汽车队列行驶气动特性数值模拟

罗建斌 吴量 苗明达 黄煜

摘 要：随着高速公路和智能交通系统的快速发展，开展汽车队列行驶的气动特性研究具有重要意义.本文对等间距的3车队列行驶的气动特性进行了数值模拟，并研究了车间距对其气动特性的影响.模拟结果表明：相比单车行驶情形，3车队列行驶的各车均有一定的减阻效果，其中尤以中间车和尾部车的更显著.简化的二维数值分析虽然忽略了车底部以及顶部的气流流动，但仍可为后续的真实车体绕流流动分析提供借鉴和参考.

关键词：汽车队列；气动特性；数值模拟；气动干扰

中图分类号： U270.1；U271.91 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.01.002

0 引言

随着我国社会经济的快速发展，国内高速公路也得以迅猛发展.截止2017年7月，全国高速公路里程已达131×103 km，跃居世界第一.为了降低尾气排放和提高燃油经济性以及运输效率，在智能交通系统中常常采用汽车队列行驶模式.在汽车跟随行驶时，由于两车间距缩小，前后汽车产生较强的气动干扰，其气动特性发生明显的变化，这将影响到汽车的燃油消耗特性和行驶特性.因此，开展汽车队列行驶的气动特性研究具有重要的实际意义.目前国内外对于汽车队列行驶的气动特性研究较少.傅立敏等[1]研究车辆前后间距及队列中车辆数目对气动阻力系数的影响.王靖宇等[2]以智能车辆的MIRA简化模型作为研究对象， 采用移动地面边界条件， 对单车和队列行驶状态下的汽车外流场进行了数值模拟研究.谷正气等[3]利用计算流体力学方法对一辆小轿车尾随一辆集装箱车的过程进行了数值模拟， 得到了小轿车的气动阻力系数和气动升力系数相对变化关系.

1 数值模型及计算工况

本文在进行队列行驶气动特性的数值研究中，为简化计算，只考虑二维情形.汽车行驶速度为25 m/s，设车宽作为特征长度的外流场的流动雷诺数Re =2.93E6，马赫数Ma =0.074，远远小于0.3.因此，可将汽车队列行驶的绕流流场简化为不可压缩、粘性、不考虑换热的二维非定常流动.在数值模拟中选用可实现的k-ε湍流模型；因此，需要求解连续性方程、动量方程、 湍动能方程和耗散率方程[4-6].图1为单车的几何模型，图中L为车长，W为车宽，R为圆角半径（单位：mm）.经过反复试算，最终确定的外流场计算区域如图2所示. 根据来流方向，从前往后，依次为第一辆汽车01、第二辆汽车02、第三辆汽车03.为保证流动充分发展，尾部流场长度设置为15 L，明显大于前部长度以及两侧宽度5 L.整个模拟过程中，考虑3车跟随情形，两车间等间距Δd分别为0.5 L、0.75 L、1.0 L、1.25 L、1.5 L、2.0 L.

整个计算域采用图3所示的结构化四边形网格离散.为满足壁面函数的要求，车体壁面加有细密的边界层网格.

为了求解队列行驶汽车的绕流气动参数，必须给定与流动物理现象实际情况相符的正确边界条件. 表1为流动计算的边界条件设置.在数值计算中，首先以定常计算结果作为初始解开始非定常计算.计算时间步长为0.001 s，单步中迭代次数为20.迭代一定时间待监测的气动力系数出现准周期变化后再计算一定的时间步以作为最终的计算结果.

2 仿真结果及分析

2.1 车间距对气动特性影响

在数值计算处理中，参考面积为1.76 m2，参考速度为25 m/s，特征长度取车宽1.76 m，垂向长度按1 m计算.通过非定常计算可以获得3车队列行驶的各车气动特性的时程变化关系.图4、图5分别为车间距Δd=1.5 L时的阻力系数及侧向力系数随时间变化的历程.阻力系数和侧向力系数均表现出一定的准周期变化，反映出二维队列行驶的汽车外部流场的非定常性.

为了考虑队列行驶的减阻效果，特与单车行驶工况进行比较.图6为3车队列时阻力系数随车间距的变化趋势，其中，横坐标和纵坐标均无量纲化，分别为车间距与车长之比、队列行驶时的阻力系数与单车行驶的阻力系数之比.该图中反映出在3车队列行驶时，在车间距为2倍车长以下，各车阻力均有不同程度的下降，其中尤其以中间车和尾部车的减阻效果更明显.对于头部车，车间距在1倍车长以下时减阻较明显，但随着车间距增加到1倍车长以上，阻力虽然有所降低，但基本上变化很平缓.尾部车的阻力系数也表现出与头部车相同的变化趋势.中间车处于头部车的尾流区域，同时也处于尾部车的正压区域，因此，其阻力系数的变化更加复杂，甚至出现了负阻力的变化.

2.2 平均流场分析

为了了解以上气动阻力系数随车间距的变化规律，主要从车体外部绕流的流场结构来进行观察.图7—图10为单车行驶及车间距Δd =0.5 L、1.0 L、2.0 L四種情形的流场压力分布云图和流线图.单车行驶时，汽车头部出现了较大的正压区，而尾部则出现了较大的负压区，因此，车体受到较大的气动阻力作用.当队列行驶的车间距Δd =0.5 L时，由于间距较小，3车似乎形成一个整体，中间车前后的压差很小，阻力系数相应地很小.同时，相对于单车行驶，头部车和尾部车的阻力系数均有所下降.随着间距的增加，气流逐渐渗透到车与车的间隙处，在车间隙之间有明显的流线经过.当车间距Δd =2.0 L时，中间车远离了头部车的负压区，因此，对其尾部流场的干扰较小，头部车的阻力系数有所回升.尾部车的正压区由于中间车的干扰明显弱于单车行驶情形，因此产生了一定的降阻效应.

图11、图12分别为车间距Δd =0.75 L时中间车和尾部车与单车行驶的车体截面的平均静压比较.从静压分布图可以看出，相对于单车行驶情形，车间距Δd =0.75 L时中间车沿着Y方向的压差积分面积远远大于前者，从而反映出中间车车体阻力有显著下降.对于尾部车，其压差的积分面积相比单车行驶要小很多，但其差值要大于中间车车体，因此，队列行驶时中间车的减阻效应要明显大于尾部车.

图13为Δd =2.0 L时头部车、中间车及尾部车的车体截面的平均静压比较.当车间距增加到2倍车长时，头部车、中间车、尾部车均有一定的减阻效果.从其积分面积的大小可以看出，减阻效果从大到小依次为中间车、尾部车和头部车.图14—图16分别为车间距Δd =0.5 L、Δd =1.0 L时头部车、中间车及尾部车的车体截面的静压比较.从两种车间距的静压比较可以看出，随着间距的增加，头部车和尾部车的减阻效果有所下降，而中间车的负阻力有所增加.

3 结论

通过以上的数值模拟分析可以得出以下3点主要结论：

1）二维队列行驶的汽车外部流场表现出较强的非定常性，阻力系數和侧向力系数均呈现出一定的准周期变化.

2）3车队列行驶时，相比单车行驶工况，各车阻力均有不同程度的下降，其中尤其以中间车和尾部车的减阻效果更明显.

3）简化的二维分析忽略了车底以及车顶的气流流动，可能放大了其气动特性，但仍可为后续的队列行驶真实车体绕流流动的气动分析提供借鉴和参考.

参考文献

[1]傅立敏， 吴允柱， 贺宝琴. 队列行驶车辆的空气动力特性[J]. 吉林大学学报（工学版）， 2006，36（6）：871- 875.

[2]王靖宇， 刘畅， 李胜，等. 队列行驶三辆汽车外流场的数值模拟[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）， 2007，26（5）：138-141.

[3]谷正气， 龚旭， 贾新建，等. 轿车尾随集装箱车外流场计算仿真分析[J]. 湖南大学学报（自然科学版）， 2009，36（1）：30-34.

[4]罗建斌，胡爱军. 高架桥声屏障高度对列车气动特性影响的数值模拟[J].计算物理， 2012，29（1）：65-72.

[5]王福军.计算流体动力学分析[M]. 北京：清华大学出版社， 2006.

[6]罗建斌，胡爱军，粟腾超. 声屏障高度影响列车气动特性的数值研究[J].广西科技大学学报， 2014，25（3）：14-20.

Abstract： With the rapid development of the freeway and intelligent traffic system， the study on the aerodynamic characteristic of vehicle platoon is of great significance. With three vehicle platoon under the equal separation distance， the numerical simulation of vehicle aerodynamic performance has been carried out. The influence of spacing on its aerodynamic characteristic has also been studied. The simulation result shows that there is more drag reduction effect than a single vehicle when running in three vehicle platoon. It is more remarkable for the middle and rear car particularly. The simplified two-dimension numerical analysis has neglected the air flow on the bottom and the top of vehicle， but it can still provide references for the flowing of realistic vehicle.

Key words： vehicle platoon； aerodynamic characteristic； numerical simulation； aerodynamic interruption

（学科编辑：张玉凤）