重型商用车间歇性侧风气动特性仿真

于伟靖，张英朝，任琳琳，苏 畅

重型商用车间歇性侧风气动特性仿真

于伟靖，张英朝，任琳琳，苏 畅

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022)

车辆进出侧风带的瞬间气动特性的变化规律对其行驶产生重要影响，本文中利用STAR-CCM＋软件中的重叠网格技术，对某型重型商用车通过城市道路中不同间隔的连续建筑物形成的长宽比小于1的侧风带这一过程进行了空气动力学数值模拟，研究了其行驶过程中气动特性的变化规律。结果发现:两建筑物之间形成的不同长宽比的侧风带对重型商用车的流场和气动特性均有剧烈影响，横摆力矩变化率高达35.6kN·m/s，随着长宽比的增加，气动力的峰值也增大。

重型商用车；空气动力学；数值模拟；间歇性侧风

前言

重型商用车的外形特征使车的稳定性不可忽视侧风的影响，况且在运输过程中会经历多种不同的侧风环境，其中连续建筑物形成的非稳态侧风带会使车体持续处于侧风有无的变化中，这对于重型商用车的行驶稳定性有严重影响[1－2]。针对于侧风对车辆的影响，国内外的研究已取得较多成果。文献[3]中研究了奥迪100轿车的结构参数对侧风的影响；文献[4]中对侧风条件下的客车参数进行了研究；文献[5]中用数值仿真方法研究了赛车进入一次短距侧风区域时瞬态空气动力的变化；文献[6]中用动力学软件Trucksim仿真研究了侧风对高速汽车稳定性的影响；文献[7]中研究了稳态侧风下汽车外流场气动特性。车辆行驶在间歇性侧风带的瞬态特性研究是影响汽车稳定性的重要研究方向。

结合国内某型号重型商用车，采用数值仿真模拟研究了不同建筑物间隔形成的不同宽度侧风带对重型商用车周围流场的影响，得出了重型商用车在此类非稳态侧风下气动特性的变化规律，为重型商用车的侧风特性研究提供了又一参考依据，对其行驶稳定性的研究有重要的参考意义。

1 模拟方案和计算模型

本文中以重型商用车在侧风下通过城市道路连续建筑物为研究背景[8]，模拟方案如图1所示。建筑物间隔(按车辆行驶方向由左向右)分别取3/4L，L和5/4L(L为车长，L＝12m)，使建筑物之间形成不同长宽比的侧风通道，长宽比依次为0.562 5，0.75和0.937 5。建筑物模型[9]的几何尺寸如图2所示，其长宽高分别为28，16和17m。图3为重型商用车的数字模型[9]，其长度为12m，最大宽度为2.5m，高度为3.5m。仿真过程中，采用空气动力学参考点描述气动力矩[10]，如图4所示。其中A为空气动力学参考点，a为轴距，a＝6.5m，迎风面积为8.75m2。

图1 模拟方案示意图

图2 建筑物尺寸示意图

图3 重型商用车的数字模型

图4 空气动力学参考点位置示意图

2 网格与边界条件

2.1 网格方案

仿真研究采用重叠网格来实现车辆在路面行驶通过侧风带的情况，车体的运动类型为平移。主域采用切割体非结构化网格划分，建筑和车身进行了适当加密处理，表面最小网格尺寸为5mm，体网格数量为796万。从域采用“三棱柱边界层网格＋六面体切割体”混合网格模型，车身表面利用边界层网格进行加密[11]，边界层厚度为2cm，边界层数量为6，表面最小网格尺寸为5mm，体网格数量为502万。图5为计算域和车身网格分布情况。

使用商用软件STAR-CCM＋进行计算，其具有计算结果精确、收敛性好的特点[12]。

图5 计算域网格分布

2.2 边界条件设置

根据大多数城市中的风况，研究中选用10m/s的侧风风速(用入口速度实现)，相当于5级风，车辆行驶速度选15m/s[12]。主要边界条件设置如表1所示。

表1 边界条件设置情况

3 仿真结果分析

采用动网格仿真方法，模拟车辆从静止以稳定速度向前行驶的实际情况。为使重型商用车周围的流场能够达到稳定，需要对重型商用车处于开阔路段(与图1中方案唯一的不同点是没有建筑物)时的气动特性进行仿真研究，图6为重型商用车行驶于开阔路段(有侧风)从静止开始行驶时气动六分力系数(阻力系数Cd、升力系数Cl、侧向力系数Cs、横摆力矩系数Cym、纵倾力矩系数Cpm和俯仰力矩系数Crm)随时间的变化图。从图6中可知，当重型商用车行驶了1.2s左右，各项气动系数才趋于稳定，即整个计算域处于均匀的气流分布状态，下文中结果分析均以2s开始，保证了计算结果的准确性。

3.1 气动力系数和气动力矩系数分析

图7为重型商用车的行程和时间示意图。图中标示了重型商用车通过每条侧风通道过程中的特殊位置[13]，其中双点划线表示重型商用车完全处于建筑物背风侧；虚线表示车身前半部分处于侧风通道中，而后半部分处于建筑物背风侧；实线表示车身中部正对侧风通道；点划线则表示车身前半部分处于建筑物背风侧，而后半部分处于侧风通道中。车辆以15m/s的速度行驶，全程210m，历经14s。

图6 开阔路段气动六分力系数变化图

图7 行程时间和特殊位置示意图

图8 分别为重型商用车全程的阻力系数Cd、侧向力系数Cs和横摆力矩系数Cym变化图。

与其他类型车辆相比，载货车的阻力系数Cd更容易受偏航角的影响，即Cd值随着偏航角的增加而增大[14]。这解释了图8(a)体现的现象，当车身开始驶入侧风通道后，侧风速度迅速增加，从而偏航角随之增大，进而阻力系数也会增大。但在前后建筑物遮蔽作用下形成的流场会互相干扰，Cd值波动较频繁。从图8(b)和图8(c)中可以看出，侧向力和横摆力矩系数的变化受侧风影响明显，并呈一定的规律性，即车体连续通过多个建筑物及侧风通道过程中，气动系数变化具有重复性。当重型商用车驶入建筑物背风侧时侧向力系数迅速下降，随着车身驶入侧风通道，侧向力系数也随之增大，而且随着侧风通道宽度的增加，侧向力系数的峰值也随之增大，7.2，9.6和13s时的峰值分别为3.738，6.437和7.430。当重型商用车车身一部分处于侧风中，另一部分被建筑物遮挡时，即点划线和虚线所示位置附近，其横摆力矩系数达到最大值15.95。

表2和表3分别为重型商用车特殊时刻的横摆力矩和侧倾力矩的变化情况。从表2中可看出，6.7～7.5s内，道路上气流的变化引起车辆周围流场变化，直接导致横摆力矩变化率高达35.6kN·m/s；8.5～9.4s的侧倾力矩大幅度变化，变化率达19.7kN·m/s，这种剧烈的变化对车辆的行驶存在极大的安全隐患，尤其是当驾驶员出现驾驶疲劳时，更难以操控车辆，容易发生交通事故。

3.2 流场分析

图9为重型商用车通过第一条侧风通道时L/2横向截面上的速度矢量图。t＝4s时刻，车体处于建筑物背风侧，侧风气流流经建筑物顶端后，在背风侧形成较大漩涡并作用在车身表面，使车身背风侧变成了暂时性的迎风侧。t＝4.5s时，车身进入侧风通道，迎风侧恢复为初始时的一侧，漩涡逐渐远离车身，作用减弱。这也解释了侧向力系数在车体通过第一条侧风通道过程中的变号现象。

图8 气动力和力矩系数变化图

表2 横摆力矩变化量

表3 侧倾力矩变化量

图9 L/2截面及中心纵截面上速度矢量图

重型商用车正对3条侧风通道时，侧风通道宽度越大，车身周围高速气流范围也越大，尤其是尾部涡流范围和速度越大，与车头部压力差越大，其阻力系数越大。4.6，7.1和9.9s时阻力系数分别达到0.695，0.942和1.741，且在9.9s时阻力系数达到最大，即车辆受的阻力最大，驾驶员操控车辆的难度增加。3个时刻均处于侧向力系数和横摆力矩系数急剧变化的状态，侧向力和横摆力矩导致车辆摆动，造成稳定性恶化。当车身前半部分处于侧风中，后半部分处于建筑物背风侧时，随着侧风气流宽度和强度的增加，车身迎风侧高压区前移，侧向力也随之增加，背风侧相对后移，造成车体前后侧向压力值不平衡，横摆力矩增大。车辆的行驶稳定性存在潜在威胁，乘员、随行的车辆和行人也将面临巨大的潜在危险。况且，当侧风的角度发生变化时，汽车的气动特性更加复杂多变[5]，危险系数进一步提高。

4 结论

通过数值模拟，可得出以下结论:

(1)侧风通道长宽比小于1的情况下，随着长宽比的增加重型商用车各气动力和力矩系数的极值(绝对值)随之增大；

(2)重型商用车进出侧风带时，横摆力矩变化率最高达35.6kN·m/s，侧倾力矩变化率达19.7kN·m/s，这种由气流突变带来的行驶稳定性隐患极大；

(3)重型商用车经过有侧风的地带时，尤其有突变侧风的地带，驾驶员应当提高警惕，保证行车安全。

模拟研究虽对重型商用车的某一典型非稳态侧风特性得出了具有一定规律性的结论，但仅研究了3种不同宽度侧风通道的工况。考虑到实际环境中侧风带的复杂性，在今后的研究中还要增加侧风通道宽度种类、车速变化和风速变化[15]等工况，找出更为普遍且全面的侧风气动特性规律。

[1] COOPER K R，WATKINS S.The unsteady wind environment of road vehicles，part one:a review of the on-road turbulent wind environment[C].SAE Paper 2007－01－1236.

[2] WATKINS S，COOPER K R.The unsteady wind environment of road vehicles，part two:a review of the on-road turbulent wind environment[C].SAE Paper 2007－01－1237.

[3] 郭孔辉，林柏忠，等.高速汽车侧风影响效应仿真与影响侧风稳定性的结构参数分析[J].吉林工业大学学报，1994，24(4):1－7.

[4] JUHLIN M，ERIKSSON P.A vehicle parameter study on crosswind sensitivity of buses[C].SAE Paper 2004－01－2612.

[5] Makoto Tsubokura.HPC-LES for the prediction of unsteady aerodynamic forces on a vehicle in a gusty cross-flow condition[C].SAE Paper 2008－01－3001.

[6] 李杰，张喆，张英朝，等.侧风对高速行驶汽车操纵稳定性影响的研究[C].2010中国汽车工程学会年会论文集:1380－1383.

[7] 张甫仁，张金龙，屈贤，等.侧风下汽车外流场气动特性分析[J].科技导报，2015，33(15):76－81.

[8] 建设部标准定额研究所.办公建筑设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2006:6－16.

[9] 李腾飞.不同道路形式下重型商用车瞬态气动特性的数值模拟[D].长春:吉林大学，2013.

[10] 张喆.侧风作用下重型载货汽车气动特性与稳定性的联合研究[D].长春:吉林大学，2012.

[11] 秦硕明.风载下高速汽车气动力CFD研究[D].南京:南京理工大学，2009.

[12] 张英朝.汽车空气动力学数值模拟技术[M].北京:北京大学出版社，2011.6.

[13] 李杰，张英朝.轿车大客车会车时的气动特性[J].同济大学学报，2010，38(2):278－284.

[14] 武藤真理.汽车空气动力学[M].程正，译.长春:吉林科学技术出版社，1989.

[15] 高广军，田红琪.横风对双层集装箱平车运行稳定性的影响[J].交通运输工程学报，2004，4(2):45－48.

A Simulation on the Aerodynamic Characteristics of a Heavy Commercial Vehicle Subjected to Intermittent Crosswind

Yu Weijing，Zhang Yingchao，Ren Linlin＆Su Chang
Jilin University，State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Changchun 130022

The changing law of instantaneous aerodynamic characteristics has significant effects on the driving of vehicle when it is running through intermittent crosswind area.Accordingly，an aerodynamic numerical simulation is conducted in this paper on the process of a heavy commercial vehicle running through crosswind area on urban road with a length-width ratio less than 1 formed by successive buildings separated by different distances，to study the changing law of its aerodynamic characteristics in that driving process.The results show that the crosswind areas with different length-width ratios formed by buildings have intensive effects on the flow field and aerodynamic characteristics of heavy commercial vehicles，with a changing rate of yaw moment reaching up to 35.6kN·m/s and the peak of aerodynamic force rises with the increase of length-width ratio.

heavy commercial vehicle；aerodynamics；numerical simulation；intermittent crosswind

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.007

原稿收到日期为2016年3月1日，修改稿收到日期为2016年5月31日。

张英朝，副教授，E-mail:yingchao＠jlu.edu.cn。