基于CFD的雙道超車過程氣動特性分析

唐洪濤，楊峻程，張 祥，劉學(xué)龍

（1.天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

雙道超車會對主超車及被超車產(chǎn)生連續(xù)干擾，破壞單車流場，對汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。由ABDEL進行的風洞試驗結(jié)果表明，在選取的11個縱向位置的水平截面上，壓力分布存在明顯變化，闡明了道路車輛行駛時的相互氣動干擾。HOWELL等在對轎車與卡車模型進行的試驗中發(fā)現(xiàn)，超車過程卡車周圍的壓力場，特別是卡車前部，所呈現(xiàn)出的負荷響應(yīng)更為顯著。針對車輛相對位置這方面的研究，HOMOUD等通過Solid Works Flow得到4個超車位置的流場壓強和速度變化，并發(fā)現(xiàn)轎車在完成變道時出現(xiàn)最大阻力系數(shù)，但試驗選取位置較少，對超車的連續(xù)性變化規(guī)律研究存在局限性。NOGER等則通過試驗發(fā)現(xiàn)不同橫向間距和縱向間距對超車過程的氣動力和力矩產(chǎn)生明顯影響，但試驗?zāi)Ｐ瓦^于簡化，對試驗精度會產(chǎn)生一定影響。張世村在對兩個Ahmed模型進行仿真時發(fā)現(xiàn)，隨著橫向距離的變小，兩車之間的相互響應(yīng)變大，相應(yīng)的阻力系數(shù)就會變大。而吳允柱等則利用Ahmed模型探究了車速對超車過程的影響，研究表明，相對速度對主超車的影響較小，對被超車的影響較大，相同相對速度下，絕對速度較低的兩輛車存在更大的瞬態(tài)氣動響應(yīng)。邵南在進行超車過程的氣動特性研究時，引入了渦的概念，并提出邊緣旋轉(zhuǎn)圓柱法對尾部渦流進行優(yōu)化，闡述了渦流對超車過程的影響，對提高車輛氣動性能具有重要意義。

基于以上研究，本文對雙道超車過程中的流場變化做出分析，研究超車過程中壓力場、速度場以及渦的變化對各車輛的氣動力及風壓中心的影響，并分析不同車速在超車過程中對氣動力的影響，最后據(jù)研究結(jié)果給出相應(yīng)結(jié)論。

1 基本控制方程組

依據(jù)《道路交通安全法》第78條規(guī)定，道路行駛車輛最高車速不得超過120 km/h。本文選用汽車的最大行駛速度約為108 km/h，馬赫數(shù)約為0.088，小于0.4，可認為該風速范圍內(nèi)為不可壓縮流體，所以密度為常數(shù)，適用質(zhì)量守恒方程為：

動量守恒方程為：

能量守恒方程為：

式中：、和分別為速度矢量在、和方向上的分量；為流體微元上的壓力；為湍流粘性系數(shù)；為時間；S為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分；為流體力學(xué)傳熱系數(shù)；c為比熱容；為溫度。

在汽車空氣動力學(xué)中，通常用氣動力系數(shù)來描述汽車的空氣動力學(xué)特性。式（4）為側(cè)向力系數(shù)計算公式。

式中：為車身所受側(cè)向力；v為合成氣流相對速度；為汽車正投影面積。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型選取和計算域的確定

模擬選用某款SUV，原車尺寸為：長4 629 mm，寬1 898 mm，高1 655 mm，軸距約2.8 m。汽車質(zhì)量約1.8 t，正投影面積約2.7 m。按原車尺寸簡化為矩形，長用表示，寬用表示。車頭與車尾按照比例做圓角處理。為確保超車過程中車輛周圍的流場不受計算域的影響，將計算域長度設(shè)為40，寬設(shè)為20。各方案提前行駛一段距離再進入數(shù)據(jù)采集區(qū)域，保證氣體的充分流動。計算域和超車模型如圖1所示。

圖1 汽車模型和計算域

2.2 網(wǎng)格劃分

模擬采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，車身網(wǎng)格尺寸設(shè)定為0.1，計算域網(wǎng)格尺寸設(shè)定為0.6，目的是保證車身周圍網(wǎng)格密集些，遠離車身的網(wǎng)格疏松些，提高模擬過程車身周圍流場的精度。圖2為計算域網(wǎng)格模型，網(wǎng)格數(shù)約158 000個。

圖2 網(wǎng)格模型

2.3 計算域的設(shè)定

計算域右側(cè)為壓力進口，左側(cè)為壓力出口。求解器選用transient（瞬態(tài)求解器），計算采用-epsilon湍流模型，動網(wǎng)格參數(shù)選擇Smoothing（網(wǎng)格光順）和Remeshing（網(wǎng)格重劃分），Spring Constant Factor（彈性因子）設(shè)置為0.05。采用動網(wǎng)格進行數(shù)值模擬，當車輛發(fā)生位移時，需要對網(wǎng)格重新劃分，目的是為了保證較好的網(wǎng)格質(zhì)量。

2.4 雙道超車方案

3車均從右側(cè)向左行駛，carA為主超車，carB和carC為被超車，且速度相同，所有方案車輛間距一致。carB在主超車右前方，carC在主超車正前方，記carA的中心與carB的中心沿軸正方向的距離為，沿軸正方向的距離為。超車方案見表1。

表1 超車方案

3 仿真結(jié)果分析

3.1 壓力云圖分析

以case2為例進行壓力云圖分析，時間步長為0.000 5 s，時間步數(shù)為10 000步，每隔25個時間步采集一張圖片。并以行駛方向為正方向，規(guī)定carB在carA右側(cè)，carC在carA左側(cè)。圖中單位為Pa。

圖3 b、圖3a的放大圖，carA超越carB半個車身。通過觀察放大圖標記區(qū)域，carA右側(cè)存在一個壓強分布變化明顯的區(qū)域，兩車之間壓強由高壓向低壓過度，使carA右側(cè)車身受力不均。同時carA車頭左側(cè)與車尾右側(cè)的低壓區(qū)會加劇carA車身的扭轉(zhuǎn)趨勢，該位置carA車身存在逆時針橫擺力矩，有使carA繞垂直軸轉(zhuǎn)動的趨勢。carB也存在同向扭轉(zhuǎn)趨勢，引起carB車身橫擺角發(fā)生改變，影響carB的行駛穩(wěn)定性和駕駛安全。

圖3 雙道超車壓力云圖

carA車頭的正壓區(qū)已經(jīng)干涉carC車身右側(cè)壓強場，使carC右側(cè)壓強略高于左側(cè)，carC車身受力發(fā)生變化。

在超車過程中，該位置主超車carA與被超車carB存在同向扭轉(zhuǎn)趨勢，容易發(fā)生碰撞，存在一定危險性。

如圖3c、圖3d所示，carA右側(cè)受到carB前端正壓區(qū)影響，與carA左側(cè)形成較大壓強差，使carA車身兩側(cè)受力不平衡，對carA的行駛穩(wěn)定性造成影響。通過觀察放大圖的標記部分，carA車頭左側(cè)和carA尾部與carB車頭之間均存在負壓區(qū)，使carA車身存在逆時針扭轉(zhuǎn)趨勢，仍存在與carB剮蹭的風險。

隨著車輛相對位置的變化，carB與carA之間的負壓區(qū)減小，carB左側(cè)正壓區(qū)增大，車身兩側(cè)壓強差逐漸減小。

carA車頭正壓區(qū)開始干涉carC右側(cè)壓強場，導(dǎo)致carC右側(cè)壓強偏高，車身兩側(cè)壓強差變大，使carC車身受力增大。但carA距離carC車尾仍有半個車身，所以兩車出現(xiàn)碰撞的概率較小。

如圖3e、圖3f所示，此時carA車頭與carC車尾接近。carA右側(cè)壓強高于左側(cè)，放大圖標記處的小面積負壓區(qū)會使carA車頭兩側(cè)壓強差增大，carA行駛變得不穩(wěn)定，carA車頭存在向carC扭轉(zhuǎn)趨勢，對carA變道形成阻礙作用。

carC受carA正壓區(qū)影響，右側(cè)車身周圍呈現(xiàn)大面積正壓區(qū)，與左側(cè)的負壓形成較大壓強差，對carC的行駛穩(wěn)定性帶來不利因素。加之車尾負壓區(qū)的共同作用，使carC存在逆時針扭轉(zhuǎn)趨勢，可能引起carC車身偏離正常行駛軌跡，存在與carA車頭相撞的風險。

carB兩側(cè)壓強差逐漸減小，但車身左側(cè)仍然受到carA尾流影響行，兩側(cè)仍存在壓強差，車身受力仍存在不平衡。

如圖3g、圖3h所示，carA追上carC半個車身，carA與carC之間出現(xiàn)負壓區(qū)。放大圖標記處能夠看出carC右側(cè)前車身呈正壓區(qū)，后車身呈負壓區(qū)，使carC右側(cè)車身受力不均，高壓區(qū)將carC車頭向左側(cè)推，低壓將carC車尾向右側(cè)吸引，carC車身存在逆時針扭轉(zhuǎn)趨勢，產(chǎn)生影響carC直線行駛的橫擺角，carC存在跑偏現(xiàn)象。

由于兩車之間的負壓區(qū)，carA前車身兩側(cè)存在明顯壓強差，使carA車頭有向carC扭轉(zhuǎn)的趨勢，對carA變道形成阻礙作用。當兩車間距較近時仍存在剮蹭風險。

此時carA尾流對carB左側(cè)流場干擾已經(jīng)很小，carB基本恢復(fù)單車行駛狀態(tài)。

如圖3i所示，carA與carC車頭平齊。兩車之間存在負壓區(qū)，carC受負壓區(qū)影響車身會產(chǎn)生被吸近carA的趨勢。而carA此時仍然處于變道過程，為遠離carC的狀態(tài)，因此發(fā)生碰撞的概率較低。

如圖3j、圖3k所示，主超車carA在方向逐漸遠離carC，兩車之間的氣流干涉逐漸減弱。carA完全超過carC時，超車過程結(jié)束。

3.2 速度矢量圖分析

以case2的速度矢量圖進行分析，圖中單位為m/s。

圖4a為/=0.5時的速度矢量圖，此時carA右側(cè)氣流與carB左側(cè)氣流相互干涉，兩車之間形成一個流向復(fù)雜、流速較低的氣流干涉區(qū)，通過放大圖4b可知，由于carA右側(cè)與carB車頭氣流干涉，形成三向氣流相互沖擊現(xiàn)象，明顯降低了該處氣流速度，而carA左側(cè)此時存在緊貼車身且尺寸較大的渦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致carA前車身兩側(cè)受力不平衡。carA后車身與carB前車身之間形成的狹窄區(qū)域使流入該區(qū)域的氣流流速明顯變快，導(dǎo)致該處兩車車身相互吸引。該時刻carA兩側(cè)空氣流動狀態(tài)不平衡，對carA超車過程的穩(wěn)定性造成影響。

圖4 速度矢量圖

從圖4b中可以觀察到，carA和carB之間流出的氣流速度逐漸降低，一部分在carB尾部形成渦流，一部分與carA尾流融合，而此時carB右側(cè)存在尺寸較大的渦結(jié)構(gòu)，與carB左側(cè)小渦為非對稱狀態(tài)，導(dǎo)致carB兩側(cè)空氣流動狀態(tài)差異明顯，行駛變得不穩(wěn)定。carA和carB此時存在剮蹭風險。

隨著carA、carC在方向上的接近，carC右側(cè)氣流開始受到carA前端氣流影響，如圖4c所示，此時carC右側(cè)渦的渦心偏移，渦形狀由扁變圓，兩側(cè)渦變得不對稱，carC車身受力發(fā)生變化。

如圖4d為/=1時的速度矢量圖，carA完全超越carB。由放大圖4e可知，carA右側(cè)氣流與carB車頭氣流相互干涉，形成低速流區(qū)，且此時carA左側(cè)有兩個較大渦流，緊貼車身的渦呈扁平狀，尺寸較小，而遠一些的渦呈橢圓形，尺寸較大。此時carA車身兩側(cè)空氣流動狀態(tài)相差明顯，carA車身兩側(cè)形成較大壓力差，給carA變道帶來不利因素。

如圖4f所示，隨著carA在方向上與carB的距離拉開，兩車之間的快速氣流區(qū)域迅速減小，同時carB左側(cè)渦的渦心前移，兩側(cè)渦形態(tài)仍存在明顯差異，車身仍會受到兩側(cè)氣流狀態(tài)不平衡而產(chǎn)生的壓力差。

隨著carA與carC在方向上靠近，如圖4g所示，carA前端氣流加強對carC車身右側(cè)氣流干涉，carC車身右側(cè)渦的渦心繼續(xù)前移，渦形態(tài)由扁變圓，兩側(cè)渦形態(tài)變的不對稱，兩側(cè)氣流狀態(tài)失去平衡，使carC受力發(fā)生變化。

如圖4h所示，carA車頭與carC車尾平齊，由于carA車頭氣流的強烈干擾，此時carC右側(cè)渦消失。如圖4i所示，carC右側(cè)氣流呈低速流動狀態(tài)，而此時carC左側(cè)存在尺寸較大且緊貼車身的渦，導(dǎo)致carC車身兩側(cè)氣流流動狀態(tài)產(chǎn)生較大差異，carC兩側(cè)受力不平衡，行駛狀態(tài)變得不穩(wěn)定，可能產(chǎn)生橫擺角，影響其直線行駛。

而此時carA右側(cè)出現(xiàn)緊貼車身的強制渦流，如圖4j所示，carA前端氣流一部分沖擊在carC車身，一部分從兩車之間流向后方，在carA左側(cè)形成渦結(jié)構(gòu)，該渦尺寸較小，且渦心靠前，與carA右側(cè)渦形態(tài)差異明顯，使carA兩側(cè)受力不平衡。

同時carB左側(cè)受到carA尾流的干擾繼續(xù)減小，carB逐漸恢復(fù)單車行駛狀態(tài)。

如圖4k所示，carA追上carC半個車身，而carA與carB在方向上已經(jīng)存在一定距離，對carB的氣動干擾逐漸減小，carB車身受力逐漸減小，基本恢復(fù)穩(wěn)定行駛狀態(tài)。

如圖4l所示，carA前端流向兩側(cè)的氣流沖擊carC車身，流速降低，carA和carC之間的狹窄區(qū)域使流經(jīng)空氣速度加快，導(dǎo)致兩車相互吸引。流經(jīng)兩車之間的氣流一部分合入carC尾流，一部分與carA后方的反向流相互沖擊，使流速迅速降低。該時刻carA與carC之間形成一個空氣流速變化復(fù)雜的區(qū)域，使兩車行駛的穩(wěn)定性受到影響，產(chǎn)生橫擺角，增大兩車剮蹭風險。

如果產(chǎn)生的橫擺力矩具有減小橫擺角的作用，那么汽車具有穩(wěn)定的氣動特性。

如圖4m所示，carA車頭與carC平齊，兩車之間空氣流速明顯大于兩側(cè)，仍存在相互吸引趨勢，而carB前端氣流對carA尾流造成一定干擾，使carA尾流向左側(cè)偏移，但隨著carA、carC在方向上距離的拉開，危險系數(shù)大大降低。

如圖4n、圖4o所示，隨著carA變道的完成，carA與carB在方向上的距離和carA與carC在方向的距離均已拉開。3車之間的氣動干擾逐步減弱，最后3車恢復(fù)單車行駛狀態(tài)。

3.3 流線圖分析

湍流的一種特征就是旋渦，即流體中存在著的局部迅速旋轉(zhuǎn)的流體微元，并且這些流體微元處于不斷的形成、變化與被破壞過程中，并在此動態(tài)過程中消耗流場能量，使流場中的車身受力變得復(fù)雜多變，給車輛行駛穩(wěn)定性帶來影響。

圖5 速度流線圖

在/=0.5時，carB內(nèi)側(cè)存在1渦，該渦為緊貼車身的強制渦。由于主超車此時與carB較近，其尾流對carB內(nèi)側(cè)流場產(chǎn)生干涉，使1渦受到carA尾流的擠壓，形狀呈扁橢圓形，且尺寸較小。carB兩側(cè)渦形態(tài)此時很不對稱。隨著carA對carB的超越，1渦的渦心向前移動，尺寸逐漸變大，/=1.1時，1渦消失。1渦在超車過程中經(jīng)歷形狀、尺寸的變化，從形成到消失消耗流場能量，使carB的受力一直在變化。/=1.9時，主超車與carB已存在一定距離，1渦再次出現(xiàn)，carA的尾流對1渦影響越來越小，直至干涉消失，1渦回歸正常形態(tài)。

在/=0.5到/=2.0的過程中，carB左側(cè)渦的變化很活躍，是carB側(cè)向力變化的原因之一。

carA在超車時，車身兩側(cè)流場存在明顯變化。隨著車輛相對位置的變化，carA車身兩側(cè)的強制渦，2渦和3渦，也隨之變化。2渦受carC尾流影響，形狀較扁。carA運動至/=1.6時，2渦的渦心向車身后方移動，且形狀從扁逐漸變圓。/=1.9時，2渦消失。

3渦在/=1.2時出現(xiàn)，此時3渦尺寸較小，位于carA車身后部。隨著carA與carB的距離拉開，3渦尺寸逐漸變大。渦心向前移動，逐漸回歸正常形態(tài)。

在/=0.7時，carA外側(cè)約2 m處出現(xiàn)一個自由渦，4渦，該渦尺寸較大。隨著車輛的運動，4渦尺寸繼續(xù)變大。在/=1.3時，4渦消失。自由渦的渦心壓強較小，會對carA產(chǎn)生吸引力。

主超車carA周圍的大渦在/=0.5至/=2.0變化較為活躍，使其車身受力變化較為頻繁，是此過程carA車身側(cè)向力產(chǎn)生波動的重要因素之一。

在主超車carA不斷向carC靠近的過程中，對carC車身內(nèi)側(cè)流場影響越來越大。/=0.5時，carA距離carC在方向上為5 m遠，此時carC兩側(cè)渦形態(tài)正常。隨著carA的靠近，觀察到carC內(nèi)側(cè)的5渦有“起鼓”的現(xiàn)象，逐漸由緊貼車身的扁渦變成橢圓形渦。在/=1.3時，5渦消失。

在carA不斷接近carC的過程中，隨著5渦的消失，carC內(nèi)側(cè)壓強將逐漸變大，使carC側(cè)向力發(fā)生較大幅度變化，可能導(dǎo)致carC在行駛時出現(xiàn)偏離正常行駛軌跡的現(xiàn)象，對駕駛產(chǎn)生負面影響。

綜上所述，雙道超車過程中，車輛相對位置的變化將對車身周圍渦產(chǎn)生較大影響，從而影響車輛穩(wěn)定性，給車輛行駛帶來不利因素。所以，超車時渦的研究對駕駛安全具有重要意義。

3.4 側(cè)向力分析

雙道超車時，汽車的相對位置發(fā)生變化，側(cè)向力隨之改變。在特殊超車位置會使主超車和被超車的側(cè)向力產(chǎn)生較大波動，給車輛穩(wěn)定性和駕駛安全帶來不利因素。文中提及的側(cè)向力均為垂直車身的力。

如圖6所示，carA側(cè)向力在/=0.5至/=2.5過程中變化幅度很大。在/=1.0附近出現(xiàn)最大值。在/=1.0至/=2.0的過程中，主超車位于兩輛被超車之間，此區(qū)間流場變化相對復(fù)雜，使carA的側(cè)向力出現(xiàn)較為頻繁的波動，給超車過程的穩(wěn)定性帶來不利影響。

圖6 三車側(cè)向力系數(shù)C s變化圖

carB的最大側(cè)向力出現(xiàn)在/=0.5附近，此時的carB有被吸近主超車的趨勢，該位置屬超車過程的高危位置。隨著carA完成對carB的超越，carB受力急劇變化。在/=1附近，carB側(cè)向力出現(xiàn)了方向改變。當carA逐漸遠離carB后，carB受力逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。

隨著主超車的靠近，carC側(cè)向力逐漸增大。在/=1.75附近出現(xiàn)最大值。此時carA的車頭距離carC車尾較近，但隨著主超車在方向上對carC的超越，兩車方向上距離越來越遠，carC側(cè)向力在達到最大值后開始減小，在/=2.5附近，carC車身受力方向改變。當carA完成超車時，carC側(cè)向力最終趨于平穩(wěn)。

雙道超車使3輛車的氣動力產(chǎn)生強烈變化，且主超車在兩車之間時出現(xiàn)更為強烈的力的波動，所以，在進行雙道超車時，主超車在兩車之間時的危險性是非常高的。

3.5 風壓中心數(shù)據(jù)分析

雙道超車時，由于車輛之間的氣動干涉的隨機性，車身氣動力等效作用點會發(fā)生位置變化，即汽車風壓中心位置的變化，影響車輛行駛的穩(wěn)定性。以case3為例，圖中正值代表風壓中心相對質(zhì)心前移，負值則反之，對超車過程的風壓中心變化進行分析。

如圖7為3輛車行駛過程的風壓中心變化圖。在超車過程中，/=0至/=0.5，carA風壓中心由質(zhì)心后移到質(zhì)心之前，且位移量較大，給carA變道超車帶來不利因素。在/=0.5、/=1和/=1.5時，carA壓力中心向前偏移量較大，且/=2時出現(xiàn)最大向前偏移距離，對carA的行駛穩(wěn)定性造成一定影響。/=3時，carA壓力中再次移向質(zhì)心之后，而風壓中心的位置變化會對carA的變道行駛帶來一定干擾。

圖7 三輛車風壓中心位置變化

超車過程中，carB壓力中心在/=1時出現(xiàn)最大后移，其位置變化影響carB的行駛穩(wěn)定性。/=0.5時出現(xiàn)carB在行駛過程中唯一風壓中心前移，/=0.5至/=1過程中，carB風壓中心位移量較大，使該過程carB受力點變化較大。

由于carA的靠近而產(chǎn)生的氣動干擾，在/=2時carC風壓中心出現(xiàn)最大位移，對其行駛穩(wěn)定性造成一定影響，在/=2.5時，風壓中心后移，所以在/=2至/=2.5過程中，carC風壓中心從質(zhì)心前移動到質(zhì)心后，且位移量較大，使此過程carC的受力點位置變化幅度較大，對carC的行駛穩(wěn)定性造成一定影響。

表3為3車不同時刻的風壓中心位置、側(cè)向力及力矩方向變化情況?？梢钥闯觯瑥?=0到=3，carA車身均存在逆時針橫擺力矩，在/=1和/=1.5時，carA風壓中心位移和側(cè)向力較大，產(chǎn)生較大橫擺力矩，且在/=1附近，橫擺力矩達到最大值，表明/=1附近存在carA超車過程最不穩(wěn)定的位置，變道方向與力矩方向相反，容易引起車身振動，影響超車過程的穩(wěn)定性。

表3 不同位置車輛橫擺力矩方向

carB在行駛過程中，/=0時車身存在順時針橫擺力矩，而/=0.5至/=3.5均為逆時針橫擺力矩，在/=0.5附近carB所受橫擺力矩達到最大值，表明當carA超越carB半個車身時，會使carB產(chǎn)生較大逆時針扭轉(zhuǎn)趨勢，影響carB直線行駛的穩(wěn)定性，該位置為carB行駛過程中最不穩(wěn)定的位置。

carC在/=0至/=2.5行駛過程中，車身存在逆時針橫擺力矩，而/=3至/=3.5，車身則受到順時針橫擺力矩影響。/=1.5和/=2時，carC車身橫擺力矩較大，在/=1.5附近，carC所受橫擺力矩達到最大值，即carA車頭接近carC車尾時，carC出現(xiàn)較大逆時針扭轉(zhuǎn)趨勢。此時刻為carC行駛過程最不穩(wěn)定的位置。

4 不同車速對超車過程的影響

4.1 壓力云圖對比分析

根據(jù)上文側(cè)向力變化趨勢，分別選取carA，carB和carC的最大側(cè)向力位置壓力云圖進行分析。

由圖8a、圖8b對比發(fā)現(xiàn)，30 m/s時的carA車身右側(cè)呈現(xiàn)更高的壓強，且高壓區(qū)域面積更大，而車身左側(cè)同時出現(xiàn)更低的負壓，且負壓區(qū)更大，即30 m/s時的carA相比于20 m/s時的carA車身兩側(cè)出現(xiàn)更大的壓強差。表明速度越大，此時carA車身兩側(cè)壓強差越大，對超車越不利。不同車速時carA車頭左側(cè)與車尾右側(cè)均呈現(xiàn)出負壓區(qū)，且速度較大的carA呈現(xiàn)出更為明顯的負壓區(qū)，說明速度較大時，將使carA車頭產(chǎn)生更強烈的扭轉(zhuǎn)趨勢，對變道過程的穩(wěn)定性產(chǎn)生更多影響。

/=0.5附近出現(xiàn)carB的最大側(cè)向力，通過圖8c、圖8d的比較，發(fā)現(xiàn)速度的增大，使carA與carB之間出現(xiàn)壓強更低的低壓區(qū)。主要表現(xiàn)為車速越快，壓強越低，低壓區(qū)面積越大。表明隨著車速的增大，兩車之間壓強變低，carB扭轉(zhuǎn)趨勢越強烈，使carB更大幾率會出現(xiàn)逆時針橫擺角，影響carB直線行駛的穩(wěn)定性，更容易發(fā)生兩車相撞的風險。

且25 m/s時的carB前端呈現(xiàn)更高的壓強，高壓區(qū)面積更大，使carA前車身兩側(cè)產(chǎn)生更大壓強差，加強carA在變道行駛時的扭轉(zhuǎn)趨勢，使超車過程的危險性提升。

由圖8e、圖8f對比可知，carA速度增大，車頭正壓區(qū)面積和壓強明顯增大，使carC車身右側(cè)壓強明顯增大，同時，車速的增大使carC車尾右側(cè)與carA車頭左側(cè)之間的低壓區(qū)壓強降低，面積增大。速度的增大使carC車身兩側(cè)產(chǎn)生更大的壓強差，車身承受更大氣動力帶來的負荷，增大了carC偏離直線行駛的風險。

圖8 三輛車最大受力位置壓力云圖

4.2 最大側(cè)向力分析

如圖9所示，隨著車速的增長，主超車和被超車的最大側(cè)向力近似線性增長。從4個工況中比較主超車carA的最大側(cè)向力發(fā)現(xiàn)，case1比case2增長約74.2%，比case3增長約146.7%，比case4增長約215.4%。比較carB發(fā)現(xiàn)，case1比case2增長近72.6%，比case3增長近175.7%，比case4增長近315.2%。再比較carC，case1比case2增長近41.7%，比case3增長近105.8%，比case4增長近202.0%。

圖9 不同絕對車速最大側(cè)向力變化圖

綜上所述，在雙道超車過程中，車速的提高對被超車carB的影響最為明顯，其次是主超車carA，影響較小的是被超車carC。但從變化圖中可以看出，被超車carC在相同速度超車過程中的側(cè)向力是大于被超車carB的，所以3輛車經(jīng)過最大受力位置時，行駛穩(wěn)定性均會受到較大影響。

5 結(jié)論

（1）雙道超車過程中3輛車周圍的壓力場、速度矢量場和渦量場發(fā)生劇烈變化，且主超車在兩輛被超車之間時流場變化更為劇烈，對汽車行駛穩(wěn)定性和操縱穩(wěn)定性帶來負面影響。

（2）雙道超車過程，隨著主超車相對位置的變化，使3車周圍渦形態(tài)發(fā)生復(fù)雜變化，渦的變化是車輛氣動力變化的重要原因之一。

（3）車輛行駛時，側(cè)向力是影響行駛穩(wěn)定性的重要因素。在雙道超車過程中，隨著車輛相對位置的變化，/=0.5附近出現(xiàn)carB最大側(cè)向力，/=1.0附近出現(xiàn)carA最大側(cè)向力，/=1.75附近出現(xiàn)carC最大側(cè)向力值。

（4）通過對3輛車各位置的橫擺力矩進行分析，carA在/=1附近橫擺力矩達到最大值；carB在/=0.5附近達到最大值；carC在/=1.5附近達到最大值，即這3個位置分別為carA、carB和carC行駛過程中最不穩(wěn)定的位置。

（5）隨著絕對速度的增加，主超車與被超車所受最大側(cè)向力呈線性增長。車速的提升對被超車carB的影響最為明顯，其次是主超車carA，影響較小的是被超車carC。