迎面會車二維氣動仿真模擬研究

唐洪濤，苗秀奇，陳廣厚，董林源

(天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

在兩條相鄰車道上相反方向行駛的汽車會發(fā)生交匯，尤其是在公路車道之間沒有隔離帶、行車速度較快的一級公路或者是在車速較慢、車道間距較小的三級公路，會車時車身周圍的壓力場會不斷發(fā)生變化，可能會使得汽車發(fā)生偏轉(zhuǎn)，對汽車的操作穩(wěn)定性和安全性有著嚴(yán)重的影響．

汽車會車過程中，兩車相對位置不斷發(fā)生變化，會在車身周圍形成不定常的渦流，從而導(dǎo)致汽車在會車時發(fā)生車頭偏轉(zhuǎn)．特別是兩車之間的橫向間距較小時，會使側(cè)向力發(fā)生很大變化．

目前從空氣動力學(xué)方向分析汽車高速、小間距會車過程的研究較少，多數(shù)是對單一運動或者是單一車輛的研究分析，或者是對不同工況下超車模型[1–2]的研究．傅立敏等[3]在轎車并列行駛湍流特性的數(shù)值模擬中得出：并列行駛的安全距離應(yīng)該在單倍車寬與0.5倍車寬之間；張英朝等[4]在轎車會車時氣動特性的數(shù)值模擬中指出：會車達(dá)到穩(wěn)定時，車身表面壓力分布和單車 SAE模型表面壓力分布基本一致；張英朝等[5]還對簡單外形汽車隧道中會車過程中瞬態(tài)空氣動力學(xué)數(shù)值模擬，得出會車過程中氣動力系數(shù)有類似正弦函數(shù)的變化曲線；在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，徐國英等[6]在基于 CFD的汽車迎面會車過程氣動干擾特性仿真研究中得出：側(cè)向力和橫擺力矩的變化趨勢基本相同；谷正氣等[7]在會車瞬態(tài)氣動特性分析與研究中表明，兩轎車會車時的氣動阻力系數(shù)為負(fù)正弦函數(shù)變化，且與側(cè)向力的變化不同步；楊敏[8]進(jìn)行車輛會車動態(tài)模擬，表明二維動態(tài)會車過程中使棱角結(jié)構(gòu)光順及減小會車速度可削弱壓力波，促進(jìn)行車安全．

上述研究成果中的變量大多數(shù)都是單一的，但通常來說，汽車會車是一個間距和速度共同影響下的過程，而且對于會車網(wǎng)格選擇，動網(wǎng)格技術(shù)比滑移網(wǎng)格更加適用，同時隨著行車速度不斷提高，超速會車開始增多．因此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，采用動網(wǎng)格技術(shù)，對不同速度、不同間距、不同車型以及超速下的會車過程進(jìn)行數(shù)值模擬，選取幾個會車過程的離散位置作為研究對象，結(jié)合瞬態(tài)壓力云圖、速度矢量圖和氣動力變化曲線，重點分析會車過程中的氣動力變化、流場變化，從中得出相關(guān)規(guī)律．

1 數(shù)值模擬

1.1 基本控制方程

本文選用的汽車行駛速度不超過 100,km/h，馬赫數(shù)約為 0.081,7，小于 0.3，因此可以認(rèn)為此時氣體是不可壓縮的[9]．其基本控制方程為

當(dāng)控制方程為x方向動量方程時，可以變換為

當(dāng)控制方程為y方向動量方程時，可以變換為

當(dāng)控制方程為能量方程時，可以變換為

式中：ρ為空氣密度，取值為 1.184,15,kg/m3；u、v分別為 x和 y方向的速度矢量；p為壓力；μ為動力黏度系數(shù)，取值為 1.789,4×10–5,kg/(m·s)；k為常數(shù)．

1.2 原始模型

選用國產(chǎn)某款運動型多用途汽車(SUV)，該款車的外形尺寸為：長 4,325,mm，寬 1,765,mm，高1,625,mm．基于模型尺寸選用計算域尺寸為：長60,m，寬 20,m．把該款 SUV 簡化成二維模型，車頭棱角作平滑處理．如圖1所示．

圖1 計算域Fig. 1 Computational area of the model

1.3 網(wǎng)格劃分

模型采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，由于是二維會車分析，故把兩車簡化為近似小矩形塊，分別命名為 car1和 car2(左下角為 car1，右上角為 car2)，面網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.5，計算域網(wǎng)格尺寸設(shè)為2，如圖2所示．

圖2 網(wǎng)格模型Fig. 2 Mesh model

1.4 邊界條件

計算域左側(cè)設(shè)置為壓力入口，右側(cè)設(shè)置為壓力出口，兩車壁面條件設(shè)置為wall，計算采用K-epsilon湍流模型，求解器選用非定常求解器，動網(wǎng)格參數(shù)Mesh Methods選用Smoothing和Remeshing，Smoothing中Spring Constant Factor(剛度系數(shù))設(shè)置為 0.05，Remeshing中選用Size Function(尺寸函數(shù))和 Must Improve Skewness(必須改善畸變率)[10]，該設(shè)置的目的是為了得到較好的網(wǎng)格更新，在保證原來尺寸不變的前提下，使局部網(wǎng)格重新劃分．

2 會車方案設(shè)計

根據(jù)2014年9月20日發(fā)布的新版公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[11]：一級公路在不受限制的情況下，可不設(shè)中間隔離帶，在設(shè)計速度100,km/h的路段，車道寬度為3.75,m，兩車處于車道正中間會車時，兩車之間的距離約為 2,m；三級公路在設(shè)計車速為 40,km/h的路段，車道寬度為 3.25,m，兩車在車道正中間會車時，兩車間距約為1.5,m．

設(shè)置兩車以相同速度向相反的方向行駛，最大行車速度選用一級公路和三級公路的設(shè)計速度上限，并在速度上限下調(diào)20,km/h的范圍內(nèi)變化，即一級公路的行車速度范圍為 80～100,km/h，三級公路的行車速度為 20～40,km/h．設(shè)置一級公路的會車間距為1.5～2,m；三級公路的會車間距為 1～1.5,m．方案見表 1．

表1 設(shè)計方案Tab. 1 Design proposals

3 結(jié)果分析

3.1 壓力云圖

因為兩車模型選取相同，且會車速度相同，因此車身周圍的壓力分布相同．設(shè) D為兩車頭之間在行駛方向的距離，L為車身長度，D/L描述了不同會車狀態(tài)．以方案 3為例，分析會車過程中兩車外流場之間的相互干擾特性和氣動特性隨兩車相對位置 D/L的變化，結(jié)果見圖3．

由圖3可以看出：在兩車開始相會(圖3(a))，即D/L＝-1時，car1的高壓區(qū)逐漸向 car2靠近并交匯，開始互相影響，car2靠近car1一側(cè)的壓力明顯高于遠(yuǎn)離 car1的一側(cè)(開放側(cè))，car2車頭部會產(chǎn)生遠(yuǎn)離car1車頭的側(cè)向力，并且側(cè)向力逐漸增大，增大到最大時可能會使車體偏離行駛方向，對汽車的穩(wěn)定性造成影響．

當(dāng)兩車車頭平齊(圖 3(b))，即 D/L＝0時，由于車頭高壓區(qū)的相互作用產(chǎn)生側(cè)向作用力，此時負(fù)向側(cè)向力會達(dá)到最大．

當(dāng)兩車處于并列平行狀態(tài)(圖 3(c))，即 D/L＝1時，由于兩車之間的間距面積變得很窄，所以氣流流動速度迅速增大，在兩車之間形成很高的負(fù)壓區(qū)，借助負(fù)壓區(qū)的作用使兩車有著相互吸引的趨勢，正向側(cè)向力會達(dá)到最大，此時發(fā)生交通事故的概率最大．

當(dāng)兩車開始脫離對方(圖 3(d))，即 D/L＝2時，兩車逐漸開始進(jìn)入對方的尾渦區(qū)，由于空氣介質(zhì)具有黏性，所以會利用空氣的這種性質(zhì)互相帶動尾部的氣流流動，從而使流速加快，氣體壓力下降[12]．

當(dāng)兩車即將完全脫離對方尾渦區(qū)(圖 3(e))，即D/L＝3時，兩車相互作用開始減弱，兩車側(cè)向力也逐漸減弱，直至減為0．

圖3 相對位置變化時的壓力云圖Fig. 3 Pressure contours of different positions

3.2 速度矢量圖

運動中的車輛帶動周圍空氣流動，在兩車周圍形成一個運動流場區(qū)域，這些流場區(qū)域不斷導(dǎo)致汽車的氣動力變化，速度矢量圖見圖4．

會車前(圖 4(a))，兩車的流場彼此獨立，car1和car2近壁面兩側(cè)分別存在旋渦，且兩側(cè)的旋渦是對稱分布的，故兩車的行駛是平穩(wěn)的．

當(dāng)兩車車頭平齊時(圖 4(b))，car1干擾側(cè)流場和 car2干擾側(cè)流場開始交匯，car1干擾側(cè)渦流方向為逆時針，car2干擾側(cè)渦流方向也為逆時針，方向相同的渦流相互作用產(chǎn)生排斥力，使得干擾側(cè)作用力增強(qiáng)，兩車有偏離彼此的傾向．

當(dāng)兩車平行對齊時(圖 4(c))，干擾側(cè)的渦流位置、個數(shù)以及渦流強(qiáng)度都發(fā)生了變化，從而改變了兩車間隙處的流場．car1干擾側(cè)產(chǎn)生的渦流和 car2干擾側(cè)產(chǎn)生的渦流相互融合，使兩車之間形成低速旋渦區(qū)，渦流集中的地方能量消耗大，同時根據(jù)伯努利方程得出，此旋渦區(qū)也屬于低壓區(qū)[13]，兩車有相互吸引的趨勢．

兩車開始逐漸脫離對方時(圖 4(d))，干擾側(cè)交匯氣流開始分離，渦的數(shù)量增加，位置也發(fā)生變化，并且速度梯度也有明顯降低，使得相互吸引的作用力減弱．

通過對比圖 4(a)和圖 4(e)的會車狀態(tài)發(fā)現(xiàn)：會車前和會車后有明顯不同，會車后渦流的作用會延續(xù)很長一段距離，行車穩(wěn)定性受到影響，此時也應(yīng)該注意行車安全．

圖4 相對位置變化時的速度矢量圖Fig. 4 Velocity vector of different positions

3.3 側(cè)向力

在沒有其他因素的影響下，單一車輛行駛時，所受的側(cè)向力幾乎為 0，但是在兩車會車時，由于兩車互相影響，側(cè)向力有明顯變化，當(dāng)相互作用達(dá)到一定程度時，兩車行駛方向?qū)l(fā)生偏移，從而會引發(fā)交通事故．以car1作為研究對象，采用6種方案進(jìn)行仿真計算，側(cè)向力隨著不同會車狀態(tài)變化情況見圖 5，最大值見表2．

圖5 car1的側(cè)向力瞬態(tài)變化Fig. 5 Transient changes of lateral force

表2 側(cè)向力最大值Tab. 2 Maximum of lateral force

從表2可以看出，所有方案的側(cè)向力數(shù)值都比較?。抡嬷械男熊囁俣纫堰x用了標(biāo)準(zhǔn)允許的設(shè)計速度上限，如果車輛按照新版公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定速度行駛，行車是安全的．

將方案1與方案3、方案2與方案4進(jìn)行對比，可以直觀地分析間距對側(cè)向力的影響．方案 1的間距比方案 3大 33%，方案 3的負(fù)向側(cè)向力和正向側(cè)向力的最大值比方案1分別大31%,和35%．方案2的間距比方案 4的間距大 50%，方案 4的負(fù)向側(cè)向力和正向側(cè)向力的最大值比方案 2分別大 21%和20%．這說明小間距高速會車，間距的小范圍改變，會使側(cè)向力發(fā)生較大變化．

將方案3和方案5進(jìn)行對比，可以直觀地分析速度對側(cè)向力的影響．方案 3的速度比方案 5大 1.5倍，方案3的負(fù)向側(cè)向力和正向側(cè)向力的最大值比方案 5分別大 4.4倍和 3.7倍．這說明等間距會車時，高速會車比低速會車使汽車擺動的更加劇烈．

3.4 不同車型會車

選用不同尺寸的會車模型，同樣設(shè)置兩車行駛速度相同，并勻速行駛．左下角命名為 car1；右上角命名為 car2，car1保持原始尺寸，car2尺寸比原始尺寸增大1.5倍．為了便于對比，選擇表1中方案3作為會車方案進(jìn)行分析，分析會車過程中兩車外流場之間的相互干擾特性和氣動特性隨兩車相對位置的變化．會車過程的壓力云圖見圖6．

對比圖6(a)和圖3(b)相同會車狀態(tài)下的壓力云圖發(fā)現(xiàn)：不同車型會車時兩車正壓區(qū)是不對稱的，大車正壓區(qū)影響范圍擴(kuò)大，說明大車對小車的排斥力增強(qiáng)，由于尺寸、質(zhì)量都不同，故此時小車會有遠(yuǎn)離大車的趨勢．

對比圖6(b)和圖3(c)相同會車狀態(tài)下的壓力云圖發(fā)現(xiàn)：大車和小車平行會車時，兩車之間同樣也出現(xiàn)很強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)，此時的負(fù)壓區(qū)較之前更強(qiáng)，說明兩車相互吸引的作用力也得到加強(qiáng)，由于尺寸、質(zhì)量不同，該作用力對于小車比較明顯，小車會在很短的時間內(nèi)不斷靠近大車，很可能直接撞到大車側(cè)面，此時的事故率也最大．

對比圖6(c)和圖3(d)相同會車狀態(tài)下的壓力云圖發(fā)現(xiàn)：兩車開始脫離對方的影響，帶動彼此尾部氣流流動，流速不斷加快，使得氣壓下降速度也加快．小車氣壓下降速度比大車氣壓下降速度更快，氣流分離，使兩車之間產(chǎn)生排斥力．

圖6 會車過程中的壓力云圖Fig. 6 Pressure contours of meeting cars

由圖7會車過程中的速度矢量圖可以看出：此過程中兩車也經(jīng)歷排斥、吸引、排斥，不同的是兩車的作用力大小不同，速度矢量圖的變化和前面分析一致，不再贅述．

不同車型會車采用表 1方案 3，小車(car1)的側(cè)向力瞬態(tài)變化曲線見圖8．

對比圖8和圖5中方案3的側(cè)向力變化可知：原方案的同車型會車時，car1的負(fù)向側(cè)向力最大值為101.23,N，正向側(cè)向力最大值為 133.93,N，不同車型會車時，car1的負(fù)向側(cè)向力最大值為 158.71,N，正向側(cè)向力最大值為 217.03,N，分別增大了 56.8%,和62.0%,．可見，側(cè)向力在不同車型會車時的變化曲線呈現(xiàn)不穩(wěn)定波動；隨著車型尺寸的變化，側(cè)向力也會有相對應(yīng)的變化，此時更應(yīng)該注意行車速度和間距，以免出現(xiàn)交通事故．

圖7 不同車型會車過程中的速度矢量圖Fig. 7 Velocity vector of meeting cars

圖8 car1側(cè)向力瞬態(tài)變化曲線Fig. 8 Transient changing of lateral force of car1

3.5 超速會車

雖然在公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定一級公路的最高時速為 100,km/h，但也會出現(xiàn)超速會車情況．本文選用 130,km/h作為會車速度，通過壓力云圖和速度矢量圖分了同車型超速會車情況，仿真模擬結(jié)果見圖9和圖10．

由圖9可以看出：會車速度達(dá)到130,km/h時，兩車之間的負(fù)壓區(qū)更大，兩車之間相互影響也越來越大，周圍的流場更加復(fù)雜，兩車在會車瞬間吸引力更大，說明超速會車危險系數(shù)大．

圖9 超速會車過程中的壓力云圖Fig. 9 Pressure contours of overspeed meeting

由圖 10可以看出：兩車之間形成超低速旋渦區(qū)，由于渦流越集中的地方能量消耗越大，故借助超低速旋渦區(qū)，兩車相互吸引的作用力會變得非常大，car1最大側(cè)向力達(dá)到 464.5,N，比相同間距、會車速度為 100,km/h時的最大側(cè)向力(133.93,N)增大了2.47倍，發(fā)生交通事故的概率大大增加．

圖10 超速會車過程中的速度矢量圖Fig. 10 Velocity vector of overspeed meeting

4 結(jié) 論

(1)會車過程中壓力場和側(cè)向力隨著兩車的位置發(fā)生變化，側(cè)向力在會車前后會呈現(xiàn)不穩(wěn)定波動變化，改變速度和間距，側(cè)向力變化趨勢基本相同．

(2)在會車過程中，側(cè)向力會發(fā)生正負(fù)變化，同時伴有極值出現(xiàn)，側(cè)向力正向最大值出現(xiàn)在兩車身平行時，負(fù)向最大值出現(xiàn)在兩車頭平齊時，導(dǎo)致兩車左右搖擺，行車安全受到威脅．

(3)不同車型會車時，側(cè)向力會隨著車型的改變而發(fā)生改變，變化和車型尺寸存在一定關(guān)系．在行車過程中，當(dāng)兩相同車型或者不同車型會車時，為了提高行車安全，會車速度應(yīng)該減?。?/p>

(4)當(dāng)會車速度達(dá)到一定程度后，繼續(xù)增大車速度會導(dǎo)致側(cè)向力急劇增大，超速會車危險系數(shù)急劇升高．