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    基于CFD的變道超車過(guò)程氣動(dòng)特性分析

    2020-08-17 12:23:12唐洪濤龍世桀楊峻程
    汽車工程學(xué)報(bào) 2020年4期
    關(guān)鍵詞:極值側(cè)向小車

    唐洪濤,龍世桀,楊峻程,王 旭

    (天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300222)

    汽車高速行駛的操作穩(wěn)定性、安全性和舒適性在很大程度上取決于汽車的氣動(dòng)特性[1]。汽車在路面上行駛的工況越來(lái)越復(fù)雜,尤其是汽車在高速超車時(shí),車身周圍流場(chǎng)不斷急劇變化,這不僅嚴(yán)重影響汽車的氣動(dòng)特性,而且會(huì)使車輛發(fā)生偏移,影響車輛行駛時(shí)的穩(wěn)定性和安全性[2]。

    2000年,AZIM等應(yīng)用實(shí)際汽車1/60的模型基于煙霧可視化方法,對(duì)超車過(guò)程的湍流特性進(jìn)行了試驗(yàn)[3],結(jié)果表明,干擾車周圍的流動(dòng)結(jié)構(gòu)根據(jù)雷諾數(shù)的改變而發(fā)生顯著變化,但是模型比例與真實(shí)汽車相差較大,而且可視化方法提供的定量信息很少。2005年,NOGER 等放大了模型尺寸,采用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)對(duì)兩個(gè)1/5尺寸的模型進(jìn)行了超車過(guò)程的瞬態(tài)模擬[4],研究表明,縱向間距、橫向間距和相對(duì)速度都會(huì)對(duì)車輛的氣動(dòng)力和力矩產(chǎn)生影響,但是模型較為簡(jiǎn)單,精確程度低。隨后在2008年,CORIN等對(duì)超車過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬[5],發(fā)現(xiàn)了相對(duì)速度會(huì)對(duì)超車過(guò)程中車輛周圍的壓力場(chǎng)產(chǎn)生影響,從而使車輛的受力狀態(tài)發(fā)生改變。2013年,BRUZELIUS等基于RANS方法進(jìn)行了數(shù)值模擬[6],分析了超車過(guò)程引起的阻力、側(cè)向力和橫擺力矩系數(shù)的變化規(guī)律。2014年,HOWELL等通過(guò)試驗(yàn)的方法研究了小型汽車超越大型卡車時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)特性[7],得到了試驗(yàn)數(shù)據(jù),并討論了試驗(yàn)過(guò)程的局限性。ALHOMOUD等應(yīng)用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了小型汽車和大型卡車模型并進(jìn)行了模擬仿真[8],探索超車過(guò)程中4個(gè)不同位置上阻力系數(shù)對(duì)兩車的影響,但是該模擬并不是連續(xù)的超車過(guò)程,與真實(shí)的超車過(guò)程有差異。上述研究主要針對(duì)直道超車,對(duì)實(shí)際生活中的直道超車現(xiàn)象具有一定的指導(dǎo)意義。但是,實(shí)際生活中更多情況是變道超車,很少有人將變道超車過(guò)程中兩車的流場(chǎng)變化以及流場(chǎng)中渦的變化與車身受力相結(jié)合進(jìn)行分析。

    綜上所述,本文基于前人的研究,采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)[9]和SIMPLE算法[10]對(duì)相同車型不同速度、相同車型不同間距、不同車型的變道超車過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了相應(yīng)的壓力云圖、速度矢量圖、流線圖以及側(cè)向力等結(jié)果,并對(duì)側(cè)向力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,得出變道超車過(guò)程不同位置處兩車周圍流場(chǎng)變化、車身周圍束縛渦與流場(chǎng)中自由渦的變化過(guò)程,從而解釋車身受力狀態(tài)發(fā)生改變的原因,為汽車行駛提供理論建議。

    1 基本控制方程

    本文選用的汽車行駛速度不超過(guò)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(shí)氣體是不可壓縮的[11]。

    連續(xù)性方程:

    x方向上的動(dòng)量守恒方程:

    y方向上的動(dòng)量守恒方程:

    z方向上的動(dòng)量守恒方程:

    式(2)~(4)中:ρ為密度;t為時(shí)間;u、v、w分別表示速度在x、y、z方向上的速度分量;Fx、Fy、Fz分別表示體積力在x、y、z方向上的分量。

    標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能及耗散率運(yùn)輸方程為:

    式(5)~(6)中:μi為湍流粘度;Gk是由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng);Gb是由浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng);YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響;C1ε、C1ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);σk、σε分別為湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù),F(xiàn)LUENT中默認(rèn)值為σk=1.0、σε=1.3;Sk、Sε表示用戶自定義源項(xiàng)。

    2 數(shù)值模擬

    2.1 汽車模型的選取和計(jì)算域的設(shè)定

    汽車模型選用某款家用轎車,其基本尺寸為:長(zhǎng)4 866 mm,寬1 832 mm,高1 464 mm。按長(zhǎng)寬的比例簡(jiǎn)化為平面矩形,矩形的長(zhǎng)用L表示,矩形的寬用W表示,車頭與車尾的棱角作光滑處理,兩車從右向左行駛,主超車命名為CarA,被超車命名為CarB,兩車初始位置距離計(jì)算域右邊界3L,兩車齊頭并進(jìn)。為保證變道超車時(shí)兩車有足夠的行駛距離,且不受兩邊壁面的影響,計(jì)算域尺寸設(shè)計(jì)為:長(zhǎng)30L,寬15W。如圖1 所示。

    圖1 汽車模型和計(jì)算域

    2.2 網(wǎng)格劃分

    模擬采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,模擬二維變道超車過(guò)程,小車車身線的網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.1,計(jì)算域網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.6。這樣的劃分方法可以使小車附近的區(qū)域網(wǎng)格相對(duì)較為密集,而遠(yuǎn)離小車的區(qū)域網(wǎng)格相對(duì)較為稀疏,從而可以提高小車周圍計(jì)算域的精度,更好地完成模擬。如圖2所示。

    圖2 網(wǎng)格模型

    2.3 邊界條件和初始條件的設(shè)定

    計(jì)算域的右邊界設(shè)置為壓力進(jìn)口,左邊界設(shè)置為壓力出口,兩車車身設(shè)置為wall,求解器選用非定常求解器,計(jì)算采用k-epsilon湍流模型,定義流體材料中選擇ideal-gas(理想氣體)。動(dòng)網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置選擇Smoothing(網(wǎng)格光順)和Remeshing(網(wǎng)格重劃分),Smoothing中的彈性因子設(shè)置為0.05[12]。動(dòng)網(wǎng)格中需要對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分,重新劃分網(wǎng)格時(shí)需要判定網(wǎng)格畸形率和網(wǎng)格尺寸是否符合要求,因此,在Remeshing中選用Must Improve Skewness(改善畸形率)和Size Function(尺寸函數(shù)),從而使局部網(wǎng)格完成更好的重新劃分,提高網(wǎng)格質(zhì)量[12]。為了避免動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算時(shí)出現(xiàn)負(fù)體積的問(wèn)題,網(wǎng)格的最小體積應(yīng)該大于小車的最快速度與計(jì)算步長(zhǎng)的乘積。

    2.4 變道超車方案設(shè)計(jì)

    記CarA的中心與CarB的中心沿x軸正方向的距離為X,沿y軸正方向的距離為Y,用X/L和Y/W表示兩車的位置。變道超車方案見(jiàn)表1。

    表1 變道超車方案

    3 模擬結(jié)果分析

    3.1 變道超車壓力云圖分析

    選擇Case2的壓力云圖進(jìn)行分析。選取超車過(guò)程的5個(gè)位置,分別是X/L=0.5、Y/W=1.5,X/L=1、Y/W=1.25,X/L=1.5、Y/W=1,X/L=2、Y/W=0.75,X/L=3.5、Y/W=0。單車行駛時(shí),在不考慮側(cè)風(fēng)的影響下,小車所受的側(cè)向力和旋轉(zhuǎn)力矩幾乎為0,但復(fù)數(shù)車輛變道超車過(guò)程中,兩車會(huì)產(chǎn)生相互影響,圖例單位為Pa。

    圖3 變道超車壓力云圖

    如圖3a所示,CarA在x方向上超越CarB半個(gè)車身長(zhǎng)時(shí),CarA前方的正壓區(qū)與CarB前方的正壓區(qū)相互作用,產(chǎn)生不均衡的側(cè)向力。兩車之間的區(qū)域形成負(fù)壓區(qū),產(chǎn)生相互吸引的趨勢(shì)。CarA兩側(cè)的氣壓在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化,局部受力不均衡,車頭內(nèi)側(cè)壓力高于外側(cè)壓力,車尾內(nèi)側(cè)壓力低于外側(cè)壓力,產(chǎn)生逆時(shí)針的趨勢(shì),車身發(fā)生振動(dòng)。由于局部受力不均衡,CarB車身內(nèi)側(cè)壓力低于外側(cè)壓力,產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。此時(shí),CarB的車頭有很大幾率撞擊CarA的車身,屬于變道超車過(guò)程中的危險(xiǎn)位置。

    如圖3b所示,CarA在x方向上完成對(duì)CarB的超越時(shí),CarA內(nèi)側(cè)氣壓受到CarB車頭處高壓的影響,相較外側(cè)呈現(xiàn)高壓狀態(tài),兩側(cè)產(chǎn)生壓力差,CarA車身受到內(nèi)側(cè)指向外側(cè)的側(cè)向力,車尾處內(nèi)側(cè)區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)壓區(qū),受到外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的側(cè)向力,車身產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì),車身振動(dòng)加劇。CarB內(nèi)側(cè)氣壓受到CarA尾部氣壓的影響相較外側(cè)呈現(xiàn)高壓,CarB車身受到內(nèi)側(cè)指向外側(cè)的側(cè)向力,車頭處受到外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的側(cè)向力,車身同樣產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì),此時(shí)兩車容易出現(xiàn)剮蹭現(xiàn)象,因此,兩車應(yīng)該在橫向上保持安全距離。

    如圖3c所示,CarA在x方向上超出CarB半個(gè)車身長(zhǎng)時(shí),CarA車身內(nèi)側(cè)仍然受到CarB車頭處高壓的影響,兩側(cè)產(chǎn)生壓力差,產(chǎn)生側(cè)向力,隨著兩車x方向間距的增大,側(cè)向力逐漸減小。同理,CarB的內(nèi)側(cè)氣壓受到CarA尾部氣流的影響減小,產(chǎn)生的側(cè)向力也隨之減小。

    如圖3d和圖3e所示,CarA超越CarB變道至被超車車道的過(guò)程中,隨著兩車x方向間距的增大,兩車所受到的側(cè)向力逐漸減小。CarA的尾流對(duì)CarB的內(nèi)側(cè)影響逐漸減小。

    3.2 速度矢量圖分析

    在變道超車過(guò)程中,運(yùn)動(dòng)的小車周圍形成不均衡流動(dòng)甚至于偏置的流場(chǎng),兩個(gè)流場(chǎng)區(qū)域相互干涉,不斷變化,從而引起小車氣動(dòng)力發(fā)生變化。圖例單位m/s。

    圖4 變道超車速度矢量圖

    圖4b為圖4a的局部放大圖,CarA在x方向上超越CarB半個(gè)車身長(zhǎng)時(shí),兩車之間的區(qū)域氣流相互干涉,該區(qū)域氣流明顯加速,形成低壓區(qū)。CarA車身內(nèi)側(cè)的氣流與CarB車頭內(nèi)側(cè)的氣流方向相反,相互作用產(chǎn)生排斥力,CarA車頭處受到內(nèi)側(cè)指向外側(cè)的力,車尾處受到低壓區(qū)的影響,產(chǎn)生外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的力,產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì),CarA車身發(fā)生振動(dòng),對(duì)駕駛員的操作有很大的影響。CarB車頭處受到由外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的力,產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

    圖4d為圖4c的局部放大圖,CarA在x方向上完成對(duì)CarB的超越,在X/L=0.5到X/L=1的過(guò)程中,CarA所受到的側(cè)向力逐漸增大至最大,CarA內(nèi)側(cè)氣流干擾加劇,車身振動(dòng)加劇。CarB內(nèi)側(cè)氣流受到CarA車尾處氣流影響,氣流方向、大小都發(fā)生了變化,產(chǎn)生渦,由于渦的渦量和位置發(fā)生變化,導(dǎo)致CarB車身受力變化明顯,對(duì)CarB的行駛穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。

    如圖4e所示,CarA在x方向上超出CarB半個(gè)車身長(zhǎng)時(shí),隨著兩車x方向距離的增大,兩車的相互干涉減小,CarA受到的側(cè)向力逐漸減小。CarA尾部氣流與CarB車頭處氣流相互干涉,氣流加速,在該區(qū)域形成低壓區(qū)。CarB受到的側(cè)向力,同時(shí)隨著兩車x方向的距離增大而減小。

    如圖4f和圖4g所示,CarA超越CarB變道至被超車車道的過(guò)程中,隨著兩車x方向距離的增大,兩車流場(chǎng)的相互干涉減小,兩車基本恢復(fù)單車行駛狀態(tài)。

    3.3 流線圖分析

    對(duì)Case2的流線圖進(jìn)行瞬態(tài)流線圖采集,時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 1 s,每100個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)采集一張圖片。通過(guò)對(duì)比圖5所示X/L=0.1到X/L=1.5的瞬態(tài)流線圖分析發(fā)現(xiàn),從X/L=0.6開(kāi)始在兩車壁面的內(nèi)外兩側(cè)分別出現(xiàn)一對(duì)明顯束縛渦,隨著兩車相對(duì)位置的變化,束縛渦的渦量發(fā)生變化,使兩車周圍的流場(chǎng)比較紊亂;在CarA的尾流中存在自由渦,這個(gè)渦產(chǎn)生、變大、運(yùn)動(dòng)、消失的過(guò)程,引起兩車之間流場(chǎng)相互干涉。

    圖5 變道超車流線圖

    在X/L=0.1到X/L=0.5的過(guò)程中,兩車內(nèi)側(cè)流線相互作用,氣流加速,此處形成低壓區(qū),兩車產(chǎn)生相互吸引的趨勢(shì)。隨著兩車y方向距離減小,兩車相互吸引的趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)。在此過(guò)程中,兩車相互吸引的趨勢(shì)占主導(dǎo)地位。兩車所受到的側(cè)向力逐漸增大,在X/L=0.5時(shí),CarB所受到的側(cè)向力增至最大。

    在車身周圍循環(huán)流動(dòng)通常發(fā)生在車身表面的旋渦稱為束縛渦;在車身上形成的循環(huán)流動(dòng)向外側(cè)擴(kuò)散,并最終消失在大氣中的旋渦稱為自由渦。

    隨著兩車縱向間距的增大,在X/L=0.6時(shí),存在4個(gè)比較明顯的束縛渦,分別命名為1、2、3、4渦,其中1渦、2渦在貼近CarA壁面的位置,1渦為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),渦尺寸較小,2渦為順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),渦尺寸較大,3渦、4渦在貼近CarB壁面的位置,3渦為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),渦尺寸較大,4渦為順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),渦尺寸較小。1渦、4渦在CarA、CarB的外側(cè)受到的影響較小,發(fā)生的變化也較小。

    束縛渦(2渦)的產(chǎn)生、變化消耗流場(chǎng)中的能量,引起周圍壓強(qiáng)的改變,進(jìn)而影響CarA的受力狀態(tài),同時(shí)兩車縱向間距增大,低壓區(qū)范圍減小,相互吸引的趨勢(shì)減弱,因此,CarA受到由內(nèi)側(cè)指向外側(cè)的側(cè)向力增大。

    在X/L=0.7時(shí),2渦渦尺寸增大,3渦渦尺寸增大,5渦是從由2渦脫離車身表面進(jìn)入大氣內(nèi)形成的自由渦,5渦呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),渦尺寸較小。

    自由渦的產(chǎn)生消耗流場(chǎng)中的能量,產(chǎn)生自由渦的位置,壓強(qiáng)會(huì)發(fā)生急劇變化,同時(shí)兩車相互吸引的趨勢(shì)減弱,CarB受到由外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的側(cè)向力減小。

    在X/L=0.8時(shí),2渦向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng),3渦渦尺寸減小,5渦向后運(yùn)動(dòng),逐漸脫離CarA的尾流流場(chǎng),渦尺寸增大,呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

    在X/L=0.9時(shí),2渦向后運(yùn)動(dòng),3渦渦尺寸增大,5渦持續(xù)向后運(yùn)動(dòng),渦尺寸持續(xù)減小,隨著5渦從CarA的尾流場(chǎng)中脫離出來(lái),在CarA的尾流場(chǎng)中產(chǎn)生6渦,6渦渦尺寸較小,呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),與5渦旋轉(zhuǎn)方向相反。

    在X/L=1.0時(shí),2渦渦尺寸持續(xù)增大,3渦向前運(yùn)動(dòng),5渦持續(xù)向后運(yùn)動(dòng)從捕捉平面消失,6渦向后運(yùn)動(dòng),渦量增大,呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),6渦展現(xiàn)出5渦的特征。

    束縛渦渦尺寸、位置的變化過(guò)程,引起流場(chǎng)中壓強(qiáng)發(fā)生改變,束縛渦(2渦)渦尺寸持續(xù)增加,位置不斷發(fā)生變化,對(duì)CarA受力狀態(tài)的影響增大,因此,CarA受到的側(cè)向力不斷增加,在X/L=1.0時(shí),側(cè)向力增大至最大。

    自由渦產(chǎn)生、變大、運(yùn)動(dòng)、消失的過(guò)程消耗流場(chǎng)的能量,隨著5渦、6渦渦尺寸增大和位置向后運(yùn)動(dòng),對(duì)CarB受力狀態(tài)的影響逐漸增大,在圖6b側(cè)向力變化曲線中的表現(xiàn)為CarB所受側(cè)向力的斜率增大。

    圖6 不同超車速度側(cè)向力變化曲線

    在X/L=1.1時(shí),2渦渦尺寸減小,3渦渦尺寸減小,6渦與5渦的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同,持續(xù)向后運(yùn)動(dòng)從捕捉平面消失,CarA尾流場(chǎng)中7渦逐漸產(chǎn)生,7渦渦尺寸較小,呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。在X/L=1.2時(shí),2渦渦尺寸增大,3渦向后運(yùn)動(dòng),7渦向后運(yùn)動(dòng),渦尺寸明顯增大,呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),7渦呈現(xiàn)出與5渦、6渦相同的特征。在X/L=1.3時(shí),3渦向前運(yùn)動(dòng),渦尺寸增大,7渦持續(xù)向后運(yùn)動(dòng),逐漸從CarA的尾流中脫離出來(lái),形成一個(gè)獨(dú)立的呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的自由渦。在X/L=1.4時(shí),3渦消失,7渦持續(xù)向后運(yùn)動(dòng),渦尺寸減小,呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。在X/L=1.5時(shí),7渦持續(xù)向后運(yùn)動(dòng)從捕捉平面消失。隨著兩車x方向間距增大,CarA的尾流場(chǎng)中不再產(chǎn)生自由渦。

    束縛渦(2渦)在X/L=1.1時(shí)渦尺寸開(kāi)始減弱,CarA受到的側(cè)向力逐漸減弱。隨著兩車縱向間距的增大,兩車之間的相互干涉減小,側(cè)向力減小,兩車行駛狀態(tài)逐漸趨于平穩(wěn)。

    自由渦(7渦)在X/L=1.1時(shí)產(chǎn)生,X/L=1.2時(shí)變大,X/L=1.3時(shí)向后運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,對(duì)CarB的影響持續(xù)增大。隨著自由渦向后運(yùn)動(dòng)至車尾處后消失,自由渦對(duì)CarB受力狀態(tài)的影響開(kāi)始減弱。在圖6b側(cè)向力變化圖中的表現(xiàn)為:在X/L=1.3附近側(cè)向力趨勢(shì)發(fā)生改變。

    通過(guò)以上對(duì)兩車之間流場(chǎng)流線的瞬態(tài)仿真分析,在變道超車過(guò)程中,高速氣流在兩車內(nèi)外兩側(cè)壁面位置和兩車之間區(qū)域變化較為復(fù)雜,隨著兩車相對(duì)位置的變化,兩對(duì)束縛渦的渦尺寸大小持續(xù)變化,旋轉(zhuǎn)方向相反。變道超車過(guò)程中,CarA尾流場(chǎng)中出現(xiàn)自由渦,自由渦產(chǎn)生、變大、運(yùn)動(dòng)、消失的過(guò)程,加劇了兩車周圍流場(chǎng)的相互干涉,因此,研究束縛渦渦量和位置的變化、自由渦從產(chǎn)生到消失的過(guò)程對(duì)兩車受力狀態(tài)的影響具有重要意義。

    3.4 不同車速數(shù)據(jù)分析

    對(duì)比分析Case1~3在X/L=0.5、Y/W=1.5位置的壓力云圖可知,隨著兩車的速度加快,兩車車頭處正壓值依次增加,相互作用依次加強(qiáng),兩車之間的負(fù)壓區(qū)范圍和最大負(fù)壓值依次增大。因此,在負(fù)壓區(qū)的影響下,主超車和被超車都受到側(cè)向力和旋轉(zhuǎn)力矩的作用,隨著兩車速度的增加,側(cè)向力和旋轉(zhuǎn)力矩依次增加。

    3.5 不同車距數(shù)據(jù)分析

    對(duì)比分析Case4、 Case2和Case5在X/L=0.5位置的壓力云圖可以得出,隨著兩車的間距增大,兩車之間的負(fù)壓區(qū)范圍和最大負(fù)壓值依次減小。隨著變道超車的間距變大,主超車和被超車所受到的側(cè)向力和旋轉(zhuǎn)力矩依次降低。

    圖7 不同超車速度壓力云圖

    圖8 不同超車間距壓力云圖

    3.6 側(cè)向力數(shù)據(jù)分析

    3.6.1 不同車速的變道超車數(shù)據(jù)分析

    本文中側(cè)向力的方向是垂直于小車行駛方向的力。在單車行駛狀態(tài),不考慮側(cè)風(fēng)影響的條件下,所受到的側(cè)向力基本為0。在變道超車過(guò)程中,小車所受到的側(cè)向力有明顯的變化,在超車過(guò)程中相對(duì)位置不同,所受到的側(cè)向力也不同。當(dāng)側(cè)向力發(fā)生劇烈變化時(shí),小車的行駛穩(wěn)定性會(huì)受到嚴(yán)重的影響。

    主超車CarA在Case1、Case2、Case3變道車的超車過(guò)程中所受到的側(cè)向力如圖6a所示,主超車CarA所受到的側(cè)向力先增大再減小后趨于穩(wěn)定,在X/L=1時(shí)側(cè)向力達(dá)到最大。 Case2與Case1、Case3對(duì)比發(fā)現(xiàn):控制兩車間距不變,兩車速度越快,側(cè)向力的變化幅度越大。主超車CarA在Case1的極值比Case2的極值增大了56%, Case1的極值比Case3的極值增大了156%,Case2的極值比Case3的極值增大了64%。

    被超車CarB在Case1、Case2、Case3變道車超車過(guò)程中所受到的側(cè)向力如圖 6b所示,被超車CarB所受到的側(cè)向力先增大再減小后趨于穩(wěn)定,在X/L=0.5時(shí)側(cè)向力達(dá)到最大;與主超車CarA相似,隨著車速的增加,側(cè)向力的變化幅度增大。Case2與Case1、Case3對(duì)比發(fā)現(xiàn):被超車CarB在Case1的極值比Case2的極值增大了68%,Case1的極值比Case3的極值增大了199%,Case2的極值比Case3的極值增大了78%。根據(jù)數(shù)據(jù)可知,改變車速變道超車時(shí),被超車受到的影響大于主超車。

    3.6.2 不同間距的變道超車數(shù)據(jù)分析

    主超車CarA在 Case2、Case4、Case5變道車超車過(guò)程中所受到的側(cè)向力如圖9a所示,控制兩車車速相同,改變兩車間距對(duì)側(cè)向力的影響。隨著兩車間距的增加,主超車受到的側(cè)向力變化幅度降低。主超車CarA在Case4的極值比Case2的極值增大了42%,Case4的極值比Case5的極值增大了74%,Case2的極值比Case5的極值增大了23%。

    被超車CarB在Case2、Case4、Case5變道車超車過(guò)程中所受到的側(cè)向力如圖9b所示,與主超車相同,隨著兩車間距的增大,被超車受到的側(cè)向力減小。被超車CarB在Case4的極值比Case2的極值增大了18%,Case4的極值比Case5的極值增大了41%,Case2的極值比Case5的極值增大了18%。根據(jù)數(shù)據(jù)可知,改變間距變道超車時(shí),主超車受到的影響大于被超車。

    圖9 不同超車間距側(cè)向力變化曲線

    3.7 不同車型變道超車的分析

    3.7.1 小車超越大車

    以上是對(duì)相似車型變道超車的研究,下面對(duì)不同車型變道超車進(jìn)行探索,對(duì)小車超越大車的壓力圖和側(cè)向力的變化進(jìn)行分析。該方案命名為Case6,小車命名CarA,大車命名CarB。選取X/L=0.5和X/L=1的位置進(jìn)行分析。

    如圖10a所示:不同車型變道超車相較于相同車型變道超車,兩車車頭處正壓區(qū)的相互作用明顯增大,兩車之間的負(fù)壓區(qū)范圍和最大負(fù)壓值有所增大,說(shuō)明兩車相互吸引的趨勢(shì)增強(qiáng),側(cè)向力增大。CarB的尺寸和重量較CarA相差較大,側(cè)向力對(duì)CarA的影響更為明顯,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)增強(qiáng),CarA的操作穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響,車身出現(xiàn)振動(dòng),有很大可能與CarB相撞。

    如圖10b所示:不同車型變道超車時(shí),兩車正壓區(qū)作用范圍明顯增強(qiáng),CarA內(nèi)側(cè)壓力升高,兩側(cè)壓力差增大,CarA受到的側(cè)向力增加至最大,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)增強(qiáng),CarA的操作穩(wěn)定性受到影響,車身的振動(dòng)現(xiàn)象加劇,有一定幾率被CarB“吸引”過(guò)來(lái),發(fā)生車禍。

    圖10 不同車型變道超車壓力云圖(小車超越大車)

    對(duì)比不同車型變道超車的側(cè)向力發(fā)現(xiàn):主超車CarA在變道超車的過(guò)程中,所受到側(cè)向力的變化幅度明顯增加。主超車CarA在Case6的極值比Case2的極值增大了60%。被超車CarB受到的側(cè)向力也有所增加,被超車CarB在Case6的極值比Case2的極值增大了27%,主超車CarA所受到側(cè)向力的變化幅度更大,對(duì)小車的操作穩(wěn)定性影響更大。

    圖11 不同車型變道超車側(cè)向力變化曲線(小車超越大車)

    3.7.2 大車超越小車

    大車變道超越小車的情況,同樣對(duì)壓力圖和側(cè)向力的變化進(jìn)行分析,該方案命名為Case7,大車命名為CarC,小車命名為CarD。同樣選取X/L=0.5和X/L=1的位置進(jìn)行分析。

    如圖12a所示:不同車型變道超車時(shí),由于CarC的尺寸和質(zhì)量較大,車頭處的正壓區(qū)范圍和正壓值較相同車型變道超車明顯增大,兩車之間負(fù)壓區(qū)范圍和負(fù)壓最大值有所增加。此時(shí)CarD所受的側(cè)向力達(dá)到最大值,對(duì)CarD的操作穩(wěn)定性有很大的影響,有很高機(jī)率與CarC相撞。因此,應(yīng)控制兩車保持安全的距離。

    如圖12b所示:不同車型變道超車相較于相同車型變道超車,兩車的車頭處正壓區(qū)的相互作用明顯增強(qiáng),CarC的內(nèi)側(cè)壓力增大,導(dǎo)致兩側(cè)壓差增大,此時(shí)CarC受到的側(cè)向力也增加至最大,車身振動(dòng)加劇,對(duì)CarC的操作穩(wěn)定性造成影響。因此,CarD應(yīng)增大與CarC的間距,降低行車速度,避免發(fā)生事故。

    圖12 不同車型變道超車壓力云圖(大車超越小車)

    當(dāng)大車超越小車時(shí),兩車變道超車過(guò)程中,各個(gè)位置所受到的側(cè)向力明顯增大。主超車CarC在Case7的極值比Case2的極值增大了94%,被超車CarD在Case7的極值比Case2的極值增大了47%,主超車CarC所受到的側(cè)向力變化幅度增大,對(duì)大車的操作穩(wěn)定性影響增大。由于變道超車過(guò)程中車型的不同,兩車所受的側(cè)向力變化幅度增大。

    圖13 不同車型變道超車側(cè)向力變化曲線(大車超越小車)

    4 結(jié)論

    (1)變道超車過(guò)程中壓力、速度、側(cè)向力隨著兩車的相對(duì)位置的變化而變化,兩車所受側(cè)向力都會(huì)先增大后減小,然后趨于穩(wěn)定,主超車在X/L=1時(shí),側(cè)向力達(dá)到最大值,被超車在X/L=0.5時(shí),側(cè)向力達(dá)到最大。

    (2)變道超車過(guò)程中,汽車的行駛穩(wěn)定性與側(cè)向力的大小有密切的聯(lián)系,在X/L=0.5到X/L=1的位置的過(guò)程中,側(cè)向力較大,此時(shí)屬于變道超車的危險(xiǎn)位置。

    (3)變道超車過(guò)程相較于直道超車過(guò)程流場(chǎng)變化更為復(fù)雜,變道超車過(guò)程中車身兩側(cè)的束縛渦渦量大小持續(xù)變化,旋轉(zhuǎn)方向相反;流場(chǎng)中自由渦經(jīng)歷產(chǎn)生、變大、發(fā)展、消失的過(guò)程,消耗流場(chǎng)中的能量,加劇兩車周圍的流線發(fā)生偏置,從而影響兩車的受力狀態(tài)。

    (4)通過(guò)方案對(duì)比發(fā)現(xiàn):變道超車過(guò)程中,兩車車速增大,側(cè)向力增大,被超車受到的影響大于主超車;兩車間距減小,側(cè)向力增大,主超車受到的影響大于被超車。

    (5)不同車型變道超車時(shí),側(cè)向力的變化會(huì)有所不同,小車超越大車時(shí),小車受到的影響遠(yuǎn)大于大車,嚴(yán)重影響駕駛員的操作穩(wěn)定性,為了避免發(fā)生交通事故,應(yīng)降低超車速度,增加超車間距。

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