羅建斌 吳量 苗明達(dá) 黃煜

摘 要：隨著高速公路和智能交通系統(tǒng)的快速發(fā)展，開展汽車隊(duì)列行駛的氣動特性研究具有重要意義.本文對等間距的3車隊(duì)列行駛的氣動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并研究了車間距對其氣動特性的影響.模擬結(jié)果表明：相比單車行駛情形，3車隊(duì)列行駛的各車均有一定的減阻效果，其中尤以中間車和尾部車的更顯著.簡化的二維數(shù)值分析雖然忽略了車底部以及頂部的氣流流動，但仍可為后續(xù)的真實(shí)車體繞流流動分析提供借鑒和參考.

關(guān)鍵詞：汽車隊(duì)列；氣動特性；數(shù)值模擬；氣動干擾

中圖分類號： U270.1；U271.91 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.01.002

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國內(nèi)高速公路也得以迅猛發(fā)展.截止2017年7月，全國高速公路里程已達(dá)131×103 km，躍居世界第一.為了降低尾氣排放和提高燃油經(jīng)濟(jì)性以及運(yùn)輸效率，在智能交通系統(tǒng)中常常采用汽車隊(duì)列行駛模式.在汽車跟隨行駛時(shí)，由于兩車間距縮小，前后汽車產(chǎn)生較強(qiáng)的氣動干擾，其氣動特性發(fā)生明顯的變化，這將影響到汽車的燃油消耗特性和行駛特性.因此，開展汽車隊(duì)列行駛的氣動特性研究具有重要的實(shí)際意義.目前國內(nèi)外對于汽車隊(duì)列行駛的氣動特性研究較少.傅立敏等[1]研究車輛前后間距及隊(duì)列中車輛數(shù)目對氣動阻力系數(shù)的影響.王靖宇等[2]以智能車輛的MIRA簡化模型作為研究對象， 采用移動地面邊界條件， 對單車和隊(duì)列行駛狀態(tài)下的汽車外流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.谷正氣等[3]利用計(jì)算流體力學(xué)方法對一輛小轎車尾隨一輛集裝箱車的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬， 得到了小轎車的氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)相對變化關(guān)系.

1 數(shù)值模型及計(jì)算工況

本文在進(jìn)行隊(duì)列行駛氣動特性的數(shù)值研究中，為簡化計(jì)算，只考慮二維情形.汽車行駛速度為25 m/s，設(shè)車寬作為特征長度的外流場的流動雷諾數(shù)Re =2.93E6，馬赫數(shù)Ma =0.074，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.3.因此，可將汽車隊(duì)列行駛的繞流流場簡化為不可壓縮、粘性、不考慮換熱的二維非定常流動.在數(shù)值模擬中選用可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型；因此，需要求解連續(xù)性方程、動量方程、 湍動能方程和耗散率方程[4-6].圖1為單車的幾何模型，圖中L為車長，W為車寬，R為圓角半徑（單位：mm）.經(jīng)過反復(fù)試算，最終確定的外流場計(jì)算區(qū)域如圖2所示. 根據(jù)來流方向，從前往后，依次為第一輛汽車01、第二輛汽車02、第三輛汽車03.為保證流動充分發(fā)展，尾部流場長度設(shè)置為15 L，明顯大于前部長度以及兩側(cè)寬度5 L.整個(gè)模擬過程中，考慮3車跟隨情形，兩車間等間距Δd分別為0.5 L、0.75 L、1.0 L、1.25 L、1.5 L、2.0 L.

整個(gè)計(jì)算域采用圖3所示的結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格離散.為滿足壁面函數(shù)的要求，車體壁面加有細(xì)密的邊界層網(wǎng)格.

為了求解隊(duì)列行駛汽車的繞流氣動參數(shù)，必須給定與流動物理現(xiàn)象實(shí)際情況相符的正確邊界條件. 表1為流動計(jì)算的邊界條件設(shè)置.在數(shù)值計(jì)算中，首先以定常計(jì)算結(jié)果作為初始解開始非定常計(jì)算.計(jì)算時(shí)間步長為0.001 s，單步中迭代次數(shù)為20.迭代一定時(shí)間待監(jiān)測的氣動力系數(shù)出現(xiàn)準(zhǔn)周期變化后再計(jì)算一定的時(shí)間步以作為最終的計(jì)算結(jié)果.

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 車間距對氣動特性影響

在數(shù)值計(jì)算處理中，參考面積為1.76 m2，參考速度為25 m/s，特征長度取車寬1.76 m，垂向長度按1 m計(jì)算.通過非定常計(jì)算可以獲得3車隊(duì)列行駛的各車氣動特性的時(shí)程變化關(guān)系.圖4、圖5分別為車間距Δd=1.5 L時(shí)的阻力系數(shù)及側(cè)向力系數(shù)隨時(shí)間變化的歷程.阻力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)均表現(xiàn)出一定的準(zhǔn)周期變化，反映出二維隊(duì)列行駛的汽車外部流場的非定常性.

為了考慮隊(duì)列行駛的減阻效果，特與單車行駛工況進(jìn)行比較.圖6為3車隊(duì)列時(shí)阻力系數(shù)隨車間距的變化趨勢，其中，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)均無量綱化，分別為車間距與車長之比、隊(duì)列行駛時(shí)的阻力系數(shù)與單車行駛的阻力系數(shù)之比.該圖中反映出在3車隊(duì)列行駛時(shí)，在車間距為2倍車長以下，各車阻力均有不同程度的下降，其中尤其以中間車和尾部車的減阻效果更明顯.對于頭部車，車間距在1倍車長以下時(shí)減阻較明顯，但隨著車間距增加到1倍車長以上，阻力雖然有所降低，但基本上變化很平緩.尾部車的阻力系數(shù)也表現(xiàn)出與頭部車相同的變化趨勢.中間車處于頭部車的尾流區(qū)域，同時(shí)也處于尾部車的正壓區(qū)域，因此，其阻力系數(shù)的變化更加復(fù)雜，甚至出現(xiàn)了負(fù)阻力的變化.

2.2 平均流場分析

為了了解以上氣動阻力系數(shù)隨車間距的變化規(guī)律，主要從車體外部繞流的流場結(jié)構(gòu)來進(jìn)行觀察.圖7—圖10為單車行駛及車間距Δd =0.5 L、1.0 L、2.0 L四種情形的流場壓力分布云圖和流線圖.單車行駛時(shí)，汽車頭部出現(xiàn)了較大的正壓區(qū)，而尾部則出現(xiàn)了較大的負(fù)壓區(qū)，因此，車體受到較大的氣動阻力作用.當(dāng)隊(duì)列行駛的車間距Δd =0.5 L時(shí)，由于間距較小，3車似乎形成一個(gè)整體，中間車前后的壓差很小，阻力系數(shù)相應(yīng)地很小.同時(shí)，相對于單車行駛，頭部車和尾部車的阻力系數(shù)均有所下降.隨著間距的增加，氣流逐漸滲透到車與車的間隙處，在車間隙之間有明顯的流線經(jīng)過.當(dāng)車間距Δd =2.0 L時(shí)，中間車遠(yuǎn)離了頭部車的負(fù)壓區(qū)，因此，對其尾部流場的干擾較小，頭部車的阻力系數(shù)有所回升.尾部車的正壓區(qū)由于中間車的干擾明顯弱于單車行駛情形，因此產(chǎn)生了一定的降阻效應(yīng).

圖11、圖12分別為車間距Δd =0.75 L時(shí)中間車和尾部車與單車行駛的車體截面的平均靜壓比較.從靜壓分布圖可以看出，相對于單車行駛情形，車間距Δd =0.75 L時(shí)中間車沿著Y方向的壓差積分面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，從而反映出中間車車體阻力有顯著下降.對于尾部車，其壓差的積分面積相比單車行駛要小很多，但其差值要大于中間車車體，因此，隊(duì)列行駛時(shí)中間車的減阻效應(yīng)要明顯大于尾部車.

圖13為Δd =2.0 L時(shí)頭部車、中間車及尾部車的車體截面的平均靜壓比較.當(dāng)車間距增加到2倍車長時(shí)，頭部車、中間車、尾部車均有一定的減阻效果.從其積分面積的大小可以看出，減阻效果從大到小依次為中間車、尾部車和頭部車.圖14—圖16分別為車間距Δd =0.5 L、Δd =1.0 L時(shí)頭部車、中間車及尾部車的車體截面的靜壓比較.從兩種車間距的靜壓比較可以看出，隨著間距的增加，頭部車和尾部車的減阻效果有所下降，而中間車的負(fù)阻力有所增加.

3 結(jié)論

通過以上的數(shù)值模擬分析可以得出以下3點(diǎn)主要結(jié)論：

1）二維隊(duì)列行駛的汽車外部流場表現(xiàn)出較強(qiáng)的非定常性，阻力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)均呈現(xiàn)出一定的準(zhǔn)周期變化.

2）3車隊(duì)列行駛時(shí)，相比單車行駛工況，各車阻力均有不同程度的下降，其中尤其以中間車和尾部車的減阻效果更明顯.

3）簡化的二維分析忽略了車底以及車頂?shù)臍饬髁鲃?，可能放大了其氣動特性，但仍可為后續(xù)的隊(duì)列行駛真實(shí)車體繞流流動的氣動分析提供借鑒和參考.

參考文獻(xiàn)

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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

（學(xué)科編輯：張玉鳳）