隔離帶對側(cè)風(fēng)條件下超車過程車輛氣動力的影響.docx

1、汽車工程AutomotiveEngineeringdoi:10.19562j.chinasae.qcgc.2018.04.010隔離帶對側(cè)風(fēng)條件下超車過程車輛氣動力的影響國家自然科學(xué)基金(11372166)資助.：原稿收到日期為2017年9月19日i修改稿收到日期為2017年12月25日K通信作者：杜廣生，教授，Email:du-劉立寧W2沽頊3曲學(xué)峰24葩麗5泄廣生1冷HH1(1山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院。濟(jì)南250061P2煙臺南山學(xué)院H煙臺26571313山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院濟(jì)南250101)摘要利用動網(wǎng)格和滑移界面技術(shù)進(jìn)行側(cè)風(fēng)條件下廂式貨車超車過程數(shù)值模擬R以研充道路中央隔離帶對車

2、輛氣動力影響規(guī)律j結(jié)果表明:無側(cè)風(fēng)時i隔離帶對車輛氣動力影響較小j但在側(cè)風(fēng)條件下i隔離帶對車輛氣動力產(chǎn)生了較大影響N密集和稀疏兩種隔離帶皆使主超車所有氣動力和被超車的側(cè)向力和升力減小*而被超車的氣動阻力在稀疏隔離帶作用I、.減小f在密集隔離帶作用I、增大P關(guān)鍵詞：隔離帶P超車中側(cè)風(fēng)仲氣動力InfluenceofIsolationBeltonAerodynamicForcesofVansinOvertakingProcesswithCrosswindsLiuLning1'2iShShuo3fChiXuefeng2iFanPengfe:1(DuGuangjheng1&LeiLi11

3、SchoololEne：naoiPowtiEnt:neeiin0Shado11UnveniirfJ:did25006112YiriiNiliJiinUn：vtiiiljr(Rtrai265713)3Stholo'The.-mi.EngiieeriiShniongJ.tritUfiiierjitfiJinn250101AbstractDynamicmeshandslipinterfacetechnologyareusedtonumericallysimulatevanovertakingprocessundercrosswindconditionforstudyingtheinfluen

4、ceofcentralisolationbeltontheaerodynamicforcesofvans.Theresultsshowthatwithoutcrosswind-theisolationbelthaslittleeffectontheaerodynamicforcesofvansbutundercrosswindcondition'theisolationbelthassignificanteffects.BothsparseanddenseisolationbeltsreducealIaerodynamicforcesofovertakingvanandthesidef

5、orceandliftforceofovertakenvan-whiletheaerodynamicdragofovertakenvandecreaseswithsparseisolationbeltandincreaseswithdenseisolationbelt.Keyword:isolai:onbelt!overukngjcrosiwindIaerodynamicforce刖s隨著汽車保有量的增加R道路上行駛的車輛越來越多超車行為越來越頻繁在超車過程中如果受到側(cè)風(fēng)和周邊環(huán)境的影響R車輛周圍的流場會發(fā)生明顯改變引起車輛所受氣動力的變化e影響車輛的安全穩(wěn)定運行N為研究側(cè)風(fēng)對車輛氣動性能的影

6、響R國內(nèi)外學(xué)者通過風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬對單車模型進(jìn)行了研究nW；結(jié)果表明'側(cè)風(fēng)強度、方向和瞬態(tài)波長等變化*均會引起車輛氣動特性的改變H此外f道路形態(tài)、路堤、橋梁和山坡等對車輛氣動性能也有較大影響"Fl而在側(cè)風(fēng)條件下進(jìn)行超車時i車輛的氣動特性變化更為復(fù)雜C8-9I當(dāng)車輛在高速公路上行駛時R道路中央通常設(shè)有隔離帶將對向車道進(jìn)行隔離#在側(cè)風(fēng)條件下i隔離帶會對超車過程產(chǎn)生較大影響，本文中以兩輛相同的廂式貨車為研究對象R討論在超車過程中隔離帶對車輛氣動力的影響N1數(shù)值模擬ii幾何模型本文中采用某廂式貨車1:1模型作為研究對象。車身長L=8116mm寬W=2400mmi高H=3520mmN

7、模擬過程中對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化彳忽略后視鏡、門把手和車身底部微小部件的影響彳并對輪胎底部進(jìn)行切面處理j使車輪與地面接觸面為一平面彳計算用模型如圖1所示！圖1計算用貨車模型12計算域與網(wǎng)格劃分計算域外邊界為長方體i如圖2所示j計算域總長165"總寬17W1總高5H：'兩車橫向間距05WI用Van1代表主超車iVan2代表被超車；隔離帶與計算域同長:'寬2mi高15rd側(cè)風(fēng)垂直于左側(cè)入口（入口2）吹向車輛i側(cè)風(fēng)入口2邊界距離隔離帶左側(cè)邊緣3WI側(cè)風(fēng)出口（出口2）距離被超車車身右側(cè)10WJ坐標(biāo)系設(shè)定為車輛運動方向的反方向為x軸正向i由主超車指向被超車方向為y軸正向i垂直于地面

8、向上為z軸正向1ACIS圖2計算域示意圖劃分網(wǎng)格時彳將計算域分為7個子區(qū)域1分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分彳如圖3所示N貨車所在區(qū)域采用四面體網(wǎng)格R其它區(qū)域采用六面體網(wǎng)格f總的網(wǎng)格數(shù)量約為404MO6：其中i區(qū)域1：'2；3i4為靜止網(wǎng)格區(qū)i區(qū)域5il7為動網(wǎng)格區(qū)#在模擬過程中i靜止網(wǎng)格區(qū)網(wǎng)格保持不變1而動網(wǎng)格區(qū)網(wǎng)格采用動態(tài)分層法進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)H動靜網(wǎng)格區(qū)之間通過滑移交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞N在Fluent軟件中i通過用戶自定義函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)N13模擬方案及邊界條件區(qū)域瞿區(qū)域6圖3網(wǎng)格劃分示意圖（Z=14m截面）道路中央隔離帶通常被設(shè)計為綠化帶*并被修剪成長方體形狀X由于綠化帶植被間充滿孔隙彳因此將隔離帶

9、區(qū)域設(shè)定為多孔介質(zhì)f孔隙率為96%亍沿J方向壓力損失系數(shù)為12503為便于討論，將這種稀疏的隔離帶稱為1#隔離帶，當(dāng)隔離帶植被足夠密集時了側(cè)風(fēng)將無法穿過隔離帶。只能從隔離帶頂部繞流f此時車輛受到的氣動力會發(fā)生明顯改變1將這種極限情況下的密集隔離帶稱為2#隔離帶N本文中擬對這兩種隔離帶作用下的超車過程進(jìn)行研究并與無隔離帶時的超車過程也進(jìn)行比較f超車過程中設(shè)定主超車速度為30m/si被超車速度為20m/s（二者均沿x軸負(fù)向行駛1為了節(jié)省計算資源C模擬時假定Van2不動C設(shè)定來流速度為20m/s方向沿x軸正向主超車以10m/s的相對速度沿x軸反方向運行f側(cè)風(fēng)垂直于車輛行駛方向i由車輛左側(cè)吹向右側(cè)；側(cè)

10、風(fēng)速度設(shè)定為1155ms（相當(dāng)于蒲福風(fēng)級中的6級風(fēng)）N為方便討論1以無量綱量X/L表示超車過程中不同時刻兩車之間的縱向相對位置：其中X為被超車前緣x坐標(biāo)與主超車前緣x坐標(biāo)值之差：邊界條件設(shè)置如表1所示N此外了動、靜網(wǎng)格區(qū)分界面采用滑移父界面動網(wǎng)格區(qū)內(nèi)部界而設(shè)置為內(nèi)部面N表I邊界條件設(shè)置邊界邊界條件入口1速度入口F=20m«=1155m用r,=0出口1壓力出口：大氣壓入口2速度入口F=20mfs(«=1155mWv,=0出口2壓力出口：大氣壓頂部對稱邊界地面無滑移壁面車身無滑移壁面14控制方程和計算參數(shù)設(shè)置超車過程的外流場屬于三維、黏性、非穩(wěn)態(tài)的不可壓縮流H遵循質(zhì)量守恒、動量

11、守恒和能量守恒控制方程R在三維直角坐標(biāo)系中這些控制方程的守恒型通用形式為訓(xùn)+div（pii。）；div（grad。）+S式中二P為密度Ju為速度i：為時間為通用變量jr為廣義擴散系數(shù)is為廣義源項；公式等號兩邊的各項依次為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項；對于特定的方程r和s具有特定的形式計算中采用RNG湍流模型i對流項采用2階迎風(fēng)格式i速度和壓力耦合采用PISO算法g超車過程瞬態(tài)時間步長設(shè)定為0005s每種工況分別計算1050個時間步r即兩車間的距離從X/L=-45計算到X/L=2I2計算結(jié)果與分析1氣動力分析211無側(cè)風(fēng)時隔離帶對車輛氣動力的影響圖4表示無側(cè)風(fēng)影響時中超車過程中主超車和654置

12、3電2I）654321001圖4無側(cè)風(fēng)時主超車與被超車受到的氣動力被超車氣動力變化情況N圖例中RFd表示氣動阻力eFs表示俱向力，fl表不升力N由圖4可見無側(cè)風(fēng)時隔離帶對車輛氣動力影響非常小I與無隔離帶的超車過程口門相比'兩車的氣動阻力平均變化量小于1%9側(cè)向力和升力變化略大一些但對車輛的安全穩(wěn)定性影響依然很小H212側(cè)風(fēng)條件下隔離帶對車輛氣動力的影響圖5給出了側(cè)風(fēng)條件下隔離帶對主超車和被超車氣動阻力的影響；由圖5（a）可見i在側(cè)風(fēng)條件下隔離帶使主超車氣動阻力下降彳1#隔離帶使氣動阻力平均降低283%-2#隔離帶使之平均降低305%1由圖5（b）可見i兩種隔離帶使被超車氣動阻力發(fā)生了不

13、同的變化。1#隔離帶使被超車氣動阻力減小fX/L=-075處減小幅度最大i此時AFd=13936N!2#隔離帶在超車前后（XJLC-1和XIL>1）使被超車氣動阻力減小;'但在超車過程中（-1XI1X1）使被超車氣動阻力增大i在X/L=-05時AFd=9743NI圖5側(cè)風(fēng)條件下"儡鶉鐮酗氣動阻力圖6為側(cè)風(fēng)條件下不同隔離帶對主超車和被超車側(cè)向力的影響趨勢N由圖可見隔離帶使車輛的側(cè)向力大幅度減小f且植被密集的隔離帶使車輛側(cè)向力減小的幅度更大#由于主超車位置靠近隔離帶#所以隔離帶對主超車側(cè)向力的影響更加明顯f特別是在2#隔離帶作用下i主超車側(cè)向力平均降幅達(dá)688%；最大降幅達(dá)

14、828%i極大地提高了車輛的安全穩(wěn)定性；對于被超車i當(dāng)X/K-075時i2#隔離帶比1#隔離帶對其側(cè)向力的影響更大;但當(dāng)XIL>-075以后:'兩種隔離帶使住下降的幅度差別不大j而當(dāng)X,iL>05后;'隔離帶對被超車側(cè)向力的影響圖6側(cè)風(fēng)條件下主超車與被超車的側(cè)向力圖7示出側(cè)風(fēng)條件下隔離帶對主超車和被超車升力的影響寸由圖可見R隔離帶有效地降低了兩車的升力彳且植被密集的隔離帶對升力的降低效果更明顯1#隔離帶使主超車升力平均降低了444%(而2#隔離帶使主超車升力平均降低了718%1對于被超車而言其升力降低幅度也很大。尤其在X/L=-05處升力降低幅度最大隔離帶使Fl減小

15、了31588NI2#隔離帶使F(_減小了38843Ni但X/L>05以后i隔離帶的影響不大；由圖7(b)還可看出<幾乎在整個超車過程中彳2#隔離帶己使被超車的升力由正值變?yōu)樨?fù)值f這使車輛的操縱穩(wěn)定性得到顯著提高§22流場分析由上述分析可知在側(cè)風(fēng)條件下隔離帶對超車過程車輛氣動力產(chǎn)生了較大影響由圖5圖7可見i在X.'L=-05附近車輛氣動力達(dá)到峰值i因此下面對該位置處流場進(jìn)行分析f(b)被超車升力圖7側(cè)風(fēng)條件下主超車與被超車的升力圖8為側(cè)風(fēng)條件下不同隔離帶X/L=-05時1Z=14m截面上的壓力云圖和流線圖；由圖8(a)可見:無隔離帶時U在側(cè)風(fēng)作用下$前方來流發(fā)生偏轉(zhuǎn)

16、j氣流繞過車身時N在兩車背風(fēng)側(cè)和尾部產(chǎn)生氣流分離，形成漩渦！尾流向著側(cè)風(fēng)方向偏轉(zhuǎn)；由圖8(b)可見£當(dāng)受到1#隔離帶作用時。部分側(cè)風(fēng)穿過隔離帶F對前方來流產(chǎn)生擾動f在車身周圍產(chǎn)生許多回流f形成數(shù)量較多的小漩渦此時兩車迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓差減小i側(cè)向力減小.:而由圖8(c)可見:'采用2#隔離帶時R側(cè)風(fēng)無法穿過隔離帶彳只能從隔離帶頂圖8側(cè)風(fēng)條件下X/L=-05時Z=14m截面壓力云圖和流線圖部繞流到車輛周圍H此時主超車前方來流受側(cè)風(fēng)影響較小彳不再與車身呈一定角度彳而是幾乎與車頭垂直N氣流繞過車身后it也不再隨著側(cè)風(fēng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)R而是在主超車尾部較大負(fù)壓的作用下。逐漸向主超車正后方偏轉(zhuǎn)i

17、并在尾部形成漩渦X當(dāng)氣流流過車身時車輛背風(fēng)側(cè)沒有明顯的漩渦生成#此時車身左右兩側(cè)壓差進(jìn)一步減小,使側(cè)向力減小N圖9為側(cè)風(fēng)條件下不同隔離帶X/L=_05時主超車和被超車縱對稱面上的壓力云圖和流線圖月由圖9(a)可見'無隔離帶時，主超車前方來流遇到車頭時R部分氣流滯止彳在車頭前方形成較高的正壓H流過駕駛室頂部的氣流R繞流廂體前上緣時8產(chǎn)生氣流分離i形成一個較大的氣流分離區(qū)f流過這個區(qū)域的氣流#在廂體頂部后方附著并向下游流動H在廂體后緣分離流入尾部F而由駕駛室頭部分流到底部的氣流i受到車輛底部凹凸不平和地面的影響N速度降低R壓強升高】當(dāng)這部分氣流到達(dá)車廂尾部時彳由于尾流壓強較低i在壓強差的作

18、用下形成較強的上卷漩渦口"；漩渦的脫落產(chǎn)生了較大的能量損失形成了較大的氣動阻力1由圖9(c)可見i當(dāng)受到1#隔離帶影響時f主超車周圍流場發(fā)生改變H由于部分側(cè)風(fēng)穿過隔離帶流至主超車周圍f對車輛前方來流產(chǎn)生擾動。氣流在主超車前方產(chǎn)生回流彳形成一個較大的漩渦R導(dǎo)致主超車前方壓力降低f氣流繞流廂體上方時i形成一個與圖9(a)中類似的漩渦i之后流入尾部R并在車輛尾部附近形成漩渦§在車輛底部i由于氣流受到穿過隔離帶的側(cè)風(fēng)的擾動R速度升高i壓強降低i因此車輛受到的升力減小，當(dāng)氣流從底部進(jìn)入尾流時r由于壓差減小n在尾部形成的上卷漩渦減弱i影響區(qū)域減小j由圖9(C)還可發(fā)現(xiàn)I在上卷漩渦后方靠

19、近地面處氣流還形成了明顯的回流區(qū)月由于車輛前后壓差減小i致使主超車受到的氣動阻力大幅度減小1由圖9(e)可見i當(dāng)受到2#隔離帶影響時f由于側(cè)風(fēng)無法穿過隔離帶*所以車身周圍的氣流主要來自車輛前方和繞流隔離帶上方的氣流i此時側(cè)風(fēng)的影響減弱主超車受到的各項氣動力均減小H對于被超車i由圖9(b)可見;'無隔離帶時i前方來流在車頭前方形成滯止氣流f產(chǎn)生高壓i但其壓力明顯低于主超車的壓力H由于受到主超車的影響。被超車尾部的上卷漩渦消失彳取而代之的是一個滯止點渦i且在滯止點渦后方形成另一個較大的漩渦#由圖9(d)可見二當(dāng)受到1*隔離帶影響時;'被超車前方氣流產(chǎn)生回流d削弱了車前正壓i并在一定

20、區(qū)域內(nèi)形成了負(fù)壓i底部氣流擾動較大H速度增加A壓強減小F車輛受到的升力減小P尾流中沒有明顯的上卷漩渦i但同圖9(b)類似：形成了滯止點渦和另一個渦心位置較高尺寸較大的漩渦月車輛前后壓差減小f受到的氣動阻力減小1由圖9(f)可見；當(dāng)受到2#隔離帶影響時i被超車前方形成較高的正壓N尾部形成明顯的上卷漩渦i尾部負(fù)壓增強N車輛的氣動阻力比無隔離帶時還大N車輛底部形成一些小的漩渦f但在貼近地面處彳部分氣流直接流過車輛底部流速較快i壓強較低R因此升力減小N-I知x-1n祝枷zo揄£翎w.w，晦混圖9側(cè)風(fēng)條件下HL=-05處主超車與被超車縱對稱面壓力云圖和流線圖3結(jié)論(D無側(cè)風(fēng)時隔離帶對車輛氣動力

21、影響很??；隔離帶對車輛氣動阻力的影響不足i%i對側(cè)向力和升力的影響略大一些R但對車輛安全穩(wěn)定性的總體影響依然很小N(2) 在側(cè)風(fēng)條件下i隔離帶使超車過程中車輛氣動力發(fā)生明顯改變N在兩種隔離帶作用下主超車的阻力、側(cè)向力和升力均大幅度降低f而被超車的阻力在稀疏隔離帶作用下減小R在密集隔離帶作用下增大i其側(cè)向力和升力在兩種隔離帶作用下均減小J(3) 隔離帶改善了側(cè)風(fēng)條件下車輛的氣動性能N相對植被稀疏的隔離帶t植被密集的隔離帶使車輛的氣動力變化較大。氣動性能改善效果更明顯參考文獻(xiàn)1 GUILMINEAUE:CHOMETONF.Effectofsidewindonasimpli'fiedcarm

22、odel:ExperimentalandnumericalanalysisJ.JournalofFluicfcEngineering2009i131(2)二021104-021115.2 龔旭j谷正氣i李振任；等.側(cè)風(fēng)狀態(tài)下轎車氣動特性數(shù)值模擬方法的研究J.汽車工程201032(1):13-16.3 GUILMINEAUE«CHIKHAOUI0DENGGB;etal.CrosswindeffectsonasimplifiedcarmodelbyaDESapproachJ.ComputersandFluicfc-2013178(12):29-40.4 于偉靖:'張英朝i任琳琳；

23、等.重型商用車間歇性側(cè)風(fēng)氣動特性仿真J.汽車工程；2017(39(4):407-411.5 CHELIF(RIPAMONTIF-SAEBIONlE'etal.Windrtin?el,testsonheavyroadvehicles:CrosswindinducedloachPart2LJ.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics；2011(99(1lr0):1011-1024.6用興軍i丁鵬宇i秦裾R等.州風(fēng)影響下橋上行駛的重型貨車氣動特性模擬J1.吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)-2012(42(3):534-538.(上接第395頁)

24、大而增加;'NO和PN兩種污染物的排放量與動力學(xué)參數(shù)有較強的線性相關(guān)性，(5)本文中提出了一種根據(jù)動力學(xué)參數(shù)對RDE實驗結(jié)果進(jìn)行修正的方法彳建議在RDE法規(guī)后續(xù)修訂的過程中il考慮動力學(xué)參數(shù)對RDE實驗結(jié)果的影響并給出相應(yīng)的方法進(jìn)行評估N參考文獻(xiàn)L1中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年柴2016M.北京：中國統(tǒng)計出版社2016.2 JOHNS0NTV.ReviewofvehicularemissionstrendsC.SAEPaper2015"010993.3 VLACHOSTG*BONNELP;PERUJOAietal.Inuseemissionstestingwithpo

25、rtableemissionsmeasurementsystems(PEMS)inthecurrentandfutureeuropeanvehicleemissionslegislation:overview，underlyingprinciplesandexpectedbenefitsLJ.SAEInter王艷.道路地形對貨車側(cè)風(fēng)行駛氣動特性的影響研究D.長春:吉林大學(xué)i2015.6 CORINRHEL；DOMINYRG.ACFDinvestigationintothetransientaerodynamicforcesonovertakingroadvehiclemodelsJ.Journ

26、alofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics-2008-96(8):1390-1411.7 HOWELLJ-GARRYKiHOLTJ.TheaerodynamicsofasmallcarovertakingatruckJ.SAEInternationalJournalofPassengerCarsMechanicalSystems-20147(2):626_638.8 GROMKEC：JAMARKATTELN<RUCKB.Influenceofroad'sidehedgerowsonairqualityinurbanstreetcanyonsLJ.AtmosphericEnvironment2016-139:7586.9 LIUL;SUNY-CHIX*etal.TransientaerodynamiccharacteristicsofvansovertakingincrcsswindsCJ.JournalofWindEngineeriqgandIndustrialAerodynamicsf2017'170:4655.10 王福軍.計算流體動力學(xué)分析FD軟件原理與應(yīng)用】M.北京:清華大