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)

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：

式中：u为速度矢量；t为时间；φ为通用变量，可以代表u，v，w和T等求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。对于特定的φ，Γ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κ-ε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。

[1] 谷正气. 汽车空气动力学[M]. 北京: 人民交通出社, 2005:80-115.GU Zheng-qi. Automotive aerodynamics[M]. Beijing: China Communications Press, 2005: 80-115.

[2] 傅立敏. 汽车空气动力学数值计算[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2001: 150-160.FU Li-min. Numerical calculation of automotive aerodynamics[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press,2001: 150-160.

[3] 赵伟, 魏朗, 张韦华. 汽车超车并行工况下侧向避撞控制策略研究[J]. 郑州大学学报: 工学版, 2008, 29(1): 83-87.ZHAO Wei, WEI Lang, ZHANG Wei-hua. Research of control strategy on avoiding automobile side collision under parallel overtaking condition[J]. Journal of Zhengzhou University:Engineering Science, 2008, 29(1): 83-87.

[4] 贺宝琴. 复数车辆超车过程中的气动干扰特性研究[D]. 吉林:吉林大学汽车工程学院, 2005: 55-60.HE Bao-qin. Study of aerodynamic interference characteristics during multi-vehicle overtaking process[D]. Jilin: Jilin University. College of Automotive Engineering, 2005: 55-57.

[5] 谷正气, 姜波, 何忆斌, 等. 基于SST湍流模型的超车时汽车外流场变化的仿真分析[J]. 汽车工程, 2007, 29(6): 494-496.GU Zheng-qi, JIANG Bo, HE Yi-bin, et al. Numerical simulation on the change of external flow field during vehicle overtaking based on SST turbulence model[J]. Automotive Engineering,2007, 29(6): 494-496.

[6] 郑昊, 康宁, 蓝天. 两车间距对超车过程轿车气动特性的影响[J]. 北京航空航天大学学报, 2008, 34(4): 460-464.ZHENG Hao, KANG Ning, LAN Tian. Effect of spaces between cars on aerodynamic characteristics of cars in overtaking process[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2008, 34(4): 460-464.

[7] 傅立敏, 吴允柱, 贺宝琴. 超车过程的车辆气动特性仿真研究[J]. 中国机械工程, 2007, 18(3): 621-624.FU Li-min, WU Yun-zhu, HE Bao-qin. Simulation research on automotive aerodynamic characteristics during the overtaking process[J]. China Mechanical Engineering, 2007, 18(3):621-624.

[8] 王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京: 清华大学出版社,2004: 11.WANG Fu-jun. Analysis of computational fluid dynamics[M].Beijing: Tsinghua University Press, 2004: 11.

[9] 吴允柱, 贺宝琴, 傅立敏. 车速对超车车辆瞬态气动特性的影响[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2007, 37(5): 1009-1013.WU Yun-zhu, HE Bao-qin, FU Li-min. Influence of velocity on transient aerodynamic characteristics of overtaking and overtaken vehicles[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2007, 37(5): 1009-1013.

[10] Corin R J, He L, Dominy R G. A CFD investigation into the transient aerodynamic forces on overtaking road vehicle models[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2008, 96: 1390-1411.

[11] 周伟, 谷正气. 超车情况下外流场计算仿真分析与研究[J].汽车工程, 2005, 27(3): 344-346.ZHOU Wei, GU Zheng-qi. Simulation analysis and study on external flow field around vehicle in overtaking[J]. Automotive Engineering, 2005, 27(3): 344-346.

[12] 黄向东. 汽车空气动力学与车身造型[M]. 北京: 人民交通出版社, 2000: 91-93.HUANG Xiang-dong. Automotive aerodynamics and body styling[M]. Beijing: China Communications Press, 2000: 91-93.

[13] Azim A F, Gawad A F. A flow visualization study of the aerodynamics interference between passenger cars[C]//Society of Automotive Engineers (SAE) 2000 World Congress Vehicle Aerodynamics. Detroit: SAE, 2000: 1-12.

[14] 傅立敏, 扶原放. 轿车并列行驶湍流特性的数值模拟[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2005, 35(4): 358-362.FU Li-min, FU Yuan-fang. Numerical simulation on characteristics of turbulent flow around two driving side-by-side[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2005, 35(4): 358-362.

[15] Noger C, Regardin C, Szechenyi E. Investigation of the transient aerodynamic phenomena associated with passing manoeuvres[J].Journal of Fluids and Structures, 2005, 21: 231-241.