隔離帶對側(cè)風(fēng)條件下超車過程車輛氣動(dòng)力的影響?

劉立寧，石 碩，郗學(xué)峰，范鵬飛，杜廣生，雷 麗

(1.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，濟(jì)南 250061； 2.煙臺南山學(xué)院，煙臺 265713； 3.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，濟(jì)南 250101)

前言

隨著汽車保有量的增加，道路上行駛的車輛越來越多，超車行為越來越頻繁。在超車過程中如果受到側(cè)風(fēng)和周邊環(huán)境的影響，車輛周圍的流場會(huì)發(fā)生明顯改變，引起車輛所受氣動(dòng)力的變化，影響車輛的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為研究側(cè)風(fēng)對車輛氣動(dòng)性能的影響，國內(nèi)外學(xué)者通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對單車模型進(jìn)行了研究[1-4]。結(jié)果表明，側(cè)風(fēng)強(qiáng)度、方向和瞬態(tài)波長等變化，均會(huì)引起車輛氣動(dòng)特性的改變。此外，道路形態(tài)、路堤、橋梁和山坡等對車輛氣動(dòng)性能也有較大影響[5-7]。而在側(cè)風(fēng)條件下進(jìn)行超車時(shí)，車輛的氣動(dòng)特性變化更為復(fù)雜[8-9]。當(dāng)車輛在高速公路上行駛時(shí)，道路中央通常設(shè)有隔離帶將對向車道進(jìn)行隔離。在側(cè)風(fēng)條件下，隔離帶會(huì)對超車過程產(chǎn)生較大影響。本文中以兩輛相同的廂式貨車為研究對象，討論在超車過程中隔離帶對車輛氣動(dòng)力的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

本文中采用某廂式貨車1∶1模型作為研究對象，車身長L＝8116mm，寬W＝2400mm，高H＝3520mm。模擬過程中對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，忽略后視鏡、門把手和車身底部微小部件的影響，并對輪胎底部進(jìn)行切面處理，使車輪與地面接觸面為一平面。計(jì)算用模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算用貨車模型

1.2 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

計(jì)算域外邊界為長方體，如圖2所示。計(jì)算域總長 16.5L，總寬 17W，總高 5H，兩車橫向間距0.5W。用Van1代表主超車，Van2代表被超車。隔離帶與計(jì)算域同長，寬2m，高1.5m。側(cè)風(fēng)垂直于左側(cè)入口(入口2)吹向車輛，側(cè)風(fēng)入口2邊界距離隔離帶左側(cè)邊緣3W，側(cè)風(fēng)出口(出口2)距離被超車車身右側(cè)10W。坐標(biāo)系設(shè)定為車輛運(yùn)動(dòng)方向的反方向?yàn)閤軸正向，由主超車指向被超車方向?yàn)閥軸正向，垂直于地面向上為z軸正向。

圖2 計(jì)算域示意圖

劃分網(wǎng)格時(shí)，將計(jì)算域分為7個(gè)子區(qū)域，分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。貨車所在區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，其它區(qū)域采用六面體網(wǎng)格。總的網(wǎng)格數(shù)量約為4.04×106。 其中，區(qū)域1，2，3，4 為靜止網(wǎng)格區(qū)；區(qū)域5，6，7為動(dòng)網(wǎng)格區(qū)。在模擬過程中，靜止網(wǎng)格區(qū)網(wǎng)格保持不變，而動(dòng)網(wǎng)格區(qū)網(wǎng)格采用動(dòng)態(tài)分層法進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)。動(dòng)靜網(wǎng)格區(qū)之間通過滑移交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。在Fluent軟件中，通過用戶自定義函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)。

1.3 模擬方案及邊界條件

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖(Z＝1.4m截面)

道路中央隔離帶通常被設(shè)計(jì)為綠化帶，并被修剪成長方體形狀。由于綠化帶植被間充滿孔隙，因此將隔離帶區(qū)域設(shè)定為多孔介質(zhì)，孔隙率為96%，沿y方向壓力損失系數(shù)為1.25m-1[10]。為便于討論，將這種稀疏的隔離帶稱為1#隔離帶。當(dāng)隔離帶植被足夠密集時(shí)，側(cè)風(fēng)將無法穿過隔離帶，只能從隔離帶頂部繞流，此時(shí)車輛受到的氣動(dòng)力會(huì)發(fā)生明顯改變，將這種極限情況下的密集隔離帶稱為2#隔離帶。本文中擬對這兩種隔離帶作用下的超車過程進(jìn)行研究，并與無隔離帶時(shí)的超車過程[11]進(jìn)行比較。

超車過程中設(shè)定主超車速度為30m/s，被超車速度為20m/s，二者均沿x軸負(fù)向行駛。為了節(jié)省計(jì)算資源，模擬時(shí)假定Van2不動(dòng)，設(shè)定來流速度為20m/s，方向沿x軸正向，主超車以10m/s的相對速度沿x軸反方向運(yùn)行。側(cè)風(fēng)垂直于車輛行駛方向，由車輛左側(cè)吹向右側(cè)。側(cè)風(fēng)速度設(shè)定為11.55m/s(相當(dāng)于蒲福風(fēng)級中的6級風(fēng))。為方便討論，以無量綱量X/L表示超車過程中不同時(shí)刻兩車之間的縱向相對位置，其中X為被超車前緣x坐標(biāo)與主超車前緣x坐標(biāo)值之差。

邊界條件設(shè)置如表1所示。此外，動(dòng)、靜網(wǎng)格區(qū)分界面采用滑移交界面，動(dòng)網(wǎng)格區(qū)內(nèi)部界面設(shè)置為內(nèi)部面。

表1 邊界條件設(shè)置

1.4 控制方程和計(jì)算參數(shù)設(shè)置

超車過程的外流場屬于三維、黏性、非穩(wěn)態(tài)的不可壓縮流，遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒控制方程，在三維直角坐標(biāo)系中這些控制方程的守恒型通用形式為

式中：ρ為密度；u為速度；t為時(shí)間；φ為通用變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。公式等號兩邊的各項(xiàng)依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)，對于特定的方程，φ，Γ和S具有特定的形式[12]。

計(jì)算中采用RNGk-ε湍流模型，對流項(xiàng)采用2階迎風(fēng)格式，速度和壓力耦合采用PISO算法[13]。超車過程瞬態(tài)時(shí)間步長設(shè)定為0.005s，每種工況分別計(jì)算1 050個(gè)時(shí)間步，即兩車間的距離從X/L＝-4.5計(jì)算到X/L＝2。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 氣動(dòng)力分析

2.1.1 無側(cè)風(fēng)時(shí)隔離帶對車輛氣動(dòng)力的影響

圖4 無側(cè)風(fēng)時(shí)主超車與被超車受到的氣動(dòng)力

圖4表示無側(cè)風(fēng)影響時(shí)，超車過程中主超車和被超車氣動(dòng)力變化情況。圖例中，F(xiàn)D表示氣動(dòng)阻力，F(xiàn)S表示側(cè)向力，F(xiàn)L表示升力。

由圖4可見，無側(cè)風(fēng)時(shí)隔離帶對車輛氣動(dòng)力影響非常小。與無隔離帶的超車過程[11]相比，兩車的氣動(dòng)阻力平均變化量小于1%；側(cè)向力和升力變化略大一些，但對車輛的安全穩(wěn)定性影響依然很小。

2.1.2 側(cè)風(fēng)條件下隔離帶對車輛氣動(dòng)力的影響

圖5給出了側(cè)風(fēng)條件下隔離帶對主超車和被超車氣動(dòng)阻力的影響。由圖5(a)可見，在側(cè)風(fēng)條件下隔離帶使主超車氣動(dòng)阻力下降，1#隔離帶使氣動(dòng)阻力平均降低28.3%，2#隔離帶使之平均降低30.5%。由圖5(b)可見，兩種隔離帶使被超車氣動(dòng)阻力發(fā)生了不同的變化，1#隔離帶使被超車氣動(dòng)阻力減小，X/L＝-0.75處減小幅度最大，此時(shí) ΔFD＝1393.6N；2#隔離帶在超車前后(X/L＜-1和X/L＞1)使被超車氣動(dòng)阻力減小，但在超車過程中(-1＜X/L＜1)使被超車氣動(dòng)阻力增大，在X/L＝-0.5時(shí)ΔFD＝974.3N。

圖5 側(cè)風(fēng)條件下主超車與被超車的氣動(dòng)阻力

圖6為側(cè)風(fēng)條件下不同隔離帶對主超車和被超車側(cè)向力的影響趨勢。由圖可見，隔離帶使車輛的側(cè)向力大幅度減小，且植被密集的隔離帶使車輛側(cè)向力減小的幅度更大。由于主超車位置靠近隔離帶，所以隔離帶對主超車側(cè)向力的影響更加明顯。特別是在2#隔離帶作用下，主超車側(cè)向力平均降幅達(dá)68.8%，最大降幅達(dá)82.8%，極大地提高了車輛的安全穩(wěn)定性。對于被超車，當(dāng)X/L＜-0.75時(shí)，2#隔離帶比1#隔離帶對其側(cè)向力的影響更大；但當(dāng)X/L＞-0.75以后，兩種隔離帶使FS下降的幅度差別不大；而當(dāng)X/L＞0.5后，隔離帶對被超車側(cè)向力的影響很小。

圖6 側(cè)風(fēng)條件下主超車與被超車的側(cè)向力

圖7示出側(cè)風(fēng)條件下隔離帶對主超車和被超車升力的影響。由圖可見，隔離帶有效地降低了兩車的升力，且植被密集的隔離帶對升力的降低效果更明顯。1#隔離帶使主超車升力平均降低了44.4%，而2#隔離帶使主超車升力平均降低了71.8%。對于被超車而言，其升力降低幅度也很大，尤其在X/L＝-0.5處升力降低幅度最大，1#隔離帶使FL減小了3 158.8N，2#隔離帶使FL減小了3 884.3N；但X/L＞0.5以后，隔離帶的影響不大。由圖7(b)還可看出，幾乎在整個(gè)超車過程中，2#隔離帶已使被超車的升力由正值變?yōu)樨?fù)值，這使車輛的操縱穩(wěn)定性得到顯著提高。

2.2 流場分析

由上述分析可知，在側(cè)風(fēng)條件下隔離帶對超車過程車輛氣動(dòng)力產(chǎn)生了較大影響。由圖5～圖7可見，在X/L＝-0.5附近車輛氣動(dòng)力達(dá)到峰值，因此下面對該位置處流場進(jìn)行分析。

圖7 側(cè)風(fēng)條件下主超車與被超車的升力

圖8為側(cè)風(fēng)條件下不同隔離帶X/L＝-0.5時(shí)，Z＝1.4m截面上的壓力云圖和流線圖。由圖8(a)可見：無隔離帶時(shí)，在側(cè)風(fēng)作用下，前方來流發(fā)生偏轉(zhuǎn)；氣流繞過車身時(shí)，在兩車背風(fēng)側(cè)和尾部產(chǎn)生氣流分離，形成漩渦；尾流向著側(cè)風(fēng)方向偏轉(zhuǎn)。由圖8(b)可見，當(dāng)受到1#隔離帶作用時(shí)，部分側(cè)風(fēng)穿過隔離帶，對前方來流產(chǎn)生擾動(dòng)，在車身周圍產(chǎn)生許多回流，形成數(shù)量較多的小漩渦，此時(shí)兩車迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓差減小，側(cè)向力減小。而由圖8(c)可見，采用2#隔離帶時(shí)，側(cè)風(fēng)無法穿過隔離帶，只能從隔離帶頂部繞流到車輛周圍。此時(shí)主超車前方來流受側(cè)風(fēng)影響較小，不再與車身呈一定角度，而是幾乎與車頭垂直。氣流繞過車身后，也不再隨著側(cè)風(fēng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而是在主超車尾部較大負(fù)壓的作用下，逐漸向主超車正后方偏轉(zhuǎn)，并在尾部形成漩渦。當(dāng)氣流流過車身時(shí)，車輛背風(fēng)側(cè)沒有明顯的漩渦生成。此時(shí)車身左右兩側(cè)壓差進(jìn)一步減小，使側(cè)向力減小。

圖8 側(cè)風(fēng)條件下X/L＝-0.5時(shí)Z＝1.4m截面壓力云圖和流線圖

圖9為側(cè)風(fēng)條件下不同隔離帶X/L＝-0.5時(shí)主超車和被超車縱對稱面上的壓力云圖和流線圖。由圖9(a)可見，無隔離帶時(shí)，主超車前方來流遇到車頭時(shí)，部分氣流滯止，在車頭前方形成較高的正壓。流過駕駛室頂部的氣流，繞流廂體前上緣時(shí)，產(chǎn)生氣流分離，形成一個(gè)較大的氣流分離區(qū)。流過這個(gè)區(qū)域的氣流，在廂體頂部后方附著并向下游流動(dòng)，在廂體后緣分離流入尾部。而由駕駛室頭部分流到底部的氣流，受到車輛底部凹凸不平和地面的影響，速度降低，壓強(qiáng)升高；當(dāng)這部分氣流到達(dá)車廂尾部時(shí)，由于尾流壓強(qiáng)較低，在壓強(qiáng)差的作用下形成較強(qiáng)的上卷漩渦[14]。漩渦的脫落產(chǎn)生了較大的能量損失，形成了較大的氣動(dòng)阻力。由圖9(c)可見，當(dāng)受到1#隔離帶影響時(shí)，主超車周圍流場發(fā)生改變。由于部分側(cè)風(fēng)穿過隔離帶流至主超車周圍，對車輛前方來流產(chǎn)生擾動(dòng)，氣流在主超車前方產(chǎn)生回流，形成一個(gè)較大的漩渦，導(dǎo)致主超車前方壓力降低。氣流繞流廂體上方時(shí)，形成一個(gè)與圖9(a)中類似的漩渦，之后流入尾部，并在車輛尾部附近形成漩渦。在車輛底部，由于氣流受到穿過隔離帶的側(cè)風(fēng)的擾動(dòng)，速度升高，壓強(qiáng)降低，因此車輛受到的升力減小。當(dāng)氣流從底部進(jìn)入尾流時(shí)，由于壓差減小，在尾部形成的上卷漩渦減弱，影響區(qū)域減小。由圖9(c)還可發(fā)現(xiàn)，在上卷漩渦后方靠近地面處，氣流還形成了明顯的回流區(qū)。由于車輛前后壓差減小，致使主超車受到的氣動(dòng)阻力大幅度減小。由圖9(e)可見，當(dāng)受到2#隔離帶影響時(shí)，由于側(cè)風(fēng)無法穿過隔離帶，所以車身周圍的氣流主要來自車輛前方和繞流隔離帶上方的氣流，此時(shí)側(cè)風(fēng)的影響減弱，主超車受到的各項(xiàng)氣動(dòng)力均減小。

對于被超車，由圖9(b)可見，無隔離帶時(shí)，前方來流在車頭前方形成滯止氣流，產(chǎn)生高壓，但其壓力明顯低于主超車的壓力。由于受到主超車的影響，被超車尾部的上卷漩渦消失，取而代之的是一個(gè)滯止點(diǎn)渦，且在滯止點(diǎn)渦后方形成另一個(gè)較大的漩渦。由圖9(d)可見：當(dāng)受到1#隔離帶影響時(shí)，被超車前方氣流產(chǎn)生回流，削弱了車前正壓，并在一定區(qū)域內(nèi)形成了負(fù)壓；底部氣流擾動(dòng)較大，速度增加，壓強(qiáng)減小，車輛受到的升力減?。晃擦髦袥]有明顯的上卷漩渦，但同圖9(b)類似，形成了滯止點(diǎn)渦和另一個(gè)渦心位置較高尺寸較大的漩渦。車輛前后壓差減小，受到的氣動(dòng)阻力減小。由圖9(f)可見，當(dāng)受到2#隔離帶影響時(shí)，被超車前方形成較高的正壓，尾部形成明顯的上卷漩渦，尾部負(fù)壓增強(qiáng)，車輛的氣動(dòng)阻力比無隔離帶時(shí)還大。車輛底部形成一些小的漩渦，但在貼近地面處，部分氣流直接流過車輛底部，流速較快，壓強(qiáng)較低，因此升力減小。

圖9 側(cè)風(fēng)條件下X/L＝-0.5處主超車與被超車縱對稱面壓力云圖和流線圖

3 結(jié)論

(1)無側(cè)風(fēng)時(shí)隔離帶對車輛氣動(dòng)力影響很小。隔離帶對車輛氣動(dòng)阻力的影響不足1%，對側(cè)向力和升力的影響略大一些，但對車輛安全穩(wěn)定性的總體影響依然很小。

(2)在側(cè)風(fēng)條件下，隔離帶使超車過程中車輛氣動(dòng)力發(fā)生明顯改變。在兩種隔離帶作用下，主超車的阻力、側(cè)向力和升力均大幅度降低，而被超車的阻力在稀疏隔離帶作用下減小，在密集隔離帶作用下增大，其側(cè)向力和升力在兩種隔離帶作用下均減小。

(3)隔離帶改善了側(cè)風(fēng)條件下車輛的氣動(dòng)性能。相對植被稀疏的隔離帶，植被密集的隔離帶使車輛的氣動(dòng)力變化較大，氣動(dòng)性能改善效果更明顯。

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