会车瞬态气动特性分析与研究

摘 要:以某轿车实车为研究对象,应用滑移交界面和动网格技术对该轿车会车过程中的瞬态外流场进行了数值模拟,得到了会车过程中该轿车的阻力系数和侧力系数的瞬态变化趋势。并结合流场剖面上的压力场和速度场,分析了这种变化趋势的原因,总结了会车过程中汽车瞬态气动特性。研究结果表明:在会车过程中两车周围的流场相互影响,车身受到的气动力在极短的时间内发生剧烈变化。当轿车与轿车会车时,轿车的气动阻力系数、侧力系数分别呈负正弦、正弦变化,但二者的变化并不同步。当轿车与卡车会车时,轿车的阻力系数、侧力系数的变化趋势更复杂、更剧烈。

关键字:瞬态空气动力学特性,计算流体动力学,外流场,两车相会,移动网格,滑移交界面

中图分类号:U461.1文献标识码: A

Analysis for Transient Aerodynamic Characteristics of Two Automobiles Passing Each Other

Gu Zhengqi, Yang Binhui, Gong Xu, Sun Lu

(Hunan University State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Changsha 410082)

Abstract:With sliding interface and moving mesh technique provided by STAR-CD software, the 3-D transient external flow field around two vehicles passing each other was simulated. The tendency of changing drag and side coefficient was provided. By analyzing the pressure distribution and velocity vector on some sections, the reason for the tendency and transient aerodynamic characteristics were concluded. The data shows: in the case that two cars which have same volume and shape pass each other, the tendency of changing drag and side coefficient is similar to negative sinusoid and sinusoid separately. But in the case that car and container truck, which have huge differences from car in volume and shape, pass each other, the tendency is more complicated and intense.

Key words: Transient aerodynamics characteristics; Computational fluid dynamics; External flow field; Two Vehicles Passing Each Other; Moving mesh; Sliding interface.

车辆在行驶过程中经常会遇到会车这种复杂行驶工况。汽车会车时由于两车的气流相互干涉,引起扰流的变化,在车身上产生瞬时变化的气动压力,这种变化将直接导致作用在汽车车身上的气动力在极短的时间内发生剧烈变化,可能导致汽车出现横摆、侧倾、侧滑等情况,从而影响汽车行驶稳定性[1-4]。因此分析车辆高速状态下会车时的气动性能是必要的。

目前国内对汽车会车的空气动力学研究较少,多是对轨道车辆会车时的气动力研究。张英朝、傅立敏等对简单外型汽车隧道中会车过程的瞬态空气动力学特性进行了分析[5]。

由于会车工况下两车行驶方向相反,在目前的技术条件下,很难用风洞试验对其分析。因此本文采用STAR-CD软件中的滑移交界面(sliding interface)和移动网格(moving mesh)技术对轿车与轿车、轿车与卡车在会车过程中的非定常流分别进行了瞬态数值模拟和分析,并对比了两种会车情况下轿车的气动特性。

1 数值模拟

1.1 基本控制方程组

通常状态下,汽车在开阔空间行驶,且速度相对声速较低,空气介质物性参数应为常数,汽车周围流场可按不可压缩流处理。在复杂工况下,如超车、会车、尾随、过隧道,汽车周围的流场是瞬态变化的,这时的流动应按非定常流处理。因此汽车会车时的外流场属于粘性、非定常、不可压缩流,具有典型的三维分离流动特性。它遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒控制方程。三个控制方程的守恒型通用形式如下:

式中, 为速度矢量,t是时间,φ为通用变量,可以代表u、v、w、T等求解变量;Γ为广义扩散系数;S为广义源项。对于特定的φ来说,Γ和S具有特定的表达式[6]。

计算中使用高雷诺数κ-ε湍流模型。对流项采用多维二阶MARS差分格式。速度和压力耦合采用对瞬态问题更有优势的隐式算子分割算法PISO[7]。

1.2 模型的建立

本文主要的研究对象为一阶梯背轿车实车模型,如图1所示,模型缩尺比例为1:10,车身长512.5mm,宽(带后视镜)205mm,高147.5mm,对模型底盘做了平整化处理,但保留了后视镜、雨刮器凹槽、进气格栅、牌照凹槽等细部特征。该模型较大限度的保留了实车的主要特征,能比较准确的反映所研究的内容。

图1 轿车几何模型

Fig.1 Car model

本文所用卡车模型为一平头型集装箱货车,如图2,模型缩尺比例为1:10,车身长1276.5mm,宽233.6mm,高348.6mm,对模型做了适当的简化处理。

图2 卡车几何模型

Fig.2 Truck model

1.3 计算域与网格划分

两会车模型计算域内全部为六面体网格,轿车与轿车的会车模型中,全域网格总数约393万,两车采用同一几何模型,均以25m/s的速度相向而行,向X负方向行驶的为A车,向X正方向行驶的为B车。轿车与卡车的会车模型中,全域网格总数约354万,两车均以25m/s的速度相向而行,向X负方向行驶的为轿车,向X正方向行驶的为卡车。两会车模型中两车车头初始纵向距离为6倍轿车长,横向间距根据取0.5倍轿车宽。初始时计算域如图3所示。

图3 计算域示意图

Fig.3 Calculation domain

图4为轿车周边网格拓扑,左下为雨刮器凹槽处附面层局部放大图,右下为后视镜处局部附面层放大图。

图4 轿车周边网格拓扑以及局部附面层

Fig.4 Mesh around car

图5为卡车周边网格拓扑,左下为车顶局部附面层放大图,右下为轮胎处局部网格放大图。

图5 卡车周边网格拓扑以及局部附面层

Fig.5 Mesh around truck

1.4计算资源以及计算参数

会车过程瞬态时间步长为0.0001s。轿车与轿车会车模型, 使用IBM SYSTEM X3650服务器,计算耗时93小时;轿车与卡车会车模型, 使用IBM Xseries 226服务器,计算耗时149小时。

2计算结果及分析

2.1 轿车与轿车会车分析

会车过程中A车的阻力系数和侧力系数的变化曲线如图6所示。S为两车车头的距离,以向X正方向行驶汽车的车头为零点,以X轴的正方向为负方向,L为轿车车长。侧力以Y轴正方向为正,Y轴负方向为负。

图6 A车的阻力系数和侧力系数值

Fig.6 Transient drag and side force of car A

从图中可以看出A车在会车过程中阻力系数先减小后增大,随后恢复到单车时的状态,变化趋势呈负正弦曲线。

两车前方的空气受到车头的推动作用形成一个高压区,并且距车头越近作用越强。当两车相距很远时,两车外流相互影响较小,阻力变化很小。

当两车车头相距2倍轿车车身时(S/L=-2),阻力开始逐渐出现波动,并在两车相遇(S/L=0)后,迅速减小,这是因为A车前方空气的流动受到B车迎面来流的的影响,使得A车的压差阻力减小。数据表明在S/L=0.75时,即两车车身重叠3/4时,阻力变为最小值。随后阻力不断增大,当S/L=1.5时,阻力达到最大值。当S/L>3之后,阻力恢复到单车时的状态。

轿车所受到的侧力系数先增大后减小,随后恢复到单车时的状态,变化趋势呈正弦曲线,但两峰值不相等,这与两峰值各自形成的原因是相关联的。当两车相距2倍车长时,侧力开始缓慢增加,这是因为随着两车靠近,两车相邻的侧面受到对面车辆车头附近正压区的影响,使得两车相邻侧面的压力较外侧面的压力大,如图7所示,所以这时A车受正向的侧向力。数据表明当两车车身部分重叠(S/L=0.24)时,侧力增大到正向最大值。

a)Z=78mm处压力云图

b) A车中部横断面压力分布图

图7 S/L=0.234时,A车两断面压力等高线和压力分布

Fig.7 S/L=0.234,Pressure contour and distribution of two sections of car A

随着两车重叠区进一步增大,侧力迅速减小,并逐渐反向。这是因为随着重叠区的增大,迎面车辆车头正压区对A车侧面的影响逐渐减小并消失,同时由于两车对周围气流的带动,在两车之间的狭长区域内形成漩涡,图8(a)红圈内所示为S/L=1.122时两车之间形成的两个反向的漩涡,漩涡内的湍流粘性较两车外侧大,如图8(b)所示。

(a)两车之间速度矢量

(b) 湍流粘性

图8 S/L=1.122,时两车z=60水平截面上的速度矢量和湍流粘性

Fig.8 Velocity vector and turbulent viscosity of z=60 horizontal plane

两车之间气流的压强势能在湍流旋涡的作用下被耗散,使得两车相邻侧面的压力较外侧面的压力更小,如图9所示,所以A车受到指向Y轴负向的侧向气动力。数据表明该侧向力在S/L=1.122时走向反向的最大值。

a)Z=78mm处压力云图

b) A车中部横断面压力分布图

图9 S/L=1.122时,A车中部横断面压力分布

Fig.9 Pressure distribution of middle section of car A

随着两车逐渐驶出重叠区,A车所受侧力迅速减小。两车的侧力又恢复到单车时的状态。

Patrick Gillieron于2004年在研究汽车超车时的气动特性时,提出汽车会车过程中气动力可能有类似正弦函数的变化趋势[8],这与我们得出的结论是一致的。

2.2轿车与卡车会车分析

会车过程中轿车的阻力系数和侧力系数的变化曲线如图10所示。

图10 轿车的阻力系数和侧力系数值

Fig.10 Transient drag and side force of car

从图中可以看出轿车会车过程中所受到的阻力系数总体趋势是先减小后增大,随后恢复到单车的状态,而侧力系数总体上是先增大后减小,随后恢复到单车时的状态,这与轿车与轿车会车时的总体趋势基本一致。但是,轿车与卡车会车与轿车与轿车会车相比,阻力系数、侧力系数峰值更大,阻力系数、侧力系数的最小值也更小,最大侧力系数竟达到后者的2倍。这是因为集装箱体积大,车身高,对轿车气动力影响更剧烈。在轿车与卡车会车过程中,阻力系数、侧力系数在重影区内(1

图11 集装箱车驾驶室与车箱间隙处的速度矢量图

Fig.11 Velocity vector at the plane between cab and container

3. 结论

1)本文以某轿车实车为主要研究对象,应用滑移交界面和动网格技术对该轿车会车过程中的瞬态外流场进行了数值模拟。

2)在会车过程中两车周围的流场相互影响,车身受到的气动力在极短的时间内发生剧烈变化。当轿车与轿车会车时,由于两车长度、大小相近时,两车受到的气动阻力系数、侧力系数分别呈负正弦、正弦变化,但二者的变化并不同步。当轿车与卡车会车时,由于两车车身差别较大时,卡车底盘、车身高,卡车驾驶室与车箱之间有一约0.45m的间隙,轿车阻力系数、侧力系数的变化趋势更为复杂,卡车对其气动力影响更剧烈。

3)轿车与卡车会车与轿车与轿车会车相比,阻力系数、侧力系数峰值更大,阻力系数、侧力系数的最小值也更小。轿车在与大型车辆会车时,对轿车所受气动力影响更为剧烈,轿车行驶的安全性更应该得到关注。

参考文献:

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Zhang Yingchao, Fu Limin. Transient aerodynamic numerical simulation of simplified shape cars under condition of opposite meet side-by-side in tunnel [J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2006, 36 (3):302-306 (in Chinese).

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