不同边界层对会车流场变化特性的影响

2023-06-25唐洪涛陈红林周能辉

天津科技大学学报 2023年3期

唐洪涛，陈红林，周能辉

(1.天津科技大学机械工程学院，天津 300222；2.天津易鼎丰动力科技有限公司，天津 300385)

汽车在道路行驶过程中经常遇到会车的情况，特别是在低等级的双向公路上，会车过程经常发生.在会车过程中，两辆车之间会相互干扰，使气动力发生变化[1].汽车空气动力学特性与汽车性能有着密切相关性，对汽车安全行驶有极其重要的影响.降低汽车对侧风的敏感性，如何提高行驶的稳定性是现今汽车设计与开发的重要内容之一.此外，汽车轻量化的趋势在降低汽车油耗的同时也增大了汽车的侧风敏感性[2].普遍存在的自然风与汽车复杂行驶工况的叠加耦合会严重影响汽车外流场的变化，导致车辆气动力的变化更加复杂.

国外有学者对汽车超车过程的空气动力特性(简称气动特性)进行研究[3]，并提出超车过程汽车气动系数有类似正弦曲线的变化趋势.同时，提出会车过程也可能有与超车过程类似的气动力变化趋势，但并没有进行研究.Corin等[4]对超车过程进行稳态和瞬态数值模拟，研究结果表明瞬态流动特征对模拟结果影响很大，稳态模拟方法不能准确获取瞬态超车过程车辆气动特性的变化规律.Uystepruyst等[5]对超车过程中车辆的瞬态气动特性进行了大量数值模拟，并将模拟结果与现有实验数据进行对比，发现相对速度和横向间距的增加会使气动力系数显著减小，两车之间的相互干扰也会减弱.徐国英等[6]对会车过程进行了数值模拟，结果表明侧向力和横摆力矩的变化趋势基本一致，且侧向力和横摆力矩的变化对汽车安全行驶影响很大.王靖宇等[7]在研究会车过程中瞬态气动力变化对车辆操纵稳定性的影响时发现，瞬态气动力的变化会导致车辆产生侧向滑移角和横摆角速度，进而对车辆的操纵稳定性产生一定的影响.范鹏飞[8]对不同工况和外界环境下厢式货车和客车的会车过程进行了研究，发现会车速度、侧风速度和侧风角度的增加都会加剧两车外流场的相互干扰作用，进而影响车辆行驶的稳定性.唐洪涛等[9-10]对超车过程中多车辆的气动特性进行研究，结果表明：相对车速、两车间距和车型尺寸的变化会使车身所受侧向力呈现不稳定变化，影响车辆行驶的稳定性和安全性.

以往的研究主要集中在单一因素对会车过程的影响，汽车在实际行驶过程中难免会受到周围环境的影响.空气的流动受到边界层的影响，呈不均匀分布.车辆在高速行驶时，气流速度的变化也会使车辆的气动特性发生明显改变.在上述研究的基础上，本文对不同气流速度下会车过程的流场变化进行统计学分析，选取会车过程的不同位置作为研究对象，结合压力云图、速度矢量图和气动力变化曲线，重点分析会车过程中气动力变化和流场变化，从中得出相应结论，为驾驶员在会车时如何进行适当操作提供参考.

1 基本控制方程

本文选用汽车的最大行驶速度约为30m/s，马赫数约为0.088，小于0.4，可认为该风速范围内的流体为不可压缩流体[11]，所以流体密度(ρ)为常数，适用的连续性方程为

式中：u、v、w分别为速度在x、y、z方向上的分量.

动量守恒方程

式中：ui、uj为速度分量，xi、xj为坐标轴分量，p为流体微元体上的压力，μ为湍流黏性系数.

利用气动力系数描述汽车的气动力特性.式(3)为阻力系数计算公式[1].

式中：CD为阻力系数，D为车身纵向气动阻力(x轴方向)，v∞为气流相对速度，A为车身正投影面积.

2 数值模拟

2.1 模型选取和计算域设定

模型选用某款汽车，该车外形基本尺寸为：长4710mm，宽1825mm，高1665mm.考虑到所研究问题的性质，对原车模型表面进行简化，忽略车身表面突起物，如后视镜、门把手等.车身长用L表示，宽用W表示，高用H表示.两车初始位置相距20L，计算域尺寸设计为：长30L，宽20W，高5H.计算域如图1所示.

图1 计算域Fig.1 Computational area of the model

2.2 网格划分

网格模型如图2所示.模型采用四面体非结构性网格，车身网格尺寸最大设为0.1m，计算域网格尺寸最大设为0.5m.车身附近区域的网格较为密集，远离车身区域的网格较为稀疏.

图2 网格模型Fig.2 Mesh model

2.3 边界条件和初始条件设定

计算域左侧为速度入口，右侧为压力出口，车身为壁面.计算采用Relizable k-epsilon湍流模型，压力为标准大气压.动网格参数选用网格光顺(Smoothing)和网格重划分(Remeshing)，弹性因子(Spring Constant Factor)设为0.05.

速度入口的气流速度变化通过用户自定义函数(UDF)程序实现.考虑到入口气流受到两侧边界的影响，靠近边界的气流速度小，中心位置速度大，其截面速度变化曲线近似为抛物线.本文以此规律变化的气流为研究对象，其数学模型表达式为

式中：v(x)为入口气流速度；k为入口气流速度比例系数；b为最小入口气流速度，本文取值为0.1m/s；x为入口截面不同位置坐标；r为速度入口截面长度.

在计算域范围内，入口气流方向垂直于计算域左侧速度入口截面.

2.4 会车方案设计

两车处于车道中央会车时，两车间的横向间距约为1.5～2.0m，两车起始位置相距20L.

方案设计两车以相同速度相向行驶，会车时入口气流速度变化规律如式(4)所示，模拟时k取值为0、6、10、13；当k为0时，入口气流速度为恒定值0.1m/s.会车方案见表1.

表1 会车方案Tab.1 Scheme of crossing vehicles

3 模拟结果分析

在会车过程中，两车头之间的纵向距离记为X，车身长为L，用X/L表示两车的相对位置.分析会车过程中两车外流场和气动力随两车相对位置X/L的变化.侧向力方向沿y轴正方向为正向，反之为负向.为便于后文的分析，以两车相互靠近的一侧为车身内侧，另一侧为外侧.

3.1 压力分布

以方案2为例，k取值为10，两车在不同位置的压力云图如图3所示.

图3 不同位置的压力云图Fig.3 Pressure contours of different positions

图4和图5分别是会车过程阻力、侧向力变化图.结合图3、图4和图5可知：在会车过程中，车身外侧压强比内侧压强小；逆风车辆CarB车头压强明显高于顺风车辆CarA，车身受气流的影响更明显，加之两车之间负压区的影响，车辆行驶的稳定性降低.

图4 会车过程阻力变化图Fig.4 Drag force variation diagram during the crossing

图5 会车过程侧向力变化图Fig.5 Side force variation diagram during the crossing

两车开始相会前〔图3(a)〕，车头部正压区开始交汇，互相产生干扰.顺风车CarA车身内侧压强明显高于外侧，CarA车头有远离CarB的趋势(垂直于车辆行驶方向).逆风车CarB车头处高压区面积明显比CarA大，受入口气流的阻碍作用明显，车身所受阻力大；车身两侧均为负压区，压差较小，但压强分布明显不对称.

两车车头恰好齐平时〔图3(b)〕，受CarB车头正压区和侧面负压区的影响，CarA车头正压区和侧面负压区面积明显减小，此时CarA负向侧向力达到最大，加剧CarA车头远离CarB的趋势(垂直于车辆行驶方向)，两车相互排斥.CarB车头前方气流受CarA背风侧负压区的影响，气流压强降低，使得CarB车头与车尾的压强差减小，车身受到的阻力[12]减小.

随着两车重叠面积的增加〔图3(c)〕，两车内侧气流的相互干扰增强，压强迅速降低.CarA左侧正压区变为负压区，与右侧的负压区压差减小，车身受到的负向侧向力减小，远离CarB的趋势减弱，相互排斥作用减弱.

当两车处于并列状态时〔图3(d)〕，两车内侧区域面积减小，气流速度急速增大，车内侧区域形成较大面积的负压区，且外侧压强均高于内侧，侧向力方向发生改变，两车有相互吸引的趋势.

在车身刚好错开时〔图3(e)〕，两车逐渐进入对方的尾流区，两车之间压强迅速增大但仍处于负压区域，与外侧的压强差减小，车身受到的侧向力迅速减小，相互吸引作用减小.受到对方尾流的影响，车身两侧压力分布不均衡，车辆行驶的稳定性受到影响.

两车纵向距离增大时〔图3(f)〕，尾流的相互影响减弱，车身两侧压强差减小，车身受到的侧向力减小，逐渐趋于会车前的状态.

3.2 速度矢量分布

汽车在运动的过程中带动周围气流运动，流场发生改变分布不均衡，使车身受力变化.不同位置的速度矢量图如图6所示.

图6 不同位置的速度矢量图Fig.6 Velocity vectors of different positions

在会车前〔图6(a)〕，两车流场相互独立，车身两侧速度矢量分布均衡，车辆行驶稳定.CarA两侧近壁面回流与入口气流发生冲击，速度降低；CarB两侧近壁面回流与入口气流相互融合，速度增加，因此CarA两侧气流速度比CarB的低，低速气流对车身的影响作用小，且此时CarB尾部出现一对尾涡.

两车恰好相遇时〔图6(b)〕，CarB车头前部气流与入口气流、CarA内侧气流发生相互冲击作用，速度矢量分布紊乱，速度降低，矢量分布密度增大.CarB车头右侧出现局部高速矢量，与左侧速度矢量分布不一致，车头有远离CarA的趋势，车辆行驶的稳定性降低.CarA车身右侧气流速度高于左侧，车身两侧速度分布不平衡，给车辆行驶的稳定性带来不利影响.

如图6(c)所示，CarA与CarB车身处于重叠状态时，两车内侧气流相互干扰，CarA内侧前车身气流速度明显增大，后车身仍是低速矢量区；CarB车头处气流与入口气流的冲击影响范围减小.CarA两侧速度矢量差异减小，车身受到的侧向力减小；同时，CarB车头右侧高速矢量区域面积减小，车头远离CarA的趋势减弱.

两车处于并列行驶状态时〔图6(d)〕，两车内侧区域面积减小，气流矢量密度增加，速度增大，且比外侧气流速度大，两车有相互吸引的趋势.车身两侧速度分布不平衡，车身所受侧向力增大，车辆行驶的稳定性降低.车前方部分气流汇入对方的尾流中，尾流速度矢量分布变紊乱，速度加快.CarB尾涡的尺寸变大，速度矢量密度降低，且尾涡发生侧摆，消耗周围流场能量，车辆行驶的稳定性受影响.

两车车身相互错开时〔图6(e)〕，相互影响作用减弱，CarA内侧车身前部区域气流速度明显减小，车身后部仍处于高速矢量区；车身后部区域气流速度与外侧气流速度差异较大，车尾有向内侧滑移的趋势.该时刻CarB外侧车尾处出现局部高速矢量，车身两侧速度矢量分布不平衡，车辆行驶的稳定性受到影响，且两车仍有一半车身处于重叠状态，应注意调整两车横向间距，以确保安全会车.

两车刚好完全错开时〔图6(f)〕，车身内侧交汇气流开始分离，但尾流仍受到对方内侧气流的干扰，向外侧偏移.车身两侧速度矢量分布变得均匀，速度梯度明显降低，使得车身所受侧向力逐渐减小，两车相互吸引作用减弱.CarB尾涡向车后方运动，速度降低，尾涡的偏移程度增加，尾涡的变化消耗流场中的能量，车辆行驶的稳定性降低.

对比图6(a)和图6(g)可知，会车前和会车后流场分布明显不同：会车后，两车受到的侧向力逐渐减小，车辆之间的相互影响也逐渐减弱，气动特性逐渐趋于会车前的状态.但会车后汽车尾涡的作用会持续很长一段距离，CarB尾涡发生脱落，逐渐向后方运动，且尾涡尺寸变大，车辆行驶的稳定性会受到影响，此时也应注意行车安全.

3.3 侧向力分析

在会车过程中，由于两车的相互干扰，汽车所受侧向力随两车相对位置的变化而变化.当侧向力很大且变化幅度较大时，车辆的行驶方向会发生偏移，严重时可能会引发交通事故.

3.3.1 不同k值时侧向力分析

计算域入口气流速度v(x)的大小取决于k的取值.在两车速度均为25m/s的情况下，不同k值时会车过程两车侧向力变化曲线如图7所示.

图7 不同k值时侧向力变化曲线Fig.7 Curve of side force with different k values

由图7知：由于受到入口气流的影响，当两车相距较远时，车辆受到的侧向力也不为零；侧向力变化曲线类似正弦曲线，k取值越大，侧向力变化的幅度越大.

在X/L＝0至X/L＝1.0的过程中，侧向力方向发生转变，且CarA侧向力的变化幅度比CarB大.两车相遇时(X/L＝0)，侧向力达到第一个峰值；该位置两车前部气流相互冲击，侧向力方向均指向车身外侧，两车相互排斥.随着车身重叠面积的增加，相互干扰作用增大，侧向力逐渐减小.当两车处于并列状态时(X/L＝1.0)，侧向力达到最大值，方向指向车身内侧，两车相互吸引；侧向力急剧增大，车身受力不平衡，发生横摆，且此时两车横向间距较小，易发生碰撞.在X/L＝2.0以后，侧向力逐渐减小且趋于平稳，两车的相互干扰减弱，逐渐趋于会车前的状态.

由图7比较分析可知：与k＝6时相比，当k＝10时，CarA的最大侧向力增大9.86%，CarB的增大6.65%；当k＝13时，CarA的最大侧向力增大20.3%，CarB的增大8.95%.以上数据表明入口气流速度变化对顺风车辆的影响大于逆风车辆，车身波动现象更为明显，对平稳驾驶有不利影响.

3.3.2 不同车速时侧向力分析

在k取值为10时，不同车速时两车侧向力变化曲线如图8所示.由图8可知：车速变化时，CarA和CarB所受侧向力的变化规律与不同k值时的相似.随着车速的增大，侧向力变化幅度增大，侧向力极值增大；相对于20m/s时极值点的横坐标，速度增大后极值点均提前出现.与车速为20m/s相比，在车速为25m/s时，CarA的最大侧向力增大22.4%，CarB的增大64.4%；在车速为30m/s时，CarA的最大侧向力增大41.1%，CarB的增大114.1%.

图8 不同车速时侧向力变化曲线Fig.8 Curve of side force at different speeds

当车速为20m/s时，逆风车辆CarB负向侧向力最大值为784.99N，车速为25m/s时负向侧向力最大值为1290.76N，车速为30m/s时负向侧向力最大值为1681.29N，分别增大约0.64倍和1.14倍.以上数据表明会车时车速的变化对逆风车辆的影响大，高速会车过程中，车身波动更加剧烈，行驶的稳定性大幅降低，且两车间距较小时易发生碰撞，对公共交通安全造成一定影响，因此驾驶员在行驶过程中应注意控制车速，以确保安全会车.

3.4 阻力系数分析

在相同会车速度下(25m/s)、不同k值时，逆风车辆CarB阻力系数变化曲线如图9所示.由图9可知：随着k值的增大，入口气流速度增大，车辆的阻力系数增大，但其变化趋势相同，都呈现先下降后上升最后趋于稳定的趋势.在会车过程中(从X/L＝0到X/L＝1.0)，车身重叠面积逐渐增大，气流相互干扰作用增强，曲线波动幅度增大；在X/L＝0.5处，CD取得最小值.在整个会车过程中，逆风车辆CarB阻力系数最大值出现的位置发生变化，k值越大，该位置出现得越早.当k＝6时，在X/L＝1.5附近，CD达到最大值，而当k＝13时，该位置提前到X/L＝1.0处.这说明入口气流速度的变化直接影响了会车过程中两车周围流场的变化，从而使车辆受力发生了明显变化，而且入口气流速度越大，这种影响越明显.会车完成后，两车相互干扰减小，阻力系数迅速减小逐渐趋于稳定，但仍受到对方尾流的影响，阻力系数比会车前的值略小.