侧风作用下弯道行车安全速度阈值的仿真研究

刘　洋，宇仁德，宋林潇

(山东理工大学交通与车辆工程学院， 山东淄博255049)



侧风作用下弯道行车安全速度阈值的仿真研究

刘洋，宇仁德，宋林潇

(山东理工大学交通与车辆工程学院， 山东淄博255049)

摘要：以获得弯道行驶车辆在侧风作用下的安全行驶速度阈值为目的，基于对车辆在侧风环境下弯道行驶时所受外力及力矩进行分析，建立车辆安全行驶需满足的数学模型，通过建立1∶1东风标致301轿车模型设置不同工况进行流体仿真，得到各工况下弯道行车所受气动力和力矩，根据数学模型计算得出侧风作用下弯道行车安全行驶速度阈值，对安全驾驶与高速公路限速提供一定参考。

关键词：弯道行驶；侧风；流体仿真；速度阈值

0引言

道路交通系统由“人—车—路—环境”这一闭环系统组成，而对于侧风产生的不良影响，驾驶员一般较难及时做出正确的反应和操作，对于驾驶员反应时间的确定与预警问题也尚在研究当中[1]，因而除去具有不稳定性的主观操作部分，客观要素对于行车安全的影响也就更加重要。

研究显示，对于轿车行驶安全影响，车速与风速影响都非常显著[2]，国内外长期侧重于研究侧风对汽车系统的稳定性，以检验汽车设计性能的好坏[3],较少涉及道路系统和侧风大环境对汽车行驶安全的影响。近年来，国内学者针对跨海大桥这一特殊道路构造上的风力影响行驶安全做了一些研究，研究更加侧重道路线形设计的影响，未深入考虑侧风作用时产生的气动力及力矩对行车安全的影响，得出的参数结果多是对于道路弯道圆曲线半径设置的建议，并没有直接对驾驶员速度操作提供合理参照。弯道被视作道路线形中最为复杂的构造之一，一直是道路交通事故的多发地段。据统计，道路交通事故中约有11%的交通事故是发生在弯道上。另有研究表明，当汽车行驶速度较高时，其对侧风的敏感性将有很大的提高[4-5]，而汽车尾流分离会导致升力扰动产生，升力影响到汽车与地面的附着力，威胁车辆行驶安全[6-9]。高速公路上行驶车速一般较高，因而针对与高速公路弯道路段遭遇侧风作用的行驶安全研究就十分有必要。研究者利用Ansys软件建立模型，以不同风速与车速影响下车辆侧滑距离作为行车安全评估指标，将其作为行车安全级别划分标准，但车辆在行驶过程中侧滑危险仅仅是影响行车安全的一个要素，研究较为片面，且安全评估的等级划分对于驾驶员行车安全并没有直接的约束力，因此结合仿真模拟得出的侧风作用下产生的气动力以及力矩，研究车辆在弯道行车时可能发生的两种危险车况，对车辆的安全行驶速度阈值做出界定，可以为驾驶员安全行车速度提供直观的数据参考，并对高速公路限速提供一定帮助。

1车辆弯道行驶数学模型

1.1弯道行车侧滑数学模型

图1　侧风作用下弯道车辆受力Fig.1　Forces acting on the vehicle on curve under crosswinds

侧风作用于弯道路段行驶汽车时，考虑所受侧向力、离心力共同作用，此时其合力若大于汽车与地面的附着力，汽车将会发生侧向滑移，影响驾驶员正常驾驶，如若操作不当，极易引起事故。汽车弯道行驶水平受力如图1，其中R为弯道半径，V侧风为侧风速，V车为车辆行驶速度，V∞为合成速度，Fi为汽车所受离心力，FS为侧向力，G∂为汽车重力分量，Ft为侧向附着极限，β为侧偏角。

为保证汽车行驶不发生侧滑危险，则汽车在侧风环境下的弯道行驶时应满足式(1)和式(2)。

Fi+Fy+G∂≤Ft，

(1)

即:

(2)

其中ρ为大气密度，A为汽车迎风截面面积，CS为侧向力系数，α和α′分别为道路纵向与横向坡度，μy为汽车附着系数。

鉴于侧风作用方向的不确定性，因此当侧风产生的侧向力为图1的反方向时，式(1)和式(2)中侧向力代入计算时应取负。

1.2弯道行车侧翻数学模型

对于弯道中行驶的汽车，当侧风作用产生的升力、侧向力以及行驶时产生的离心力和车辆本身重力分力的作用点离地面有一定距离，因此相对于车辆与地面接触点易产生不利于行驶安全的侧倾力矩，当侧倾力矩和大于汽车自重产生的力矩大小时，车辆则会发生侧倾事故，为保证汽车行驶不发生侧倾危险，则汽车在侧风环境下的弯道行驶时应满足式(3)和式(4)：

Mi+My+ML≤MG,

(3)

即：

其中Mi、My、ML、MG分别代表离心力、侧向力、升力与汽车自重产生的力矩，H、B分别代表车高与车身宽度，CL为气动升力系数，CRM为侧向力侧倾力矩系数。

2湍流模型的选择

高速行驶车辆对于侧风敏感性较高，在目前的设计水平下车速不会高于声速，因此汽车的周边流场可以看作三维不可压缩粘性等温流场，汽车外形较为复杂容易引起分离，所以应该按湍流处理[9]。

标准k-ε模型适用于完全湍流流场，其局限性是对于大曲率流线模拟或雷诺数较低的情况会产生较大误差。针对标准k-ε湍流模型的不足，RNGk-ε模型调整了湍动粘度，而Realizablek-ε模型加入和曲率与旋转相关要素，保证雷诺应力与真实的紊流流动相符[10]，更加适应于各种类型的湍动模拟，因此采用Realizablek-ε模型，其控制方程为式(5)和式(6)：

(5)

(6)

图2　东风标致301轿车模型Fig.2　Dongfeng Peugeot 301 model

3仿真模型的建立

3.1几何模型建立

选用东风标致301轿车模型如图2所示，选用Gambit来构建三维模型，模型总长为4 442 mm，宽度为1 748 mm，高度为1 466 mm，对汽车细节部件进行了一定简化，建立标志301轿车模型。

3.2仿真计算域设置

图3　仿真计算域Fig.3　Simulation computation domain

从理论上讲，只有从无限的距离计算车外边界才是最为精确的，但在实际计算中，模型位于一个禁区，若根据施加的入口和出口边界条件要求的数值计算，流场应对车辆的影响最小，考量计算时间与精度，车辆与出口设置间距应较大，即计算域设计为前后不对称，在这个规模下的计算域进行模拟，汽车将不再受流场计算域的大小影响。其详细尺寸设定为：

汽车的前部计算域长：3L=3×4 442 mm=13 326 mm；

汽车的侧面计算域宽：4.5W=4.5×1 748 mm=7 866 mm；

汽车的上部计算域高：4H=4×1 466 mm=5 864 mm；

汽车的后部计算域长：6L=6×4 442 mm=26 652 mm。

汽车所在计算域如图3所示。

该计算域设置两个入口，分别表示车速与风速入口。一般情况下汽车在高速公路行驶车速在60～120 km/h，考虑侧风对于高速车辆影响较大，选取25 m/s，27.8 m/s和30.6 m/s三个较高车速作为仿真车速；而自然风速一般在10 m/s以内，即风力等级在5级风以下，而风速较低时对车辆行驶安全威胁不大，因而选用5 m/s，7.5 m/s和10 m/s分别代表风力等级为3级、4级、5级的侧风风速作为仿真风速，各工况设置如表1所示。

表1　仿真工况设置

图4　计算域网格划分Fig.4　Grid design of computation domain

3.3计算域网格划分及边界条件设置

为了获取更好的计算精度，对靠近车体的空间采用六面体结构网格划分，并进行一定加密处理，此外的计算域采用的是四面体网格划分。计算域网格划分如图4。

边界条件设置：

①设置车体前面的面和右侧面为速度入口边界，分别表示车速与侧风风速。压强设置为大气压，温度为300 K，湍流强度k为0.04，湍流耗散率ε为0.025。

②设置车体后面的面为压力出口边界，相对于大气压的压力为0；其他面设置为wall。

③设置车体表面为wall，车身表面为壁面，各方向速度均为0。空气的密度ρ为1.225 kg/m3，动力粘度μ为1.789 4×10-5kg/ms 。

3.4网格独立性验证

在用Fluent进行数值模拟时，网格的数量和质量对计算结果影响很大。若网格数量太少，则达不到所要求的精度；若网格划分过于密集，则对计算内存要求较高，且计算时间会增加，因此确定网格划分的数量是一个关键问题。目前对于这个问题，普遍采用网格的独立性验证，在划分网格时，对于侧风作用于车辆的计算域，采用4种划分方案，并以车辆以工况1仿真得出的气动升力系数大小变化作为评价标准，计算结果见表2。

表2　不同网格划分计算结果对比

从表2可以看出，方案2的结果相对于方案1相对变化已经小于2%，再继续细化网格对计算结果影响不大，因此方案2不仅满足了计算所要求的精度，而且避免了网格数过多而导致计算时间过长的问题，因此选用方案2的网格划分。

4仿真结果分析

4.1气动力系数计算结果

汽车在行驶过程中，车速与侧风风速的大小方向共同决定了汽车所受合成风速的大小与方向，在9种工况下，最大合成风速高达32.2 m/s等同于11级暴风，其对汽车行驶安全必将产生恶劣影响，经过仿真计算将结果整理如表3所示。

表3　气动系数结果

通过表3数据可知，车速恒定风速增加与风速恒定车速增加两种情况都会导致升力系数与侧向力系数的增大，且侧向力系数变化较大，说明侧风增大对侧向力改变更加明显。图5，图6和图7分别代表了工况1、2和9的模拟环境下，汽车周围流场的压力云图，可以更加直观的比较风速与车速改变对汽车周边流场的影响。

图5车速25 m/s,风速5 m/s 压力云图

Fig.5Speed 25 m/s wind 5 m/s

pressure cloud graph

图6车速25 m/s,风速7.5 m/s 压力云图

Fig.6Speed 25 m/s wind 7.5 m/s

pressure cloud graph

图7　车速30.6 m/s,风速5 m/s流场压力云图Fig.7　Speed 30.6 m/s wind 5 m/s pressure cloud graph

由图5和图6的横向对比可看出汽车行驶速度恒定，侧风速提高时，车身前右侧区域负压增大，而左侧压力则有提升，导致侧向力的增大；而车顶负压也明显增加，因而汽车所受升力也较风速较低时有一定增加。

比较图5和图7可进行纵向对比，当侧风恒定时，随着汽车车速的增加速，车身前右侧区域负压显著增加，因此导致侧向力的显著增大；而车顶压力显著降低，因而汽车所受升力也较车速较低时有了显著增大。

4.2行车安全验证

道路条件也是影响汽车在侧风天气行车安全的一个重要因素，根据《规范》选取无风天气圆曲线最小半径1 000 m，道路横向坡度2%，纵向坡度2%，天气为晴天，道路条件为干燥沥青路面，汽车附着系数即道路的摩擦因数为0.6[11]，东风标致301轿车，车重1 206 kg,利用流体仿真软件的模拟，将仿真得出的9种工况下的气动力系数等代入式(2)和式(4)，对9种工况下汽车行驶安全情况进行实例计算，表4为9种工况下汽车行驶安全情况。

表4　各工况行车安全情况

综合9种工况可以归纳提出以下两点侧风环境下弯道行车建议：

①当风速在7.5～10 m/s时，行驶速度应低于100 km/h，否则会发生侧滑危险，影响驾驶安全。

②当风速在10 m/s以上，在弯道的行驶速度建议低于110 km/h，以保证行驶的安全。

5结语

①侧风作用下，汽车的侧向力变化最为剧烈，因而对车辆行驶安全威胁也较大，侧向力过大会直接造成汽车在行驶过程中产生侧滑的危险情况。当风速高于7.5 m/s时，弯道行驶速度建议低于100 km/h。

②在弯道条件设置一致的情况下，通过仿真软件计算出各种工况下汽车所受气动力系数，进而代入弯道行车的两种数学模型，确定不同强度侧风作用下安全行车的速度阈值，但研究过程中设置试用的弯道半径等物理信息比较单一，有必要继续深入结合实际道路中弯道的不同半径，坡度，以及不同路面条件，并将工况设置进一步细化，以得出更加精确的安全行驶速度阈值，通过弯道限速以及导航提示等手段，为驾驶员的安全驾驶提供一定参考，保证驾驶质量。

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(责任编辑唐汉民梁碧芬)

Simulation study on safe travel speed threshold of curve lane under crosswinds

LIU Yang, YU Ren-de, SONG Lin-xiao

(School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract:In order to find the safe travel speed threshold of a curve lane under crosswinds, by analyzing the external forces and momentson avehicle which traveled on a curve laneunder crosswinds, a mathematical model satisfying safe travel was constructed. A Dongfeng Peugeot 301 car model with a scale of 1∶1 wascreated, and different operationconditions wereconsidered for a fluid simulation, which gavethe aerodynamic forces and moments acting on the modelon a curve lane under various operationconditions. With this model, the safe speed threshold wasfound for a vehicle traveling on curve lane subjected to crosswinds, and some references for safe driving and freeway speed limit were offered.

Key words:traveling on curve; crosswinds; fluid simulation; speed threshold

中图分类号：U491.254

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)02-0506-06

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0506

通讯作者：宇仁德(1965—)，男，山东烟台人，山东理工大学副教授;E-mail：yrd65@sina.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61573009)

收稿日期：2015-11-15；

修订日期：2015-12-15

引文格式：刘洋，宇仁德，宋林潇.侧风作用下弯道行车安全速度阈值的仿真研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(2)：506-511.