瞬态超车气动仿真模拟研究

唐洪涛，苗秀奇，王君帅，陈广厚，曹 旭，董林源

（天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津 300222）

当汽车在高速超车时，车身周围的空气流场会产生强烈的气动干扰，致使车辆所受的气动力不断发生变化，进而严重影响车辆行驶时的稳定性和安全性，导致车辆发生偏移。因此，研究汽车超车过程中的气动特性具有非常重要的意义。

傅立敏等[1]在这方面做了大量工作，他们的汽车超车过程空气动力特性研究，为汽车超车、会车打下了坚实的基础，分为稳态超车、瞬态超车以及稳态和瞬态超车的对比。胡兴军等[2]运用滑移交界面和动网格的方法实现超车模拟，发现横向间距的变化，会导致气动力系数的变化。ZHANG Yingchao等[3]运用滑移交界面和动网格，完成轿车大客车会车时的气动特性研究，发现轿车气动力系数比大客车的变化大。贺宝琴等[4]应用动网格技术，完成复数车辆超车过程中的气动干扰特性研究，达到预期的试验目的，得到横摆力矩、侧向力和侧倾力矩、车速以及相对速度对复数车辆行驶稳定性和安全性的影响，提出超车时应该保证两车之间有安全的侧向距离。吴允柱[5]运用动网格技术完成了轿车超车过程的模拟，发现随着相对车速的改变，被超车的侧向力系数和横摆力矩系数呈线性增加。谷正气等[6]通过动网格技术和滑移交界面技术，对两辆车超车过程中的外流场进行了数值模拟，得到两车的阻力、侧向力的瞬态变化趋势，同时剖析了压力场和速度场变化规律，完成了轿车与卡车超车过程中的瞬态气动特性分析。杜广生等[7]进行了特定运动状态下车辆瞬态空气动力学特性的研究，完成了厢式货车超车过程的模拟，同时研究了隧道对超车过程车辆瞬态气动特性的影响，得到轿车、货车在开阔路面和单向双车隧道内，两种工况下超车过程的模拟，还对车辆的外流场进行了分析，找出隧道内超车过程中被超车和主超车的气动变化规律。

在上述研究的基础上，采用动网格技术，对不同纵向相对位置和不同行车间距下的瞬态超车过程进行数值模拟。与上述研究不同的是，选取几个超车过程的离散位置作为研究对象，结合瞬态压力云图、速度矢量图和气动力变化曲线，重点分析超车过程中气动力的变化、流场的变化，并从中得出相关规律。

1　数值模拟

1.1　基本控制方程

质量守恒方程：式中：ρ为密度；t为时间；µ、υ、ω分别为速度矢量µ在x，y和z方向的分量。

动量守恒方程：

能量守恒方程：式中：Cp为比热容；T为温度；κ为流体的传热系数；ST为黏性耗散项；µ为动力粘性系数。

1.2　汽车模型的建立

选用某款运动型多用途汽车（SUV），在前处理中对汽车原几何模型中的复杂结构进行了一定的简化，方便超车过程的研究。汽车模型的底部进行了简化，去掉了传动轴、门把手、雨刮器等部件，对底盘、车轮轮辋、车窗进行光滑和平整化处理，方便数据分析。保留轮胎、车窗的凹槽等较为明显的几何特征，对地面与轮胎的交界处进行了特殊处理，后视镜作为主要参考保留下来，最大限度地保留车外形的原始特征。该款SUV的三视图如图1所示。

图1　汽车模型三视图

1.3　超车模型和计算域的建立

被超车的几何模型和主超车的几何模型，都是选用相同的某SUV车型。为了方便表达，被超车用B car表示，主超车用A car表示，整个计算域为长方体，如图2所示，入口至B car前部为6L，出口至A car为5L。被超车到侧面距离为3W，主超车到侧面距离为4W，车顶到计算域的顶部为5H，计算域的总长为13L，总宽为10W，L表示车长，W表示车宽，H表示车高。瞬态超车的示意图如图3所示。

图2　瞬态超车的计算域

图3　瞬态超车示意图

1.4　边界条件的设置

超车方案的边界条件和初始条件设置见表1。

表1　超车方案的边界条件和初始条件设置

2　瞬态超车方案设计

2.1　瞬态超车模型坐标系的建立

瞬态超车坐标系的建立，将汽车的行驶方向定义为X轴，与其垂直的方向定义为Y轴，两辆车在行驶方向上，从主超车A的前部到被超车B的尾部，之间的纵向距离记为x，两车之间的横向距离记作y，如图4所示。这两个距离分别用被超车的车长L和车宽W来标准化，A、B两车的速度分别被标记为V1和V2。

图4　瞬态超车坐标图

在X方向上，当A车距B车一个车位时，记为-1，当到达B车的尾部时，记为0，当到达B车半个车位时，记为0.5，当A车与B车并行时，记为1，当A车超过B车半个车位时，记为1.5，当A车超过B车一个车位时，记为2。

在Y方向上，同时设计三个横向位置，它们之间的间距分别为：0.6 m、0.9 m、1.2 m，这三个距离分别占车宽W的1/3、1/2、2/3。

2.2　超车方案设计

本次超车过程的仿真模拟，主要探讨三方面的因素：（1）汽车纵向位置的变化对超车过程的影响。（2）汽车横向距离对超车过程的影响。（3）不同超车速度对超车过程的影响。仿真结果截取的平面为Z=0。瞬态超车设计方案见表2。

表2　瞬态超车的设计方案

3　瞬态超车结果分析

3.1　纵向相对位置变化对瞬态超车过程的影响

3.1.1流场分析

由图5可知：A、B 两车的压强对称分布，由于A车的速度大于B车，所以A车附近的负压区远远大于B车附近的负压区，而且A车前部、后部的压强也比B车的压强大。此时A车的前进气流逐渐对B车尾部产生影响，出现小面积的正压。

图5　超车在x/L=-1，y/W=1/2位置时，汽车表面压力云图

当A车继续前行，到达B车尾部时，由图6可知：A车气流在B车中部产生局部正压区，A车干扰侧受到B车尾部流场的作用出现不对称的现象，同时B车尾部的正压区正在逐渐消失。

图6　超车在x/L=0，y/W=1/2位置时，汽车表面压力云图

当A车与B车并行时，由图7可知：B车完全处于A车的负压区中，由于B车车身长度的原因，B车干扰侧与开阔侧压力呈现不对称的状态。在A车尾部出现卡门涡街，A车的尾流逐步被拉长，呈逐渐减小的趋势，直至消亡；B车干扰侧的流场有往前运动的趋势，造成B车尾涡呈现不规律变化。

图7　超车在x/L=1，y/W=1/2位置时，汽车表面压力云图

当A车尾部与B车头部平齐时，由图8可知：B车前部正压区受到A车干扰侧气流的影响，正压区有缩小的趋势，A车尾部负压与B车干扰侧气压出现相连的现象，A车尾部流场受到B车干扰侧的影响，导致A车尾部出现尾流紊乱的现象。

图8　超车在x/L=2，y/W=1/2位置时，汽车表面压力云图

当A车超出B车一个车身时，如图9所示，A、B两车之间的相互影响几乎没有，A、B两车的流场逐步恢复到各自对称的状态。

图9　超车在x/L=3，y/W=1/2位置时，汽车表面压力云图

随着超车纵向位置的变化，A、B两车的外流场不断变化，两车由原始正压相互排斥，到两车并行中间负压相互吸引，最后两车压力流场互不干扰。

3.1.2气动力分析

汽车超车过程中，作用在汽车上的力，随着汽车纵向位置的变化而不断变化，其中有三个变量变化比较大，阻力、侧向力以及侧倾力矩。为了更好地分析各个气动力的变化，截取Z=0平面，各个纵向位置的速度矢量图。

由图10可知：运动车辆带动周围空气运动，在汽车周围形成一个运动流场区域，这些流场区域导致汽车气动力不断发生变化。

图10　超车过程中，汽车表面速度矢量图

由图10和图11可知：超车前，两车的流场彼此独立，随着纵向位置的不断变化，两车之间的流场相互作用不断增强。当A车与B车相距一个车身时，由于A车车速大于B车车速，受到B车的影响，A车的阻力有明显增大的趋势；当A车逐渐接近B车时，受到B车负压区的影响，A车的阻力开始下降，而B车阻力受到A车前进气流的影响，B车阻力有所减小。

超车时，当A车到达B车尾部，可以看出B车阻力有一个迅速增大的过程，A车阻力受到B车尾流的影响，A车阻力开始有减小的趋势；当A车到达B车的中部位置时，B车所受的空气阻力最大，A车阻力基本没有变化；当A车与B车并行时，B车进入A车的负压区，B车空气阻力逐渐减小，同时由于A车速度大于B车，A车推动空气前行，所以A车的空气阻力逐渐增大；当A车超过B车半个车身时，A车所受的空气阻力继续增大，并且在此时达到最大值，B车前方气流正好处于A车负压区内，此时B车的空气阻力最小。

超车后，当A车超过B车一个车身时，A、B两车之间的气流影响几乎没有，所以A、B两车所受的空气阻力逐步趋于稳定。

图11　A、B两车超车过程阻力图

由图10和图12可知：当A车与B车车头平齐时，A、B两车头部正压区连在一起，A、B两车中后部，由于空气的快速流动，两车之间出现负压区，此负压区对B车有巨大的“吸引力”，同时B车开阔侧的压力远远大于干扰侧的压力，使B车在此位置达到负向最大侧向力，此时对于B车来说，行车最危险。当A车超过B车半个车身时，B车受到A车负压区的影响逐渐减小，所以B车的侧向力开始逐渐减小，由于A车干扰侧气流突然增大，导致A车受到B车的“推力”达到最大值，因此，A车在此位置负向侧向力达到最大。随着A、B 两车继续前行，B车开始逐步受到A车影响，A车尾部气流对B车头部气流影响变大。当A车尾部超过B车头部时，B车受到A车尾部气流的影响，B车侧向力有一个增大的趋势，此时B车侧向力达到正向最大值。由于A车速度大于B车，所以A车尾部并没有受到B车正压区的影响，开阔侧压力大于A车干扰侧压力，因此，A车侧向力也开始增大，并在此时侧向力达到正向最大值。

图12　A、B两车超车过程侧向力图

由图10和图13可知：当A、B两车相距一个车身时，A车向前行驶，由于A车受到B车尾部正压区的影响，导致A车有远离B车向外倾斜的趋势，此时B车受到A车前方正压区的影响，B车也有远离A车向外倾斜的趋势，直到两车并行。

当A车到达B车尾部时，受到B车尾部负压区以及干扰侧负压区的影响，A车有向B车倾斜的趋势，此时B车远离A车的趋势达到最大。当A车超过B车半个车身时，B车一直受到A车干扰侧的影响，B车有向A车倾斜的趋势，这种趋势持续到A车与B车并行时结束。

从A车超过B车半个车身开始，A车一直受到侧向力的影响，A车有远离B车向外倾斜的趋势。A车继续前行，当超过B车一个车身时，由于A车侧向力发生改变，导致A车有远离B车倾斜的趋势，B车两侧的气压逐步趋于稳定，并且B车倾斜的趋势逐渐减小，直至A车完全超过B车。

随着纵向相对位置不断变化，侧向力有不稳定上下波动的变化趋势，侧向力和侧倾力矩分别有极值出现。侧向力第一次正向最大值出现在x/L=0时，负向最大值出现在x/L=1时，第二次正向最大值出现在x/L=2时。同时侧倾力矩存在正负变化，并伴有极值出现，A车侧倾力矩第一次正向最大值出现在x/L=0时，而B车侧倾力矩正向最大值出现在x/L=0.5时，A、B两车侧倾力矩负向最大值都出现在x/L=1.5时，A、B两车侧倾力矩第二次正向最大值出现在x/L=2.5时，行车稳定性受到很大影响。

图13　A、B两车超车过程侧倾力矩图

3.2　不同间距下超车过程气动特性模拟

根据《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》关于道路宽度的规定[8]，当两车分别在各自车道正中心行驶时，两车的超车间距约为1倍车宽。因此，设置在速度VA=30 m/s、VB=15 m/s不变的情况下，两车分别以1/3W、1/2W、2/3W三种间距进行模拟，重点探究两车车头平齐时的瞬态气动特性变化以及流场变化，因为很多超车事故都是在近距离超车时发生的。

由图14～16可知，随着间距的增大，两车压力流场的变化更加明显，具体表现为：两车压力流场的影响范围增加，头部正压区面积增大，两车干扰侧的负压区，随着间距的减小，干扰现象更加明显，负压区相互重叠产生了更低的压力场，同时在汽车尾部，随着间距的减小，尾部负压区的面积和数值在不断增大。

图14　VA=30 m/s、VB=15 m/s，x/L=1/3W时的压力云图和速度矢量图

图15　VA=30 m/s、VB=15 m/s，x/L=1/2W时的压力云图和速度矢量图

图16　VA=30 m/s、VB=15 m/s，x/L=2/3W时的压力云图和速度矢量图

由图17a可知：A车阻力的整体变化趋势基本相同，间距由1/3W到1/2W的过程中，A车阻力并没有很明显的变化，但是由1/2W到2/3W的过程中，可以明显看出，A车阻力受到间距的影响，开始下降。由图17b可知：随着两车间距的减小，B车阻力不断增大，阻力曲线的整个变化趋势也基本相同。

图17　两车气动阻力变化曲线

由图18可知：A车侧向力曲线的变化趋势基本相同，但是当A车与B车并行后，A车的阻力没有增大，反而减小，这是因为A车距离B车越近，A车前面的正压区范围越大，B车对A车的影响就越小。从B车侧向力变化曲线中可以看出，B车侧向力随着间距的减小，有明显增大的趋势，而且曲线的变化趋势基本相同。

图18　两车侧向力变化曲线

由图19a可知：A车随着间距的减小，侧倾力矩的变化十分明显，两车间距从1/2W到2/3W时，随着间距的增大，A车侧倾力矩减小。而在两车间距为1/3W时，A 车受到间距的影响比较大，整个曲线波动比较剧烈，相比A车的侧倾力矩，B车更加具有规律性。

A、B两车的气动力，随着横向间距的不断变化，呈现不同的变化趋势，其中侧向力呈现不稳定波动的变化趋势，随着间距的减小，侧向力数值不断增加。侧倾力矩整体变化趋势基本上相同，部分曲线随着间距的减小，侧倾力矩数值有所增大，波动曲线呈现无规律变化。

图19　两车侧倾力矩变化

3.3　不同速度下超车过程气动特性模拟

相对速度不同的情况下，保持两车之间的间距(1/2W)不变，A车以不同的速度超过B车，B车速度保持VB=15 m/s不变，A车以不同的速度，VA=25 m/s、VA=28 m/s、VA=30 m/s超过B车，研究两车之间的流场变化、气动力变化，从而得出相应的规律[9]。

由图20～22可知：随着相对车速的增大，A、B两车之间的负压区越来越大，B车受到的阻力、侧向力都会随着速度的增大而增大。对于A车来说，随着车速的增大，干扰侧负压区受到B车的影响，相比开阔侧负压区数值有所减小，因此，随着车速的增大，A车侧向力、阻力也都有所增大。

图20　x/L=1/2W，VA=25 m/s时的压力云图和速度矢量图

图21　x/L=1/2W，VA=28 m/s时的压力云图和速度矢量图

图22　x/L=1/2W，VA=30 m/s时的压力云图和速度矢量图

图23　三种速度下，间距为x/L=1/2W时两车阻力变化

图24　三种速度下，间距为x/L=1/2W时两车侧向力变化

图25　三种速度下，间距为x/L=1/2W时两车侧倾力矩变化

由图23～25可知：A车阻力、侧向力都随着A车速度的增加，数值不断增大；B车阻力、侧向力也随着A车速度的增加，数值不断增大。随着A车速度的增大，A、B两车的阻力、侧向力、侧倾力矩都在不断变化，侧向力呈现不稳定波动。侧向力第一次正向最大值出现在x/L=0时，负向最大值出现在x/L=1时，第二次正向最大值出现在x/L=2时。同时侧倾力矩存在正负变化，并伴有极值出现，A车侧倾力矩正向最大值出现在x/L=0时，而B车侧倾力矩正向最大值出现在x/L=0.5时，A、B两车侧倾力矩负向最大值都出现在x/L=1.5时，行车稳定性受到很大影响。

4　结论

（1）通过对不同纵向位置、横向间距、超车速度的研究发现，随着横向间距的减小和超车速度的增大，气动力和压力场都有所增加。

（2）随着超车位置的不断变化，侧向力在超车前后会呈现不稳定波动的变化曲线，改变速度和间距，侧向力变化趋势基本相同。

（3）在行车过程中，在对相同车型进行超车时，为了提高行车安全，超车速度应该适当减小，并且主超车不应该在超车过程中增加超车速度，这样对被超车的影响比较大，容易出现交通事故。

（4）侧向力在极短的超车过程中有极值出现，而且方向发生了改变，侧向力第一次正向最大值出现在主超车A刚好到达被超车B的尾部时，负向最大值出现在主超车A和被超车B车头平齐时，第二次正向最大值出现在主超车A刚好离开被超车B时。

（5）侧倾力矩在极短的超车过程中也有极值出现，而且方向发生了改变。A车侧倾力矩正向最大值出现在主超车A刚好到达被超车B的尾部时，而B车侧倾力矩正向最大值出现在主超车A到达被超车B中部时，A、B两车侧倾力矩负向最大值都出现在主超车A超过被超车B半个车身时。

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