轿车与卡车超车过程中瞬态气动特性分析

孙露，谷正气，杨易，杨滨徽，龚旭

(湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙，410082)

摘要：以某轿车和卡车为研究对象，采用动网格和滑移交界面技术，对两辆车超车过程中外部流场进行了数值模拟研究，得到两车的阻力和侧力的瞬态变化趋势。同时通过截取流场剖面上的压力场和速度场，分析并总结超车过程中汽车的瞬态气动特性。仿真结果表明：在超车过程中两车周围的流场相互变化影响，车身受到的气动力在极短的时间内发生剧烈变化；两车的气动力变化趋势不一样，而且二者的变化不同步；轿车的气动阻力呈先增大，当两车车头的距离(X)与轿车车身长(L)之比为0.75时达到最大值，而后减小，最后恢复常态值；轿车的气动侧力有呈类正弦曲线的变化，即当X/L= -2.5和X/L=0.75时达到正向和反向的最大值；卡车的气动力变化趋势更复杂，且达到峰值的时刻与轿车的不同。

关键词：汽车空气动力学；超车；气动力；动网格

中图分类号：U461.1         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)09-2681-06

Analysis of transient aerodynamic characteristics of overtaking and overtaken vehicles

SUN Lu, GU Zheng-qi, YANG Yi, YANG Bin-hui, GONG Xu

(State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,

Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: Employing the sliding interface and moving mesh technique，the 3-D transient external flow field around two vehicles overtaking each other was simulated. By analyzing the changing drag and side force and the pressure distribution and velocity vector on some sections, the transient aerodynamic characteristics of two vehicles overtaking each other were concluded. The results show that during the overtaking process, the drag and side force has a remarkable change in a short time. The forces of two vehicles do not have the same trend, and changes are not synchronized. The drag force of car increases firstly, and reaches its maximum when X/L=0.75 and then decreases, at last recovers to normal value. The tendency of changing side force of the car is similar to sinusoid, and reaches the maximum value of the forward and reverse when X/L=-2.5 and X/L=0.75. The variation tendency of force of the truck is more complicated, and the peak time points are different.

Key words: automotive aerodynamics; overtaking; aerodynamic force; moving mesh

车辆在行驶过程中经常会遇到超车这种复杂行驶情况。汽车超车时由于两车的流谱发生相互干涉，引起扰流的变化，在车身上产生瞬时气动力的压力分布，并且该压力分布在整个超车过程中迅速变化，这种变化将直接导致作用在汽车车身上的气动力发生改  变，导致汽车横摆、侧倾、侧滑状况发生变化，从而影响汽车行驶的瞬态稳定性，严重时会发生交通事 故。因此，分析车辆高速状态下超车的气动性能是必要的^[1-4]。目前，国内对车辆超车的空气动力学研究主要是针对简单模型对超车时的气动力进行分析研究。谷正气等^[5]基于SST湍流模型对轿车与轿车超车中的外流场进行分析，得出被超车的气动阻力系数呈先增大后减小的趋势，且在两轿车车头距离与轿车车身长之比为0.3时达到最大值，侧力系数先减小后增大且方向发生变化；郑昊等^[6]通过动网格对两简化直背式模型间的间距对气动力的影响进行了仿真分析，得出2种间距下的两车侧向力、侧倾力矩和横摆力矩的不同变化趋势；傅立敏等^[7]采用三维瞬态数值模拟，对Ahmed模型汽车超车过程中的车速对汽车的瞬态空气动力学特性的影响进行了分析，表明在超车过程中，相对车速对被超车的影响很大。国内对超车的研究多基于常用的汽车空气动力学模型，而且一般都是在相同的车体之间进行模拟研究。仿真中所用的轿车和卡车是基于实际车辆的模型，而且是在2个不同类型的车辆之间，这主要是因为车型相差大的车体之间气动力变化更为复杂。在此，本文作者采用六面体网格，运用滑移交界面和移动网格技术，应用STAR-CD软件对超车过程中的非定常流进行瞬态数值模拟和分析，并对比分析2辆车的气动特性。

1  数值模拟

1.1  基本控制方程组

在通常状态下，汽车在空旷的道路上行驶，其速度相对于声速较低，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，汽车超车时的外流场属于黏性、非定常、不可压缩流，具有典型的三维分离流动特性^[5]，故遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒控制方程。在三维直角坐标系中，这3个控制方程的守恒型通用形式如下：

       (1)

式中：u为速度矢量；t为时间；为通用变量，可以代表u，v，w和T等求解变量；为广义扩散系数；S为广义源项。对于特定的，和S具有特定的表达式^[8]。

1.2  模型的建立

本文研究的轿车模型为一阶梯背轿车模型，如图1所示，模型缩尺比例为1:10，车身长为512.5 mm，宽(带后视镜)为205 mm，高为147.5 mm。对模型进行了适当简化处理，如简化车身底盘，将轮胎简化为实心的圆柱形，但保留了后视镜、雨刮器凹槽等细部特征。模型较大限度地保留了实车的主要特征，能比较准确地反映所研究的内容。

图1  轿车几何模型

Fig.1  Car model

而所用卡车模型为一平头型集装箱货车，如图2所示，模型缩尺比例为1:10，车身长为1 276.5 mm，宽为233.6 mm，高为348.6 mm，对模型进行了简化处理。

图2  卡车几何模型

Fig.2  Truck model

1.3  计算域与网格划分

轿车与卡车的超车模型中，考虑到工况比较复杂，为了减少网格数量和节省计算时间，使用纯六面体网格。全域网格总数约350万，主超车为轿车，被超车为卡车。模型中轿车车头离卡车车头初始纵向距离约为5倍轿车长，横向间距取0.5倍轿车宽。初始时计算域如图3所示。

图4所示为超车移动示意图。由图4可知：轿车所在的移动网格区域以一定速度相对卡车移动，移动网格一侧的网格从计算域中移除，同时从另一侧的附加网格中添加相应数量的网格，从而整个计算域网格数和网格所占空间保持稳定。2个车域之间通过滑动交界面传递数据，从而构成整个流场^[9]，这样，2个汽车的相对位置就随时间而变化，从而模拟汽车在路面上行驶的瞬态的超车的过程。

图3  计算域示意图

Fig.3  Schematic diagram of calculation domain

图4  超车移动示意图

Fig.4  Schematic diagram of moving of overtaking models

超车模拟的轿车和卡车六面体网格如图5和图6所示。

图5  轿车周边六面体网格

Fig.5  Hexahedral mesh around car

图6  卡车周边六面体网格

Fig.6  Hexahedral mesh around truck

1.4  边界条件和计算参数的设置

考虑汽车的实际行驶速度，文中模拟了被超车车速为20 m/s、主超车车速为30 m/s的工况。计算域的入口设置为速度入口边界条件，出口设置为压力出口边界。计算域的地面、顶面和左右侧面均采用滑移壁面边界。

超车过程瞬态时间步长为0.000 5 s。计算中使用高雷诺数湍流模型，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^[10]。

2  计算结果及分析

2.1  主超车气动力分析

超车过程中主超车(轿车)的阻力和侧力的变化曲线如图7所示。图7中：X为两车车头的距离，以卡车的车头为零点，以卡车行驶方向为正方向；L为轿车车身长；侧力以Y轴正方向为正，Y轴负方向为负。

从图7可以看出：轿车在超车过程中，阻力先有小幅度的波动，而后增大，达到波峰值后，再逐渐减小，随后恢复到单车时的状态。

图7  轿车的阻力和侧力

Fig.7  Transient drag and side force of car

两车前方的空气受到车头的推动形成一个高压区，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。

当轿车车头与卡车车尾相遇时(X/L=-2.5)，阻力开始逐渐出现波动，并在两车相遇(X/L=0)后，即两车车头平齐时，轿车与卡车车头的高压区完全汇合，此时，轿车的阻力开始迅速增大。结果表明：当X/L=0.75时，即轿车开始驶出卡车的重影区时，阻力达到最大值，以后随着轿车逐渐驶离重影区(X/L＞0.75)，轿车受到的阻力又减小；当X/L＞1.5后，阻力恢复到单车时的状态。

轿车所受到的侧力在进入重影区(X/L=-2.5)和驶出重影区后(X/L=0.75)分别达到正向的最大值和反向的最大值，轿车所受到的侧力先增大后减小，达到零之后，呈反向增长，在达到反向的最大值之后又减小，随后恢复到稳定状态，变化趋势呈正弦曲线，但两峰值不相等^[11]。

分析其原因，当轿车开始接近卡车时，侧力开始缓慢增加。这是因为随着两车靠近，轿车内侧面受到卡车车尾附近负压区的影响，使得轿车内侧面的压力较外侧面的压力小，压力的不对称导致轿车受到向内的侧向气动力。在轿车与卡车的纵向距离不断减小的过程中，轿车受卡车尾流低压区的影响也逐渐变大，轿车向内的侧向力逐渐由小变大。图8所示为X/L=-2.3时的压力图，从图8可以看出：轿车受向内的侧向力；当轿车车头与卡车车尾相遇时，纵向距离为零(X/L=-2.5)，干扰侧作用面积达到最大，干扰最强，侧力增大到正向最大值。

图8  X/L=-2.3时两截面压力云图及压力分布

Fig.8  Pressure contour and distribution when X/L is -2.3

轿车车身开始进入与卡车车身重叠的区域，随着两车车身重叠区域的增大，轿车内侧面逐渐摆脱卡车尾流的影响，向内的侧力也逐渐减小，并且出现了   反向。

随着轿车驶出卡车的重叠区，这时轿车侧面受到卡车车前的高压区的影响，轿车受到的侧向力随着受影响侧面面积的扩大而增大。图9所示为当X/L=1时，轿车内侧的负压区要少于外侧的负压区，所以，轿车有指向外侧的气动力；当X/L=0.75时，轿车已经驶出卡车的重影区，向外的侧力达到最大值。

图9  X/L=1时两截面压力分布图

Fig.9  Pressure contour and distribution when X/L is 1

最后，轿车开始远离集装箱车，随轿车的继续行驶，轿车受到卡车车头正压区和尾流受卡车的影响逐渐变小，轿车的侧向力和阻力又逐渐恢复到自由状  态^[12-14]。图10所示为当X/L=3.9和Z=60 mm时水平截面上的压力图。由图10可见：此时两车左右两侧压力都成对称分布。

图10  X/L=3.9，Z=60 mm时水平截面上的压力图

Fig.10  Pressure contour of Z=60 mm horizontal plane when X/L is 3.9

Noger等^[15]在研究汽车超车气动特性时，得出超车过程中主超车的气动阻力会随超车的进行而逐渐波动变化，而气动侧力有类似于正弦函数的变化过程。经分析，发现仿真所得结论与文献[15]中的基本一致。

由仿真得出的数据可知：轿车的侧力在一阵波动之后，最后的侧力趋于水平，但是没有恢复到稳定状态下的0 N。究其原因，这主要是在设置计算域的初始边界条件时，设置了入口速度边界，同时被超车是设置为静止不动的。而从图9所示的压力图一样可以看出：轿车在超过卡车之后，轿车车身两侧的负压区呈不对称分布，轿车超车后，被超车卡车头部的正压区、侧面的负压区和尾流都还对轿车干扰侧产生影响，使得轿车的侧力不能完全恢复到0 N。

2.2  被超车气动力分析

超车过程中被超车卡车的阻力和侧力的变化曲线如图11所示。从图11可以发现：随着X/L的变化，卡车的气动阻力呈现先增大后减小最后趋于稳定值的变化趋势；当X/L=-2.3左右，卡车的阻力增大到最大值，而此时恰好是轿车的车头与卡车车尾相遇时。出现这个情况主要是因为当轿车逐渐接近卡车时，卡车前部的气流流速降低，卡车前部来流在卡车侧面受到轿车的阻挡，从而前部正压将增大；与此同时，卡车尾部的湍流区由于轿车的出现发生了变化，造成车尾的压力减小，因此，总的压差阻力增加。

图11  卡车的阻力和侧力

Fig.11  Transient drag and side force of truck

随着轿车驶入重影区，卡车的阻力开始下降，当X/L=-1时，回到常态值；当-1＜X/L＜0时，这时轿车完全淹没在卡车的重影区内，轿车对卡车前端的高压区和尾端的负压区影响很小，阻力基本保持不变。这之后，轿车开始驶出重影区，卡车阻力出现减小，并当X/L=0.5时，阻力达到最小，然后，随着超车过程的结束恢复到稳定值。

被超车卡车的气动力与轿车的相比，阻力的波动趋势不一样，而侧力变化趋势也不相同，其达到正峰值的时间基本相同，但最大负侧力的时间不一样，而且变化的速率要大些；当X/L=-1时，卡车的侧力达到负的最大值，并且持续了一段时间波幅很小，基本趋于不变。直到轿车开始驶出重影区(X/L=0)，侧力又增大，而后逐渐恢复到常态值。卡车的气动力相对轿车的都要稍大一些，这主要是因为卡车体积大，车身高。被超车的阻力和侧力在重影区(-1.5＜X/L＜0，此时，轿车完全淹没在卡车的阴影区内)存在一段小幅波动。这是由于卡车车身较长，卡车车身大致可分为2段：前一段为车头，后一段为车厢。卡车驾驶室与车厢之间有大约0.45 m的间隙，在这个缝隙中有很强的气流向两边溢出，对其周围的气流产生干扰。

3  结论

(1) 以某两种实际车辆模型为研究对象，在固定车速和间距的情况下，应用滑移交界面和动网格技术对该超车过程中的瞬态外流场进行了数值模拟。

(2) 在超车过程中两车周围的流场相互变化影响，车身受到的气动力在极短的时间内发生剧烈变化。主超车轿车的气动阻力在X/L=0.75时达到最大值，而气动侧力在车头刚驶近卡车的重影区(X/L=-2.5)和驶出卡车的重影区(X/L=0.75)时分别到达正向和反向的最大值。

(3) 被超车卡车与轿车相比，由于卡车底盘、车身高，卡车驾驶室与车厢之间有约0.45 m的间隙，阻力和侧力的变化更加复杂，变化的过程不一样，而且卡车的气动力达到峰值的时刻与轿车的不相同，因此，超车在车身差别较大时的气动性研究更应得到关注。

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(编辑 杨幼平)

收稿日期：2010-09-06；修回日期：2010-12-01

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50975083)；教育部长江学者与创新团队发展计划项目(531105050037)；湖南省科技攻关计划重点项目(2009JT1014)；湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主课题(60870001)

通信作者：谷正气(1963-)，男，湖南长沙人，教授，博士生导师，从事汽车空气动力学等研究；电话：0731-88823055；E-mail: guzhengqi63@126.com