摘要：本文采用低雷諾數(shù)（Re）SSTk-ε模型和高雷諾數(shù)（Re） SSTk-ε模型兩種方法來(lái)模擬類車體超車過(guò)程。分析研究了類車體超車過(guò)程中典型時(shí)刻周圍流體的壓力場(chǎng)，同時(shí)，分析研究了典型時(shí)刻的速度場(chǎng)，為以后研究實(shí)車的超車過(guò)程提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：類車體;數(shù)值模擬;超車;流場(chǎng)

1 引言

兩輛相向運(yùn)動(dòng)的汽車，其周圍空氣流動(dòng)變化劇烈，同時(shí)，這種空氣流動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，也就是說(shuō)，此流動(dòng)隨時(shí)間和空間都呈現(xiàn)出不規(guī)則的脈動(dòng)，俗稱湍流流動(dòng)。為了能夠更好地模擬汽車超車過(guò)程中車體周圍的空氣流動(dòng)，首先對(duì)汽車進(jìn)行了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型稱其為類車體（Ahmed Car）。類車體超車過(guò)程雖然不能夠完全真實(shí)地展示出汽車在超車過(guò)程中車體周圍的流場(chǎng)及其氣動(dòng)特性，但其與汽車超車過(guò)程中的車體周圍的流場(chǎng)及氣動(dòng)特性的變化趨勢(shì)基本一致。

與汽車運(yùn)動(dòng)一致，簡(jiǎn)化后的類車體（Ahmed Car）在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其周圍流場(chǎng)具有湍流特性。為了更好地模擬類車體超車過(guò)程中其車體周圍的流場(chǎng)特性，本文選用7：10的類車體縮尺模型，采用雷諾平均數(shù)值模擬的方法，模擬Ahmed Car的超車過(guò)程，根據(jù)模擬結(jié)果，分析超車過(guò)程中車體周圍流場(chǎng)的流動(dòng)特性。

2 幾何模型、流暢空間離散及計(jì)算方法

在研究類車體超車過(guò)程中，類車體幾何模型結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸如圖1所示。圖中尾部?jī)A角a為300，在兩種類型的雷諾數(shù)計(jì)算過(guò)程中，該傾角保持不變。

利用ICEM網(wǎng)格劃分軟件，在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，將整個(gè)模型分為5個(gè)子模塊，分別對(duì)5個(gè)子模塊進(jìn)行網(wǎng)格化分，在參數(shù)設(shè)置前，利用STAR-CD軟件中的耦合技術(shù)，將5個(gè)模型合為一體。同時(shí)，根據(jù)流場(chǎng)流動(dòng)的特點(diǎn)，并結(jié)合滑移網(wǎng)格化的需要，在網(wǎng)劃分過(guò)程中應(yīng)用了5Body（圖2所示）的做法。

本文中，低雷諾數(shù)計(jì)算模型網(wǎng)格總數(shù)約為598萬(wàn)，高雷諾數(shù)計(jì)算模型網(wǎng)格總數(shù)約為470萬(wàn)。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，結(jié)合后期模擬過(guò)程，并運(yùn)用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，可將整個(gè)網(wǎng)格分為兩種類型，即相對(duì)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格和相對(duì)靜止網(wǎng)格，不同計(jì)算中，相對(duì)靜止網(wǎng)格分布基本一致，而網(wǎng)格數(shù)量的差異在運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格布置上，網(wǎng)格布置方式主要依據(jù)了流體運(yùn)動(dòng)的特性。

類車體外部繞流的氣流形態(tài)主要有兩種：層流和湍流。對(duì)層流而言，流體流動(dòng)是有規(guī)律的分層流動(dòng)，層與層之間的流動(dòng)互不干擾;湍流狀態(tài)，流體流動(dòng)是不規(guī)則的，流場(chǎng)中流體的速度、壓力等隨時(shí)間和空間都呈現(xiàn)出不規(guī)則的脈動(dòng)。

在本模型中，設(shè)置溫度為25℃，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)υ=1.55×10^-5m²/s，空氣密度為ρ=1.1805kg/m³;采用雷諾平均數(shù)值模擬中的低雷諾數(shù)SSTk-ε模型和高雷諾數(shù)SSTk-ε兩種方法來(lái)模擬類車體超車過(guò)程，之后，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析研究。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 基于低雷諾數(shù)湍流模型模擬

類車體超車過(guò)程中，對(duì)流場(chǎng)特性分析，主要通過(guò)壓力云圖和速度矢量圖來(lái)分析車體周圍流體流動(dòng)的特點(diǎn)。在整個(gè)分析過(guò)程中，以車體中間水平切面作為集中，繪制出類車體超車過(guò)程中的壓力云圖和速度矢量圖的俯視圖，同時(shí)，選取典型的時(shí)刻，在這特定時(shí)刻下，分析車體周圍流場(chǎng)特性。

圖3為低雷諾數(shù)模擬類車體超車過(guò)程中典型時(shí)刻的壓力云圖。圖中展示了車體在即將開始超車至兩車頭頭開始遠(yuǎn)離的整個(gè)過(guò)程中車體及周圍空氣流動(dòng)的壓力變化。從圖中可以看出，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，相對(duì)運(yùn)動(dòng)車車頭前方適中處于正壓區(qū)，該正壓區(qū)的壓力在整個(gè)超車過(guò)程中一致保持高壓;與此相對(duì)應(yīng)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)車尾部形成較強(qiáng)烈渦稱其為尾渦區(qū)，由于選取截面靠近支柱，受到圓柱繞流的影響，兩車體尾部均出現(xiàn)了兩個(gè)較為明顯的大尺度渦。

在時(shí)間t=0.2628s時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)車即將靠近相對(duì)靜止車，此時(shí)，兩車體周圍的流場(chǎng)開始相互影響，車體周圍的空氣流動(dòng)逐漸加劇，靜止車周圍的空氣流動(dòng)受運(yùn)動(dòng)車的影響較大，靜止車尾部開始形成尾渦區(qū)。在t=0.2916s時(shí)，兩車的頭尾相遇，此時(shí)，靜止車的尾渦區(qū)已經(jīng)形成，同時(shí)，受相對(duì)運(yùn)動(dòng)車的影響，其車體尾部流場(chǎng)的負(fù)壓區(qū)逐漸增大。在t=0.3204s～0.3635s的范圍內(nèi)，兩車的頭頭（或尾尾）即將相遇，在這個(gè)過(guò)程中，相對(duì)靜止車周圍的流場(chǎng)變化較大，其變化如下：相對(duì)靜止車車體周圍的空氣流動(dòng)受相對(duì)運(yùn)動(dòng)車的影響，流動(dòng)加強(qiáng)，車體頭部正壓區(qū)范圍增大，整個(gè)車體周圍的負(fù)壓區(qū)增大至整個(gè)車身，尾渦區(qū)的范圍亦擴(kuò)大。在t=0.3636s的時(shí)刻，兩車的頭頭（或尾尾）相遇，此時(shí)，練車車頭前方的正壓區(qū)連成一體，范圍達(dá)到最大，兩車體車身周圍處于負(fù)壓區(qū)，尾部尾渦區(qū)較尾尾相遇錢有所減小，壓力有所上升。之后，隨著類車體的運(yùn)動(dòng)，兩車開始遠(yuǎn)離，在t=0.0.3924s的時(shí)刻，運(yùn)動(dòng)車車頭已經(jīng)超過(guò)了靜止車車尾，這使得靜止車車尾和兩類車體之間橫向空間的負(fù)壓逐漸升高，可以預(yù)測(cè)，在之后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，兩車周圍的流場(chǎng)開始逐漸恢復(fù)，直至兩車超車過(guò)程結(jié)束。

圖4為低雷諾數(shù)模擬類車體超車過(guò)程中典型時(shí)刻的速度矢量圖。為了與壓力云圖相對(duì)應(yīng)，速度矢量圖選取的典型時(shí)刻與壓力云圖的一致。從圖中可以看出，在整個(gè)超車過(guò)程中，隨著兩列車的靠近，車體尾部的空氣流速逐漸降低，兩個(gè)頭頭相遇（或尾尾相遇）時(shí)，兩車體尾部靠近尾部的流動(dòng)速度接近于零，這意味著在車體尾部形成了渦結(jié)構(gòu)，隨著兩車的靠近，尾部渦結(jié)構(gòu)逐漸增大，反之，隨著兩車體開始遠(yuǎn)去，渦結(jié)構(gòu)逐漸變小，直至超車結(jié)束。

3.2 基于高雷諾數(shù)湍流模型模擬

圖5高雷諾數(shù)模擬類車體超車過(guò)程中典型時(shí)刻的壓力云圖。從圖中可以看出，在t=0.2628s時(shí)，受相對(duì)運(yùn)動(dòng)車的影響，相對(duì)靜止車周圍空氣流動(dòng)加劇;t=0.2916s時(shí)，兩車尾頭相遇，此時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)車周圍的流場(chǎng)變化不大，但是，相對(duì)靜止車車尾部及其車身周圍流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)開始加劇，在尾部開始形成渦結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)至t=0.3636s時(shí)，兩車頭頭相遇（或尾尾相遇），在兩車體尾部均形成的可見的渦結(jié)構(gòu)，但與低雷諾數(shù)模擬的結(jié)果相比，渦結(jié)構(gòu)并不十分明顯。

總體上來(lái)說(shuō)，兩車體尾尾（或頭頭）相遇過(guò)程中的車身及周圍流場(chǎng)壓力變化與低雷諾數(shù)湍流模型模擬中的圖3所表示的結(jié)果基本一致，所不同的是高雷諾數(shù)湍流模型模擬結(jié)果中車體尾部空間的流場(chǎng)渦尺度并不像低雷諾數(shù)湍流模型模擬的尺度大，這表明了高雷諾數(shù)湍流模型模擬捕捉流場(chǎng)壓力變化的特性弱于低雷諾數(shù)湍流模型模擬。

圖5高雷諾數(shù)模擬類車體超車過(guò)程中典型時(shí)刻的速度矢量圖。從圖中展示了高雷諾數(shù)模擬過(guò)程中兩車在超車過(guò)程車體周圍流場(chǎng)的變化情況。對(duì)比低雷諾數(shù)模擬結(jié)果，從圖中不難看出，車體周圍空氣流動(dòng)的大小與方向與低雷諾數(shù)模擬結(jié)果一致。

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，兩種雷諾數(shù)湍流模型模擬類車體超車過(guò)程中流場(chǎng)特性圖可知，類車體車頭前方為正壓區(qū)，兩列車之間的橫向空間為負(fù)壓區(qū);車體尾部形成尾渦區(qū)，靠近車體處渦尺度較小，受支柱繞流影響，在距離尾部一段距離處形成了較為對(duì)稱的大尺度渦，同時(shí)，高雷諾數(shù)湍流模型模擬捕捉流場(chǎng)壓力變化的特性弱于低雷諾數(shù)湍流模型模擬。

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