考点，进行整车系统动力学仿真，探究会车过程中瞬态气动力的变化对操纵稳定性的影响。

在极短的会车过程中，整车产生了侧向滑移角、横摆角速度和侧倾角速度，虽然数值较小，但处在不断的变化中，会影响整车的侧偏特性和侧倾安全性。系统动力学的模拟结果说明：瞬态气动力的变化会对车辆的操纵稳定性带来一定的影响。

图12 侧向滑移角

图13 横摆角速度

图14 侧倾角速度

3 结论

本文采用数值模拟的方法，对两个简化SAE模型直线会车过程中的瞬态气动特性进行了研究，在此基础上，将瞬态气动力导入Adams模型，进行系统动力学分析，得出了如下结论：

1) 极短的会车过程中，气动六分力分别有极值出现，侧向力、侧倾力矩和横摆力矩的方向都发生了改变。

2) 在侧向力、侧倾力矩和横摆力矩的作用下，两车均会产生一定的侧向滑移角、横摆角速度和侧倾角速度，这将对车辆的操纵稳定性带来一定的影响。

[1] 李杰，张英朝，张喆，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)，2010，38(2)：278-284.

[2] ARTURO DAVILA,ENRIC ARAMBURU,ALEX FREIXAS.Making the Best Out of Aerodynamics:Platoons [C] //SAE World Congress & Exhibition.Detroit:SAE paper,2013(1):0767.

[3] KENJI OKUMURA,TOSHIHIKO KURIYAMA.Transient aerodynamic simulation in cross wind and passing an automobile[C]//SAE World Congress & Exhibition.Detroit:SAE paper,1997:970404.

[4] 胡兴军.车辆超车与会车时气动特性的动态模拟研究[D].长春：吉林大学,2006.

[5] 王靖宇，顾庆童，胡兴军，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)，2015(1):44-48.

[6] BRAD HOPKINS,SAIED TAHERI,MEHDI AHMADIAN,et al.Yaw Stability Control and Emergency Roll Control for Vehicle Rollover Mitigain[C]//SAE World Congress & Exhibition.Detroit: SAE paper,2010(1):1901.

[7] LEE Y H.Automatic Speed Control System For Vehicle Approaching and Driving on a Curve[C]//Proceedings of ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition.2008.

[8] KEVIN P.Garry and Geoffrey M.Le Good.An Investigation of the Sensitivity of Rear Wing Orientation for Saloon Race Cars[C]//SAE World Congress & Exhibition.Detroit:SAE Paper,2005:1018.

[9] DAVID SCHROCK,NILS WIDDECKE,JOCHEN WIEDEMANN.The Effect of High Turbulence Intensities on Surface Pressure Fluctuations and Wake Structures of a Vehicle Model [C]//SAE Paper.2009.

[10]ASYA GABBASA,BADIH ALI JAWAD．CFD-Based Shape Optimization for Optimal Aerodynamic Design[C]//SAE World Congress & Exhibition.Detroit:SAE Paper,2012:0507.

[11]JESPER MARKLUND,HAKAN DANIELSSON,GUNNAR OLSSON．Performance of an Automotive Under-Body Diffuser Applied to a Sedan and a Wagon Vehicle[C]//SAE World Congress & Exhibition.Detroit:SAE Paper,2013:0952.

[12]王福军.计算流体动力学分析 [M].北京：清华大学出版社,2004:125-126.

(责任编辑 杨黎丽)

The Influence of Vehicle Transient Aerodynamic Characteristics on the Steering Stability During the Curve Crossing

WANG Jing-yu, HUI Zheng, YU Xu-tao, HU Xing-jun

(State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University, Changchun 130022, China)

. The method of overlapping grid was applied to numerically simulation. The transient aerodynamic characteristics of the flow fields around two simplified model SAE were studied when they crossed each other. During the short crossing, side force, yawing moment and rolling moment, which will affect steering stability, changed direction, quickly reached their positive and negative value. On this basis, the transient aerodynamic forces were applied on vehicle system dynamic model for simulationto study the influence on handling stability. The simulation results show that under the action of transient aerodynamic forces, both vehicles will generate lateral slip angle, yawing angular velocity and rolling angular velocity. Although the values were small, it would have some influence on the handling stability.

crossing;overlapping grid;numerical simulation; transient aerodynamiccharacteristics;steering stability

2016-08-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(11102070)

王靖宇(1976—)，男，博士，副教授，主要从事汽车空气动力学研究，E-mail：wangjy@jlu.edu.cn；通讯作者 胡兴军(1976—)，男，教授，博士生导师，主要从事车身工程研究，E-mail: hxj@jlu.edu.cn。

王靖宇，惠政，于旭涛，等.会车瞬态气动特性对操纵稳定性的影响[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(11):7-11.

format：WANG Jing-yu, HUI Zheng, YU Xu-tao, et al.The Influence of Vehicle Transient Aerodynamic Characteristics on the Steering Stability During the Curve Crossing[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):7-11.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.002

U461

A

1674-8425(2016)11-0007-05