汽车侧风稳定性的双向耦合方法研究

谷正气，丰成杰，陈阵，黄泰明，谭鹏

(1.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；2.湖南工业大学，湖南，株洲 412007)



汽车侧风稳定性的双向耦合方法研究

谷正气1，2，丰成杰1，陈阵2，黄泰明2，谭鹏2

(1.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；2.湖南工业大学，湖南，株洲 412007)

基于汽车空气动力学与系统动力学双向耦合提出了一种Fluent与Matlab的在线耦合算法. 并对侧风工况下某微型面包车的气动以及稳定性进行研究. 汽车在9 m/s的稳定侧风环境下行驶1 s，双向耦合方法相对于传统的单向耦合方法计算得到的汽车侧向位移、侧向力、横摆力矩分别减小3.3%，4.8%，17.8%，相应的汽车侧向速度、横摆角速度等的差距都超过了6.0%. 并且这种差距会随着作用时间的增加逐渐增大. 结果表明：车辆运动状态受气动力的影响不能忽视；汽车的侧向力并不一定随着横摆角变大而增大，要综合考虑汽车的侧向速度与横摆角速度的影响；双向耦合方法建立了汽车空气动力学与系统动力学之间的紧密联系，得到的结果更加切合实际.

汽车空气动力学；系统动力学；双向耦合；微型面包车

侧风最大的危害是影响汽车行驶稳定性，由此引起的安全事故屡见不鲜，因此针对高速汽车侧风行驶稳定性的研究具有重要的意义.

目前，针对侧风环境下高速行驶汽车气动特性以及行驶稳定性的研究，有静态和动态两种研究方法，主要通过风洞试验与数值计算方法实现[1]. 静态研究方法一般只为获得汽车的气动特性，方法是将汽车模型偏转不同角度以模拟不同来流方向的侧风，以此研究侧风大小及方向对车辆气动特性的影响[2-4]. 动态研究方法中实验法比较局限，如动态横摆模型，牵引模型[5-8]等都只能得到汽车运动对其气动特性单方面的影响，忽略汽车气动特性对汽车运动的影响. 动态研究方法中数值计算方法可以通过耦合空气动力学与汽车系统动力学建立汽车运动与周围流场之间的关系. 但是空气动力学与汽车系统动力学分属两个领域，耦合起来相当困难. 传统的单向耦合方法是将汽车在流场中一段时间所受到的气动力作为输入加载到汽车系统动力学环境中，研究气动力对汽车系统动力学的影响，忽略了汽车运动对气动力的作用.

针对上述问题，文中提出了一种基于Fluent与Matlab的双向数据交换方法，实现了汽车空气动力学与汽车系统动力学双向耦合. 文中主要从空气动力学模块、系统动力学模块以及耦合模块来详述耦合步骤，并通过与传统的单向耦合方法作对比，详细地分析了两种方法对于侧风下高速行驶车辆的气动特性，以及方向稳定性研究存在差异的机理.

1 CFD仿真计算

1.1 控制方程

Realizablek-ε模型引入了有关旋转和曲率的内容. 能有效地应用于包括旋转均匀剪切流、射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动等不同类型的流动模拟，其输运方程为

(1)

(2)

式中：ρ为流体密度；xi、xj为坐标轴分量；μ为流体的黏度；ut为时刻t时的速度；ui、uj为速度分量；t为时间；k为湍动能系数；ε为涡黏性系数；σk、σε分别为关于k与ε的湍流普朗特施密特数；Gk为关于k的经验公式；E、C1、C2、v均为常数，由实验确定.

1.2 侧风模拟方法

文中用合成风法来模拟运动车辆受侧风的情形，如图1所示.

合成风法的主要思想是车辆与气流运动的相对性. 具体操作步骤：将车辆与坐标系偏转一个角度，入口的速度分别赋值vx、vy. Fluent会自动将来流在入口方向合成一股气流v. 这种侧风模拟方法与实验方法得到的结果更相符[8].

1.3 计算域及网格划分

在UG软件中建立微型面包车的1∶1实车模型，由于涉及车辆网格运动，文中对模型表面的一些细小附件进行适当的简化处理，以减少网格数量，提高网格质量(文中中简化了后视镜，侧窗等部位).

CFD计算域为长方形：入口距车前端3倍车长，出口距离车尾部10倍车长，两侧向壁面距离汽车均为15倍车宽(见图1)，域的高度为10倍车高. 计算域如图2所示.

文中用ANLYS ICEM软件对流体域划分网格，考虑到汽车外形的复杂性，所以选用贴体性好的四面体网格，同时对汽车周围的扰流区进行多层加密. 车身表面抽取高度为1 mm的棱柱网格，提高近壁网格质量. 如图3所示.

1.4 计算设置

计算设置主要包括边界条件设置、动网格以及其他相关设置. 压力出口的参考压力为0，速度入口vx=30 m/s，vy=9 m/s.

文中先用Realizable方程进行稳态计算7 000步，使所有残差都收敛到10-4以下，再改用瞬态求解. 用UDF编译的控制程序实现网格运动，运动区域是car，运动类型为钢体. 动网格实现方法选择Smoothing与Remeshing 方法. 迭代的时间步长为0.005 s，迭代200步，总时间为1 s.

1.5 风洞实验验证

文中通过1∶3原模型风洞试验与原模型Realizablek-ε稳态数值计算对比，验证计算方法的准确性.

风洞实验工况：30 m/s，0°～12°，每3°采集一次数据. 计算工况同上，各个偏角的对比数据如图4所示.

实验与数值计算的趋势大体相同，误差随着偏角的增大而逐渐减小，其中最大误差为5.7%，最小误差为3.5%，横摆力矩的误差也基本上在此范围内. 误差存在的原因为：当侧风比较小时，横摆力矩与侧向力的数值本身就比较小，极微小的波动就会造成比较大的误差；在湍流模型选取或者参数设置的时候，不止考虑与侧风直接相关的侧向力和横摆力矩，同时还要兼顾汽车其他的气动特性；实验过程中可能存在模型安装等问题对实验数值造成干扰. 而工程上认为误差5%左右是可信的. 综上所述，认为实验结果是可信的，计算方法合理.

2 车辆运动学建模

文中侧重研究侧风状态下高速行驶汽车的气动特性、行驶方向稳定性. 建立的二自由度模型认为汽车只有侧向运动与横摆运动两个自由度，只考虑轮胎的侧片特性，忽略轮胎的其他运动、悬架、转向、传动等因素的影响. 汽车受到的空气作用侧向力与横摆力矩为输入，其值均由Fluent计算提供. 轮胎型号为175/65R14. 文中通过对实验数据的拟合，认为轮胎偏转4°以下，轮胎侧偏力与偏角的关系可用表示，初始轮胎侧偏角为0°. 最终的二自由度模型为

X′=AX+BU,Y=CX.

式中：X=[β ωu]T,Y=[vyωr]T分别为系统变量和输出矩阵；ωr为汽车横摆角速度；kf为前轮侧偏刚度；kr为后轮侧偏刚度；β为质心侧偏角；Iz为汽车绕z轴的转动惯量；u为汽车行驶的速度(文中的车速恒定);vy为汽车侧向行驶速度;a为质心距前轴的距离;b为质心距后轴的距离;A，B，U，C分别为前轮系统的状态矩阵、输入矩阵、外界输入、输出矩阵.

3 Fluent与Matlab双向耦合方法

通常按照汽车空气动力学与系统动力学的耦合关系可分为双向耦合和单向耦合. 单向耦合是传统的研究侧风汽车稳定性的方法，以文中研究的Fluent与Matlab耦合而言，是先在Fluent中计算汽车在侧风环境下1s所受到的空气作用侧向力Fy与横摆力矩Mz，将Fluent每一步计算结果作为输入加载到Matlab里. 传统单向耦合研究汽车侧风稳定性时，只考虑Fluent对Matlab的单方面影响，没有考虑汽车运动与周围流场的紧密作用关系. 使得该方法的准确性受到质疑.

文中研究基于Fluent与Matlab的双向耦合算法. 汽车空气动力学部分用Fluent计算，系统动力学部分用Matlab计算，耦合实现方法如图5所示.

通过编程，Fluent与Matlab都被赋予两个状态：计算状态、扫描状态. 在Fluent稳态计算结束以后，开启瞬态计算. 首先在得到t=0.005 s时的汽车侧向力Fy与横摆力矩Mz后，将Fy与Mz存入目标文件夹，Fluent关闭计算状态，进入扫描状态. 在此之前Matlab一直处在扫描状态，当扫描到目标数据后，扫描状态终止，进入计算状态，将得到的车侧向速度vy与横摆角速度ωr，通过DEFINE_CG_MOTION函数将当前时间步的速度vy与ωr赋给汽车壁面(边界类型wall)，实现壁面运动，同时启动动网格，实现汽车周围网格更新，再计算当前时间步汽车受到的Fy与Mz，如此往复. 计算步骤如图6所示.

4 计算结果与分析

4.1 工况设置

文中选择较为常见的5级侧风，风速为9 m/s. 同时参考人的反应时间与机械转动时间，设置侧风环境汽车行驶的时间为1 s.汽车行驶速度设为30 m/s.

4.2 瞬态气动力与车辆稳定性计算结果

车身表面压力云图如图7～图8所示. 在初始时刻汽车表面的压力云图变化不大，随着时间的增长迎风面与背风面车身表面压力都有明显的变化. 迎风面的正压区逐渐减小，变化区域较大. 背风面的正压逐渐增大，变化区域较小. 图9～图12分别为双向耦合与单向耦合方法得到的汽车瞬态侧向力、横摆力矩、侧向速度，以及横摆角速度的时间曲线. 由曲线的走势可知两种方法之间的相对差距，会随着侧风的增大和作用时间的增长而变大.

4.3 结果分析

双向耦合计算时，汽车由于受到气流的作用会发生侧向移动，横摆运动. 所以就会产生侧向位移与横摆角度. 随着转角的变大，来流与车的夹角就会变大. 理论上汽车受到的侧力与横摆力矩会随着时间增大而逐渐增大，但是图9～图10显示的汽车侧力与横摆力矩的变化趋势并非如此. 为了说明分析的可靠性，作者做了另外两个计算进行对比验证：车辆在气流的作用下只做平动；车辆在气流的作用下只做转动. 计算得到的侧向力与横摆力矩分别如图13～图14所示. 通过对比发现：汽车转动的确会使侧向力变大，横摆力矩绝对值变大；汽车平动会使侧向力变小，横摆力矩绝对值变小. 对于此模型还可看到，汽车的平移运动对侧向力与横摆力矩的影响要明显大于汽车转动对它的影响. 侧风环境下影响汽车侧力与横摆力矩主要有两个因素：汽车侧向速度、横摆角度. 无人为干涉的情况下，汽车的侧向速度与横摆角度都会随着侧风作用时间的增加而增加，最后趋于恒定侧向速度的方向与侧风的方向相同，会减小侧风与汽车间的相对速度从而减小侧向力；此模型的质心相对靠后，在侧风的作用下汽车与来流间的夹角会慢慢变大，从而增大侧向力.

图11说明t=0.2 s以前横摆角度的影响占主要地位，t=0.2 s以后侧向力开始变小，汽车侧向速度的影响占主要地位. 由图13可知t=0.2 s以前侧向速度的变化较为平缓，在t=0.2 s以后侧向速度变化迅速. 由图14可知，在整个时间段内，横摆角速度的变化基本上是线性的，汽车侧向速度与横摆角速度的存在不仅会改变侧力的大小，还会影响风压中心的位置，因此横摆力矩的绝对值一直减小.

5 结 论

通过双向耦合方法计算得到的汽车瞬态侧向力与横摆力矩与单向耦合方法得到的结果对比，分别相差4.8%与17.8%，侧向总位移相差3.3%，横摆角度、横摆角速度、侧向速度相对差距都超过了6%. 究其原因应为单向耦合在Fluent计算时未考虑汽车受侧风作用而产生运动状态的变化. 而双向耦合考虑了汽车运动状态的改变，认为双向耦合方法来分析汽车侧风稳定性更符合实际.

侧风状况下汽车高速行驶时侧向力与横摆力矩并不一定随着汽车横摆角的增大而增大，需要考虑横摆角速度与汽车侧向速度双重叠加的影响.

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(责任编辑：孙竹凤)

Research on the Two-Way Coupling Method for Vehicle in Crosswind Condition

GU Zheng-qi1，2，FENG Cheng-jie1，CHEN Zhen2，HUANG Tai-ming2，TAN Peng2

(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body of Hu’nan University，Changsha， Hu’nan 410082; 2.Hunan University of Technology， Zhuzhou, Hu’nan 412007, China)

An on-line arithmetic was presented, coupling fluent with Matlab method, based on two-way coupling method of aerodynamics and system dynamics of vehicle to analysis the stability of a van in transient crosswind conditions. Compared with conventional analysis method, the new method achieves obvious results, when the van runs in crosswind condition of 9 m/s for 1 second, the final lateral displacement, force and yaw moment has a respective reduction of 3.3%、4.8% and 17.8%，the corresponding slip velocity, yaw velocity have a relative difference more than 6%. Moreover the gaps will enlarge with the time increasing. The analysis results indicate that, it should not be ignored that the aerodynamics has an effect on the state of vehicle moving; it is necessary to consider synthetically the effect of yaw and slip velocity, because the lateral force to vehicle is not always increase with yaw angle increasing; two-way coupling method has set up a close combination between aerodynamics and system dynamics of vehicle, being more suitable to actual circumstance.

aerodynamics of vehicle; system dynamics; two-way coupling method; van

2015-06-24

中央财政支持地方高校专项资金资助项目(0420036017)；湖南大学汽车先进设计与制造国家重点实验室自主课题资助项目(734215002)

丰成杰(1991—)，男，硕士生，E-mail:1216027052@qq.com.

谷正气(1963—)，男，教授，E-mail:1062607041@qq.com.

U 461.1

A

1001-0645(2016)09-0923-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.09.008