于偉靖,張英朝,任琳琳,蘇 暢
重型商用車間歇性側(cè)風(fēng)氣動(dòng)特性仿真
于偉靖,張英朝,任琳琳,蘇 暢
(吉林大學(xué),汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春 130022)
車輛進(jìn)出側(cè)風(fēng)帶的瞬間氣動(dòng)特性的變化規(guī)律對(duì)其行駛產(chǎn)生重要影響,本文中利用STAR-CCM+軟件中的重疊網(wǎng)格技術(shù),對(duì)某型重型商用車通過城市道路中不同間隔的連續(xù)建筑物形成的長寬比小于1的側(cè)風(fēng)帶這一過程進(jìn)行了空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬,研究了其行駛過程中氣動(dòng)特性的變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn):兩建筑物之間形成的不同長寬比的側(cè)風(fēng)帶對(duì)重型商用車的流場和氣動(dòng)特性均有劇烈影響,橫擺力矩變化率高達(dá)35.6kN·m/s,隨著長寬比的增加,氣動(dòng)力的峰值也增大。
重型商用車;空氣動(dòng)力學(xué);數(shù)值模擬;間歇性側(cè)風(fēng)
重型商用車的外形特征使車的穩(wěn)定性不可忽視側(cè)風(fēng)的影響,況且在運(yùn)輸過程中會(huì)經(jīng)歷多種不同的側(cè)風(fēng)環(huán)境,其中連續(xù)建筑物形成的非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)帶會(huì)使車體持續(xù)處于側(cè)風(fēng)有無的變化中,這對(duì)于重型商用車的行駛穩(wěn)定性有嚴(yán)重影響[1-2]。針對(duì)于側(cè)風(fēng)對(duì)車輛的影響,國內(nèi)外的研究已取得較多成果。文獻(xiàn)[3]中研究了奧迪100轎車的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)側(cè)風(fēng)的影響;文獻(xiàn)[4]中對(duì)側(cè)風(fēng)條件下的客車參數(shù)進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[5]中用數(shù)值仿真方法研究了賽車進(jìn)入一次短距側(cè)風(fēng)區(qū)域時(shí)瞬態(tài)空氣動(dòng)力的變化;文獻(xiàn)[6]中用動(dòng)力學(xué)軟件Trucksim仿真研究了側(cè)風(fēng)對(duì)高速汽車穩(wěn)定性的影響;文獻(xiàn)[7]中研究了穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)下汽車外流場氣動(dòng)特性。車輛行駛在間歇性側(cè)風(fēng)帶的瞬態(tài)特性研究是影響汽車穩(wěn)定性的重要研究方向。
結(jié)合國內(nèi)某型號(hào)重型商用車,采用數(shù)值仿真模擬研究了不同建筑物間隔形成的不同寬度側(cè)風(fēng)帶對(duì)重型商用車周圍流場的影響,得出了重型商用車在此類非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)下氣動(dòng)特性的變化規(guī)律,為重型商用車的側(cè)風(fēng)特性研究提供了又一參考依據(jù),對(duì)其行駛穩(wěn)定性的研究有重要的參考意義。
本文中以重型商用車在側(cè)風(fēng)下通過城市道路連續(xù)建筑物為研究背景[8],模擬方案如圖1所示。建筑物間隔(按車輛行駛方向由左向右)分別取3/4L,L和5/4L(L為車長,L=12m),使建筑物之間形成不同長寬比的側(cè)風(fēng)通道,長寬比依次為0.562 5,0.75和0.937 5。建筑物模型[9]的幾何尺寸如圖2所示,其長寬高分別為28,16和17m。圖3為重型商用車的數(shù)字模型[9],其長度為12m,最大寬度為2.5m,高度為3.5m。仿真過程中,采用空氣動(dòng)力學(xué)參考點(diǎn)描述氣動(dòng)力矩[10],如圖4所示。其中A為空氣動(dòng)力學(xué)參考點(diǎn),a為軸距,a=6.5m,迎風(fēng)面積為8.75m2。
圖1 模擬方案示意圖
圖2 建筑物尺寸示意圖
圖3 重型商用車的數(shù)字模型
圖4 空氣動(dòng)力學(xué)參考點(diǎn)位置示意圖
2.1 網(wǎng)格方案
仿真研究采用重疊網(wǎng)格來實(shí)現(xiàn)車輛在路面行駛通過側(cè)風(fēng)帶的情況,車體的運(yùn)動(dòng)類型為平移。主域采用切割體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,建筑和車身進(jìn)行了適當(dāng)加密處理,表面最小網(wǎng)格尺寸為5mm,體網(wǎng)格數(shù)量為796萬。從域采用“三棱柱邊界層網(wǎng)格+六面體切割體”混合網(wǎng)格模型,車身表面利用邊界層網(wǎng)格進(jìn)行加密[11],邊界層厚度為2cm,邊界層數(shù)量為6,表面最小網(wǎng)格尺寸為5mm,體網(wǎng)格數(shù)量為502萬。圖5為計(jì)算域和車身網(wǎng)格分布情況。
使用商用軟件STAR-CCM+進(jìn)行計(jì)算,其具有計(jì)算結(jié)果精確、收斂性好的特點(diǎn)[12]。
圖5 計(jì)算域網(wǎng)格分布
2.2 邊界條件設(shè)置
根據(jù)大多數(shù)城市中的風(fēng)況,研究中選用10m/s的側(cè)風(fēng)風(fēng)速(用入口速度實(shí)現(xiàn)),相當(dāng)于5級(jí)風(fēng),車輛行駛速度選15m/s[12]。主要邊界條件設(shè)置如表1所示。
表1 邊界條件設(shè)置情況
采用動(dòng)網(wǎng)格仿真方法,模擬車輛從靜止以穩(wěn)定速度向前行駛的實(shí)際情況。為使重型商用車周圍的流場能夠達(dá)到穩(wěn)定,需要對(duì)重型商用車處于開闊路段(與圖1中方案唯一的不同點(diǎn)是沒有建筑物)時(shí)的氣動(dòng)特性進(jìn)行仿真研究,圖6為重型商用車行駛于開闊路段(有側(cè)風(fēng))從靜止開始行駛時(shí)氣動(dòng)六分力系數(shù)(阻力系數(shù)Cd、升力系數(shù)Cl、側(cè)向力系數(shù)Cs、橫擺力矩系數(shù)Cym、縱傾力矩系數(shù)Cpm和俯仰力矩系數(shù)Crm)隨時(shí)間的變化圖。從圖6中可知,當(dāng)重型商用車行駛了1.2s左右,各項(xiàng)氣動(dòng)系數(shù)才趨于穩(wěn)定,即整個(gè)計(jì)算域處于均勻的氣流分布狀態(tài),下文中結(jié)果分析均以2s開始,保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
3.1 氣動(dòng)力系數(shù)和氣動(dòng)力矩系數(shù)分析
圖7為重型商用車的行程和時(shí)間示意圖。圖中標(biāo)示了重型商用車通過每條側(cè)風(fēng)通道過程中的特殊位置[13],其中雙點(diǎn)劃線表示重型商用車完全處于建筑物背風(fēng)側(cè);虛線表示車身前半部分處于側(cè)風(fēng)通道中,而后半部分處于建筑物背風(fēng)側(cè);實(shí)線表示車身中部正對(duì)側(cè)風(fēng)通道;點(diǎn)劃線則表示車身前半部分處于建筑物背風(fēng)側(cè),而后半部分處于側(cè)風(fēng)通道中。車輛以15m/s的速度行駛,全程210m,歷經(jīng)14s。
圖6 開闊路段氣動(dòng)六分力系數(shù)變化圖
圖7 行程時(shí)間和特殊位置示意圖
圖8 分別為重型商用車全程的阻力系數(shù)Cd、側(cè)向力系數(shù)Cs和橫擺力矩系數(shù)Cym變化圖。
與其他類型車輛相比,載貨車的阻力系數(shù)Cd更容易受偏航角的影響,即Cd值隨著偏航角的增加而增大[14]。這解釋了圖8(a)體現(xiàn)的現(xiàn)象,當(dāng)車身開始駛?cè)雮?cè)風(fēng)通道后,側(cè)風(fēng)速度迅速增加,從而偏航角隨之增大,進(jìn)而阻力系數(shù)也會(huì)增大。但在前后建筑物遮蔽作用下形成的流場會(huì)互相干擾,Cd值波動(dòng)較頻繁。從圖8(b)和圖8(c)中可以看出,側(cè)向力和橫擺力矩系數(shù)的變化受側(cè)風(fēng)影響明顯,并呈一定的規(guī)律性,即車體連續(xù)通過多個(gè)建筑物及側(cè)風(fēng)通道過程中,氣動(dòng)系數(shù)變化具有重復(fù)性。當(dāng)重型商用車駛?cè)虢ㄖ锉筹L(fēng)側(cè)時(shí)側(cè)向力系數(shù)迅速下降,隨著車身駛?cè)雮?cè)風(fēng)通道,側(cè)向力系數(shù)也隨之增大,而且隨著側(cè)風(fēng)通道寬度的增加,側(cè)向力系數(shù)的峰值也隨之增大,7.2,9.6和13s時(shí)的峰值分別為3.738,6.437和7.430。當(dāng)重型商用車車身一部分處于側(cè)風(fēng)中,另一部分被建筑物遮擋時(shí),即點(diǎn)劃線和虛線所示位置附近,其橫擺力矩系數(shù)達(dá)到最大值15.95。
表2和表3分別為重型商用車特殊時(shí)刻的橫擺力矩和側(cè)傾力矩的變化情況。從表2中可看出,6.7~7.5s內(nèi),道路上氣流的變化引起車輛周圍流場變化,直接導(dǎo)致橫擺力矩變化率高達(dá)35.6kN·m/s;8.5~9.4s的側(cè)傾力矩大幅度變化,變化率達(dá)19.7kN·m/s,這種劇烈的變化對(duì)車輛的行駛存在極大的安全隱患,尤其是當(dāng)駕駛員出現(xiàn)駕駛疲勞時(shí),更難以操控車輛,容易發(fā)生交通事故。
3.2 流場分析
圖9為重型商用車通過第一條側(cè)風(fēng)通道時(shí)L/2橫向截面上的速度矢量圖。t=4s時(shí)刻,車體處于建筑物背風(fēng)側(cè),側(cè)風(fēng)氣流流經(jīng)建筑物頂端后,在背風(fēng)側(cè)形成較大漩渦并作用在車身表面,使車身背風(fēng)側(cè)變成了暫時(shí)性的迎風(fēng)側(cè)。t=4.5s時(shí),車身進(jìn)入側(cè)風(fēng)通道,迎風(fēng)側(cè)恢復(fù)為初始時(shí)的一側(cè),漩渦逐漸遠(yuǎn)離車身,作用減弱。這也解釋了側(cè)向力系數(shù)在車體通過第一條側(cè)風(fēng)通道過程中的變號(hào)現(xiàn)象。
圖8 氣動(dòng)力和力矩系數(shù)變化圖
表2 橫擺力矩變化量
表3 側(cè)傾力矩變化量
圖9 L/2截面及中心縱截面上速度矢量圖
重型商用車正對(duì)3條側(cè)風(fēng)通道時(shí),側(cè)風(fēng)通道寬度越大,車身周圍高速氣流范圍也越大,尤其是尾部渦流范圍和速度越大,與車頭部壓力差越大,其阻力系數(shù)越大。4.6,7.1和9.9s時(shí)阻力系數(shù)分別達(dá)到0.695,0.942和1.741,且在9.9s時(shí)阻力系數(shù)達(dá)到最大,即車輛受的阻力最大,駕駛員操控車輛的難度增加。3個(gè)時(shí)刻均處于側(cè)向力系數(shù)和橫擺力矩系數(shù)急劇變化的狀態(tài),側(cè)向力和橫擺力矩導(dǎo)致車輛擺動(dòng),造成穩(wěn)定性惡化。當(dāng)車身前半部分處于側(cè)風(fēng)中,后半部分處于建筑物背風(fēng)側(cè)時(shí),隨著側(cè)風(fēng)氣流寬度和強(qiáng)度的增加,車身迎風(fēng)側(cè)高壓區(qū)前移,側(cè)向力也隨之增加,背風(fēng)側(cè)相對(duì)后移,造成車體前后側(cè)向壓力值不平衡,橫擺力矩增大。車輛的行駛穩(wěn)定性存在潛在威脅,乘員、隨行的車輛和行人也將面臨巨大的潛在危險(xiǎn)。況且,當(dāng)側(cè)風(fēng)的角度發(fā)生變化時(shí),汽車的氣動(dòng)特性更加復(fù)雜多變[5],危險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)一步提高。
通過數(shù)值模擬,可得出以下結(jié)論:
(1)側(cè)風(fēng)通道長寬比小于1的情況下,隨著長寬比的增加重型商用車各氣動(dòng)力和力矩系數(shù)的極值(絕對(duì)值)隨之增大;
(2)重型商用車進(jìn)出側(cè)風(fēng)帶時(shí),橫擺力矩變化率最高達(dá)35.6kN·m/s,側(cè)傾力矩變化率達(dá)19.7kN·m/s,這種由氣流突變帶來的行駛穩(wěn)定性隱患極大;
(3)重型商用車經(jīng)過有側(cè)風(fēng)的地帶時(shí),尤其有突變側(cè)風(fēng)的地帶,駕駛員應(yīng)當(dāng)提高警惕,保證行車安全。
模擬研究雖對(duì)重型商用車的某一典型非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)特性得出了具有一定規(guī)律性的結(jié)論,但僅研究了3種不同寬度側(cè)風(fēng)通道的工況??紤]到實(shí)際環(huán)境中側(cè)風(fēng)帶的復(fù)雜性,在今后的研究中還要增加側(cè)風(fēng)通道寬度種類、車速變化和風(fēng)速變化[15]等工況,找出更為普遍且全面的側(cè)風(fēng)氣動(dòng)特性規(guī)律。
[1] COOPER K R,WATKINS S.The unsteady wind environment of road vehicles,part one:a review of the on-road turbulent wind environment[C].SAE Paper 2007-01-1236.
[2] WATKINS S,COOPER K R.The unsteady wind environment of road vehicles,part two:a review of the on-road turbulent wind environment[C].SAE Paper 2007-01-1237.
[3] 郭孔輝,林柏忠,等.高速汽車側(cè)風(fēng)影響效應(yīng)仿真與影響側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析[J].吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1994,24(4):1-7.
[4] JUHLIN M,ERIKSSON P.A vehicle parameter study on crosswind sensitivity of buses[C].SAE Paper 2004-01-2612.
[5] Makoto Tsubokura.HPC-LES for the prediction of unsteady aerodynamic forces on a vehicle in a gusty cross-flow condition[C].SAE Paper 2008-01-3001.
[6] 李杰,張喆,張英朝,等.側(cè)風(fēng)對(duì)高速行駛汽車操縱穩(wěn)定性影響的研究[C].2010中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集:1380-1383.
[7] 張甫仁,張金龍,屈賢,等.側(cè)風(fēng)下汽車外流場氣動(dòng)特性分析[J].科技導(dǎo)報(bào),2015,33(15):76-81.
[8] 建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所.辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006:6-16.
[9] 李騰飛.不同道路形式下重型商用車瞬態(tài)氣動(dòng)特性的數(shù)值模擬[D].長春:吉林大學(xué),2013.
[10] 張喆.側(cè)風(fēng)作用下重型載貨汽車氣動(dòng)特性與穩(wěn)定性的聯(lián)合研究[D].長春:吉林大學(xué),2012.
[11] 秦碩明.風(fēng)載下高速汽車氣動(dòng)力CFD研究[D].南京:南京理工大學(xué),2009.
[12] 張英朝.汽車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2011.6.
[13] 李杰,張英朝.轎車大客車會(huì)車時(shí)的氣動(dòng)特性[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,38(2):278-284.
[14] 武藤真理.汽車空氣動(dòng)力學(xué)[M].程正,譯.長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社,1989.
[15] 高廣軍,田紅琪.橫風(fēng)對(duì)雙層集裝箱平車運(yùn)行穩(wěn)定性的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2004,4(2):45-48.
A Simulation on the Aerodynamic Characteristics of a Heavy Commercial Vehicle Subjected to Intermittent Crosswind
Yu Weijing,Zhang Yingchao,Ren Linlin&Su Chang
Jilin University,State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Changchun 130022
The changing law of instantaneous aerodynamic characteristics has significant effects on the driving of vehicle when it is running through intermittent crosswind area.Accordingly,an aerodynamic numerical simulation is conducted in this paper on the process of a heavy commercial vehicle running through crosswind area on urban road with a length-width ratio less than 1 formed by successive buildings separated by different distances,to study the changing law of its aerodynamic characteristics in that driving process.The results show that the crosswind areas with different length-width ratios formed by buildings have intensive effects on the flow field and aerodynamic characteristics of heavy commercial vehicles,with a changing rate of yaw moment reaching up to 35.6kN·m/s and the peak of aerodynamic force rises with the increase of length-width ratio.
heavy commercial vehicle;aerodynamics;numerical simulation;intermittent crosswind
10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.007
原稿收到日期為2016年3月1日,修改稿收到日期為2016年5月31日。
張英朝,副教授,E-mail:yingchao@jlu.edu.cn。