隔离带对侧风条件下超车过程车辆气动力的影响∗

刘立宁，石 硕，郗学峰，范鹏飞，杜广生，雷 丽

(1.山东大学能源与动力工程学院，济南 250061； 2.烟台南山学院，烟台 265713； 3.山东建筑大学热能工程学院，济南 250101)

前言

随着汽车保有量的增加，道路上行驶的车辆越来越多，超车行为越来越频繁。在超车过程中如果受到侧风和周边环境的影响，车辆周围的流场会发生明显改变，引起车辆所受气动力的变化，影响车辆的安全稳定运行。

为研究侧风对车辆气动性能的影响，国内外学者通过风洞实验和数值模拟对单车模型进行了研究[1-4]。结果表明，侧风强度、方向和瞬态波长等变化，均会引起车辆气动特性的改变。此外，道路形态、路堤、桥梁和山坡等对车辆气动性能也有较大影响[5-7]。而在侧风条件下进行超车时，车辆的气动特性变化更为复杂[8-9]。当车辆在高速公路上行驶时，道路中央通常设有隔离带将对向车道进行隔离。在侧风条件下，隔离带会对超车过程产生较大影响。本文中以两辆相同的厢式货车为研究对象，讨论在超车过程中隔离带对车辆气动力的影响。

1 数值模拟

1.1 几何模型

本文中采用某厢式货车1∶1模型作为研究对象，车身长L＝8116mm，宽W＝2400mm，高H＝3520mm。模拟过程中对模型进行适当简化，忽略后视镜、门把手和车身底部微小部件的影响，并对轮胎底部进行切面处理，使车轮与地面接触面为一平面。计算用模型如图1所示。

图1 计算用货车模型

1.2 计算域与网格划分

计算域外边界为长方体，如图2所示。计算域总长 16.5L，总宽 17W，总高 5H，两车横向间距0.5W。用Van1代表主超车，Van2代表被超车。隔离带与计算域同长，宽2m，高1.5m。侧风垂直于左侧入口(入口2)吹向车辆，侧风入口2边界距离隔离带左侧边缘3W，侧风出口(出口2)距离被超车车身右侧10W。坐标系设定为车辆运动方向的反方向为x轴正向，由主超车指向被超车方向为y轴正向，垂直于地面向上为z轴正向。

图2 计算域示意图

划分网格时，将计算域分为7个子区域，分别进行网格划分，如图3所示。货车所在区域采用四面体网格，其它区域采用六面体网格。总的网格数量约为4.04×106。 其中，区域1，2，3，4 为静止网格区；区域5，6，7为动网格区。在模拟过程中，静止网格区网格保持不变，而动网格区网格采用动态分层法进行网格重构。动静网格区之间通过滑移交界面进行数据传递。在Fluent软件中，通过用户自定义函数进行网格重构。

1.3 模拟方案及边界条件

图3 网格划分示意图(Z＝1.4m截面)

道路中央隔离带通常被设计为绿化带，并被修剪成长方体形状。由于绿化带植被间充满孔隙，因此将隔离带区域设定为多孔介质，孔隙率为96%，沿y方向压力损失系数为1.25m-1[10]。为便于讨论，将这种稀疏的隔离带称为1#隔离带。当隔离带植被足够密集时，侧风将无法穿过隔离带，只能从隔离带顶部绕流，此时车辆受到的气动力会发生明显改变，将这种极限情况下的密集隔离带称为2#隔离带。本文中拟对这两种隔离带作用下的超车过程进行研究，并与无隔离带时的超车过程[11]进行比较。

超车过程中设定主超车速度为30m/s，被超车速度为20m/s，二者均沿x轴负向行驶。为了节省计算资源，模拟时假定Van2不动，设定来流速度为20m/s，方向沿x轴正向，主超车以10m/s的相对速度沿x轴反方向运行。侧风垂直于车辆行驶方向，由车辆左侧吹向右侧。侧风速度设定为11.55m/s(相当于蒲福风级中的6级风)。为方便讨论，以无量纲量X/L表示超车过程中不同时刻两车之间的纵向相对位置，其中X为被超车前缘x坐标与主超车前缘x坐标值之差。

边界条件设置如表1所示。此外，动、静网格区分界面采用滑移交界面，动网格区内部界面设置为内部面。

表1 边界条件设置

1.4 控制方程和计算参数设置

超车过程的外流场属于三维、黏性、非稳态的不可压缩流，遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒控制方程，在三维直角坐标系中这些控制方程的守恒型通用形式为

式中：ρ为密度；u为速度；t为时间；φ为通用变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。公式等号两边的各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项，对于特定的方程，φ，Γ和S具有特定的形式[12]。

计算中采用RNGk-ε湍流模型，对流项采用2阶迎风格式，速度和压力耦合采用PISO算法[13]。超车过程瞬态时间步长设定为0.005s，每种工况分别计算1 050个时间步，即两车间的距离从X/L＝-4.5计算到X/L＝2。

2 计算结果与分析

2.1 气动力分析

2.1.1 无侧风时隔离带对车辆气动力的影响

图4 无侧风时主超车与被超车受到的气动力

图4表示无侧风影响时，超车过程中主超车和被超车气动力变化情况。图例中，FD表示气动阻力，FS表示侧向力，FL表示升力。

由图4可见，无侧风时隔离带对车辆气动力影响非常小。与无隔离带的超车过程[11]相比，两车的气动阻力平均变化量小于1%；侧向力和升力变化略大一些，但对车辆的安全稳定性影响依然很小。

2.1.2 侧风条件下隔离带对车辆气动力的影响

图5给出了侧风条件下隔离带对主超车和被超车气动阻力的影响。由图5(a)可见，在侧风条件下隔离带使主超车气动阻力下降，1#隔离带使气动阻力平均降低28.3%，2#隔离带使之平均降低30.5%。由图5(b)可见，两种隔离带使被超车气动阻力发生了不同的变化，1#隔离带使被超车气动阻力减小，X/L＝-0.75处减小幅度最大，此时 ΔFD＝1393.6N；2#隔离带在超车前后(X/L＜-1和X/L＞1)使被超车气动阻力减小，但在超车过程中(-1＜X/L＜1)使被超车气动阻力增大，在X/L＝-0.5时ΔFD＝974.3N。

图5 侧风条件下主超车与被超车的气动阻力

图6为侧风条件下不同隔离带对主超车和被超车侧向力的影响趋势。由图可见，隔离带使车辆的侧向力大幅度减小，且植被密集的隔离带使车辆侧向力减小的幅度更大。由于主超车位置靠近隔离带，所以隔离带对主超车侧向力的影响更加明显。特别是在2#隔离带作用下，主超车侧向力平均降幅达68.8%，最大降幅达82.8%，极大地提高了车辆的安全稳定性。对于被超车，当X/L＜-0.75时，2#隔离带比1#隔离带对其侧向力的影响更大；但当X/L＞-0.75以后，两种隔离带使FS下降的幅度差别不大；而当X/L＞0.5后，隔离带对被超车侧向力的影响很小。

图6 侧风条件下主超车与被超车的侧向力

图7示出侧风条件下隔离带对主超车和被超车升力的影响。由图可见，隔离带有效地降低了两车的升力，且植被密集的隔离带对升力的降低效果更明显。1#隔离带使主超车升力平均降低了44.4%，而2#隔离带使主超车升力平均降低了71.8%。对于被超车而言，其升力降低幅度也很大，尤其在X/L＝-0.5处升力降低幅度最大，1#隔离带使FL减小了3 158.8N，2#隔离带使FL减小了3 884.3N；但X/L＞0.5以后，隔离带的影响不大。由图7(b)还可看出，几乎在整个超车过程中，2#隔离带已使被超车的升力由正值变为负值，这使车辆的操纵稳定性得到显著提高。

2.2 流场分析

由上述分析可知，在侧风条件下隔离带对超车过程车辆气动力产生了较大影响。由图5～图7可见，在X/L＝-0.5附近车辆气动力达到峰值，因此下面对该位置处流场进行分析。

图7 侧风条件下主超车与被超车的升力

图8为侧风条件下不同隔离带X/L＝-0.5时，Z＝1.4m截面上的压力云图和流线图。由图8(a)可见：无隔离带时，在侧风作用下，前方来流发生偏转；气流绕过车身时，在两车背风侧和尾部产生气流分离，形成漩涡；尾流向着侧风方向偏转。由图8(b)可见，当受到1#隔离带作用时，部分侧风穿过隔离带，对前方来流产生扰动，在车身周围产生许多回流，形成数量较多的小漩涡，此时两车迎风侧和背风侧压差减小，侧向力减小。而由图8(c)可见，采用2#隔离带时，侧风无法穿过隔离带，只能从隔离带顶部绕流到车辆周围。此时主超车前方来流受侧风影响较小，不再与车身呈一定角度，而是几乎与车头垂直。气流绕过车身后，也不再随着侧风发生偏转，而是在主超车尾部较大负压的作用下，逐渐向主超车正后方偏转，并在尾部形成漩涡。当气流流过车身时，车辆背风侧没有明显的漩涡生成。此时车身左右两侧压差进一步减小，使侧向力减小。

图8 侧风条件下X/L＝-0.5时Z＝1.4m截面压力云图和流线图

图9为侧风条件下不同隔离带X/L＝-0.5时主超车和被超车纵对称面上的压力云图和流线图。由图9(a)可见，无隔离带时，主超车前方来流遇到车头时，部分气流滞止，在车头前方形成较高的正压。流过驾驶室顶部的气流，绕流厢体前上缘时，产生气流分离，形成一个较大的气流分离区。流过这个区域的气流，在厢体顶部后方附着并向下游流动，在厢体后缘分离流入尾部。而由驾驶室头部分流到底部的气流，受到车辆底部凹凸不平和地面的影响，速度降低，压强升高；当这部分气流到达车厢尾部时，由于尾流压强较低，在压强差的作用下形成较强的上卷漩涡[14]。漩涡的脱落产生了较大的能量损失，形成了较大的气动阻力。由图9(c)可见，当受到1#隔离带影响时，主超车周围流场发生改变。由于部分侧风穿过隔离带流至主超车周围，对车辆前方来流产生扰动，气流在主超车前方产生回流，形成一个较大的漩涡，导致主超车前方压力降低。气流绕流厢体上方时，形成一个与图9(a)中类似的漩涡，之后流入尾部，并在车辆尾部附近形成漩涡。在车辆底部，由于气流受到穿过隔离带的侧风的扰动，速度升高，压强降低，因此车辆受到的升力减小。当气流从底部进入尾流时，由于压差减小，在尾部形成的上卷漩涡减弱，影响区域减小。由图9(c)还可发现，在上卷漩涡后方靠近地面处，气流还形成了明显的回流区。由于车辆前后压差减小，致使主超车受到的气动阻力大幅度减小。由图9(e)可见，当受到2#隔离带影响时，由于侧风无法穿过隔离带，所以车身周围的气流主要来自车辆前方和绕流隔离带上方的气流，此时侧风的影响减弱，主超车受到的各项气动力均减小。

对于被超车，由图9(b)可见，无隔离带时，前方来流在车头前方形成滞止气流，产生高压，但其压力明显低于主超车的压力。由于受到主超车的影响，被超车尾部的上卷漩涡消失，取而代之的是一个滞止点涡，且在滞止点涡后方形成另一个较大的漩涡。由图9(d)可见：当受到1#隔离带影响时，被超车前方气流产生回流，削弱了车前正压，并在一定区域内形成了负压；底部气流扰动较大，速度增加，压强减小，车辆受到的升力减小；尾流中没有明显的上卷漩涡，但同图9(b)类似，形成了滞止点涡和另一个涡心位置较高尺寸较大的漩涡。车辆前后压差减小，受到的气动阻力减小。由图9(f)可见，当受到2#隔离带影响时，被超车前方形成较高的正压，尾部形成明显的上卷漩涡，尾部负压增强，车辆的气动阻力比无隔离带时还大。车辆底部形成一些小的漩涡，但在贴近地面处，部分气流直接流过车辆底部，流速较快，压强较低，因此升力减小。

图9 侧风条件下X/L＝-0.5处主超车与被超车纵对称面压力云图和流线图

3 结论

(1)无侧风时隔离带对车辆气动力影响很小。隔离带对车辆气动阻力的影响不足1%，对侧向力和升力的影响略大一些，但对车辆安全稳定性的总体影响依然很小。

(2)在侧风条件下，隔离带使超车过程中车辆气动力发生明显改变。在两种隔离带作用下，主超车的阻力、侧向力和升力均大幅度降低，而被超车的阻力在稀疏隔离带作用下减小，在密集隔离带作用下增大，其侧向力和升力在两种隔离带作用下均减小。

(3)隔离带改善了侧风条件下车辆的气动性能。相对植被稀疏的隔离带，植被密集的隔离带使车辆的气动力变化较大，气动性能改善效果更明显。

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