（流体机械及工程专业论文）基于特定行车环境的厢式货车空气动力性能的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 当今世界汽车保有量飞速增长，高速公路行车里程不断增加，道路设施不 断完善，同时汽车行业的技术水平不断提高，使得在高速公路上行驶的各类汽 车的数量和速度不断增加。汽车在路面上的行驶环境越来越复杂，除去中央分 隔带等道路设施的影响外，各类汽车尾随行驶等复杂行车情况也频繁出现。车 辆流场之间的相互干扰及道路设施对汽车外流场的干扰会严重影响汽车的气动 特性，并对汽车的操纵稳定性和行车安全性产生很大影响，甚至造成交通事故。高 速行驶车辆的空气动力稳定性是安全行车的保证，因此研究尾随行驶车辆的气 动特性及中央分隔带等道路设施对汽车气动特性的影响具有十分重要的现实意 义。 本文的研究目的就是研究某厢式货车和某阶背式小轿车尾随行驶时的气动 特性，分别研究了尾随车辆类型、两车纵向间距、有无中央分隔带等因素对尾 随行驶车辆外流场的影响，为两车安全尾随行驶提供理论依据。 汽车空气动力学的研究方法主要有理论分析、试验研究和数值模拟计算， 本文即是结合这三种方法对研究所涉及的问题进行深入分析探讨，对研究对象 所涉及的流动现象、力学结果之间的因果关系提出分析见解，得出结论。 为了达到上述研究目的，本文从以下几个方面对厢式货车和小轿车尾随行 驶的空气动力特性进行研究： 首先对小轿车与厢式货车尾随行车进行烟风洞试验，通过对比烟风洞试验 流场分布和数值模拟计算的流场分布，验证试验与计算两种方法对于尾随行车 外流场研究结果的一致性，说明本课题所用数值模拟计算方法的合理性和准确 性。 利用稳态数值模拟方法计算厢式货车和小轿车尾随行驶的气动特性，改变 尾随车和被尾随车的车型，分析车型改变对尾随行驶的影响；针对厢式货车尾 随厢式货车的工况，改变两车的纵向间距，分析不同间距对相同车型车辆尾随 行车的影响。 行驶车辆与高速道路中央分隔带之间是相对运动的，为了模拟这种运动， 本文把一种利用动网格技术进行非稳态计算的方法应用到行驶车辆非稳态气动 一卜 摘要 特性的模拟计算中。利用这种方法研究了厢式货车以4 0 m s 速度行驶的气动特 性，通过与前人试验和稳态计算结果的对比，证明此方法的可行性。利用此方 法计算了有中央分隔带存在的厢式货车单车行驶及尾随行驶的空气动力特性， 分析了中央分隔带对高速行驶厢式货车外流场的影响，为汽车外流场数值模拟 计算中是否要考虑中央分隔带等道路设施因素提供理论依据。同时，利用非稳 态计算方法模拟了一辆运动厢式货车高速超过另一辆静止货车时的气动特性， 分析了横向间距改变对两车外流场的影响，为汽车安全行驶提供理论依据。 模拟计算得出：在尾随行驶时，车型的改变对尾随车的影响更大；厢式货 车尾随厢式货车时，在一定纵向间距范围内，两车的阻力系数随间距减小而减 小，前车的升力系数随间距减小而增大；高速公路中央分隔带对尾随行车中后 车的影响相对较大；运动货车超过静止货车时，两车横向间距越小对两车气动 特性及行车安全性影响越大，间距的改变对被超车影响更大。 通过对计算数据的系统分析，研究尾随行驶车辆表面气流的流动特点，明 确车型改变、纵向间距等因素对尾随行驶车辆气动特性的影响规律，分析高速 公路中央分隔带对厢式货车单车行驶及尾随行驶的影响，研究运动货车超过静 止货车的气动特性，为高速公路上厢式货车在不同工况下的安全行驶提供重要 的参考依据，为复杂行车环境下汽车气动特性的研究提供方法。 关键词：车型；尾随行车；中央分隔带；非稳态；空气动力特性 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eq u a n t i t yo fa u t o m o b i l e si sr i s i n ga tv e r yf a s ts p e e da l lo v e rt h ew o r l d t h e f r e e w a y sa r ed e v e l o p i n gm o r ep e r f e c t l y ，a n dt h et e c h n i q u el e v e lo fa u t o m o b i l e si s a d v a n c e dc o n t i n u o u s l y ，w h i c hc a u s et h eq u a n t i t ya n ds p e e do fk i n d so fa u t o m o b i l e s o nt h ef r e e w a y sa r ei n c r e a s i n gc o n t i n u o u s l y t h er u n n i n gc o n d i t i o no fa u t o m o b i l e so n f r e e w a y si sm o r ec o m p l e x ，w h i c hi n c l u d e si n f l u e n c eo fr o a de s t a b l i s h m e n t si n c l u d i n g c e n t r a lr e s e r v ea n dt h ef r e q u e n tp h e n o m e n ao fk i n d so fa u t o m o b i l e si nt a n d e m t h e i n f l u e n c eo ff l o wf i e l db e t w e e na u t o m o b i l e sa n dt h ei n f l u e n c eo fr o a de s t a b l i s h m e n t s o ne x t e m a lf l o wf i e l do fa u t o m o b i l e sc a nc h a n g ea e r o d y n a m i cc h a r a c t e ra n di n f l u e n c e c o n t r o ls t a b i l i t ya n ds e c u r i t y , e v e nr e s u l ti nt r a f f i ca c c i d e n t t h e r e f o r et h er e s e a r c ho n a e r o d y n a m i cc h a r a c t e ro fa u t o m o b i l e si nt a n d e ma n dt h ei n f l u e n c eo fc e n t r a lr e s e r v e o na e r o d y n a m i cc h a r a c t e rh a sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri ss t u d y i n ga e r o d y n a m i cc h a r a c t e ro fav a i la n dac a ri n t a n d e m ，t h ei n f l u e n c eo fs t y l e s ，l e n g t h w a y ss p a c e ，a n d 谢mo rw i t h o u tc e n t r a lr e s e r v e o ne x t e m a lf l o wf i e l do fa u t o m o b i l e si nt a n d e m t h i sp a p e rc a np r o v i d et h e o r y g u i d a n c eo fa u t o m o b i l e s s e c u r er u n n i n gi nt a n d e m a u t o m o b i l e a e r o d y n a m i c m e t h o d s m a i n l yi n c l u d e ：t h e o r ya n a l y s i s ， e x a m i n a t i o n a lr e s e a r c ha n dc o m p u t a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ep r o b l e m sd e e p l yu s i n gt h e s em e t h o d s a l s ot h i sp a p e ra n a l y z e sa n dd e r i v e st h e r e l a t i o n sb e t w e e nf l o w i n gp h e n o m e n aa n dd y n a m i c a la n de d u c e st h ec o n c l u s i o n st h a t c a nd i r e c tt h ei m p r o v e m e n to ft h ed e s i g n i no r d e rt oa c h i e v et h ea i m so ft h er e s e a r c h ，t h i sp a p e rs t u d i e sa e r o d y n a m i c c h a r a c t e ro fav a na n dac a ri nt a n d e mi ns e v e r a lw a y s ： f i r s t l y , h a v i n ga s m o k ew i n dt u n n e lt e s to n av a i la n dac a ri nt a n d e m ，a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed a t ao fs m o k ew i n dt u n n e la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h i sp a p e rv a l i d a t e st h ec o n s i s t e n c yo fe x t e r n a lf l o wf i e l di nt a n d e mo ft w od i f f e r e n t m e t h o d s ，w h i c he x p l a i n st h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sr a t i o n a la n d v e r a c i o u s i a b s t r a c t t h i sp a p e rc o m p u t e st h ea e r o d y n a m i cc h a r a c t e ro fa v a na n dac a ri nt a n d e m u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，、航t hd i f f e r e n ts t y l e so ft h el e a da u t o m o b i l ea n dt h et r a i l a u t o m o b i l e ，a n a l y s e st h ei n f l u e n c eo fa u t o m o b i l es t y l e so na e r o d y n a m i cc h a r a c t e ri n t a n d e m 。t h e nt h i sp a p e ra n a l y s e st h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ts p a c eo nt h es a m ev a n si n t a n d e m t h er u n n i n ga u t o m o b i l eh a sr e l a t i v ed i s p l a c e m e n tw i t hc e n t r a lr e s e r v eo n f r e e w a y i no r d e r t os i m u l a t et h e s i t u a t i o n ，am e t h o do fc a l c u l a t i n gu n s t e a d y a e r o d y n a m i cc h a r a c t e ri sp r e s e n t e d ，w h i c hi sr e a l i z e db yd y n a m i cm e s ht e c h n i q u ea n d t h ep r o g r a mu d fm o d u l ed e v e l o p e db ya u t h o r s t h eu n s t e a d yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o fam o v i n gv a ni n4 0 m s i s s u c c e s s f u l l yc a r r i e do u t ，w h i c hi sc o n t r a s t e dw i t h f a t h e r s e x p e r i m e n t sa n ds t e a d yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t st op r o v et h em e t h o di s f e a s i b l e u s i n gt h em e t h o d ，v a n s a e r o d y n a m i cc h a r a c t e ri ns i n g l ea n di nt a n d e m 谢t h c e n t r a lr e s e r v ei sc a r r i e do u t ，a n dt h ei n f l u e n c eo fc e n t r a lr e s e r v eo nv a n s e x t e r n a l f l o wf i e l di nh i g hs p e e di sa n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e st h e o r yg u i d a n c et oc o n s i d e r i n g c e n t r a lr e s e r v eo rn o ti nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa u t o m o b i l e sr u n n i n go nf r e e w a y a l s oa e r o d y n a m i cc h a r a c t e ro far u n n i n gv a n p a s s i n ga n o t h e rr e s t i n gv a ni ss i m u l a t e d 、析mt h em e t h o d t h ep a p e ra n a l y s e st h ei n f l u e n c eo ft r a n s v e r s es p a c eo ne x t e r n a l f l o wf i e l d ，w h i c hp r o v i d e st h e o r yg u i d a n c et oa u t o m o b i l e s s a f er u n n i n g t h er e s u l t sa r e ：s t y l e so fa u t o m o b i l e sh a v em o r ei n f l u e n c eo nt r a i lv e h i c l e s ； w h e nt w ov a n si nt a n d e m ，t h er e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t so ft w ov a n s c h a n g e a s l e n g t h w a y ss p a c ei nt h es a m ed i r e c t i o n ，a n dl i f tc o e f f i c i e n to ft h el e a dv a nc h a n g e sa s l e n g t h w a y ss p a c ei nt h eo p p o s i t ed i r e c t i o n ；t h ec e n t r a lr e s e r v eh a sm o r ei n f l u e n c eo n t h et r a i lv a ni nt a n d e m ；w h e na r u n n i n gv a ni sp a s s i n gar e s t i n gv a n ，t h ei n f l u e n c eo n v a n s a e r o d y n a m i cc h a r a c t e ra n ds e c u r i t yi sm o r ea st h et r a n s v e r s es p a c ei ss m a l l ，a n d t h ec h a n g eo fs p a c eh a sm o r ei n f l u e n c eo nt h er e s t i n gv a n a c c o r d i n gt ot h es y s t e m i ca n a l y s i so fc o m p u t a t i o n a ld a t a , t h ee x t e r n a lf l o wf i e l d o fv a n si nt a n d e mi sr e s e a r c h e d ，t h ei n f l u e n c eo fs t y l e s l e n g t h w a y s s p a c eo n a e r o d y n a m i cc h a r a c t e ro fv a n si nt a n d e mi sa n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo fc e n t r a lr e s e r v e o na e r o d y n a m i cc h a r a c t e ro fv a n si ns i n g l ea n di nt a n d e mi sa n a l y z e d a e r o d y n a m i c i v 山东大学硕士学位论文 c h a r a c t e ro ft h en m n i n gv a i lp a s s i n gt h er e s t i n gv a i l si sr e s e a r c h e d t h i sp a p e rc a n p r o v i d et h e o r yg u i d a n c et os a f er u n n i n go fv a n si nd i f f e r e n ts i t u a t i o n so nf r e e w a y , a n d o f f e r sm e t h o d st ot h er e s e a r c h e so na e r o d y n a m i cc h a r a c t e ro fa u t o m o b i l e si nc o m p l e x t r a v e l i n gc o n d i t i o n k e y w o r d s ：d i f f e r e n ta u t o m o b i l e s ；r u n n i n gi nt a n d e m ；c e n t r a lr e s e r v e ；u n s t e a d y ； a e r o d y n a m i cc h a r a c t e r v 主要符号 p 气流密度，k g m 3 ； g重力，n ； 4 汽车迎风面积，i n 2 ； 乃 气动阻力，n ； c ，气动升力系数 主要符号 y 汽车速度，m s ； e 升力，n ； p 气体压强，p a ： 巳 气动阻力系数； q气动侧向力系数 汽车所受的滚动阻力，n ； 滚动阻力系数； 最 爬升阻力，n ；c压差阻力，n ； c 表面摩擦阻力，n ；z诱导阻力，n ； g 重力加速度，m s 2 ； a 汽车行驶的加速度，r n s 2 ； 0 路面和水平面的夹角； f 切应力，n m 2 ； 流体的动力粘度，p a s ；“ 紊流粘性系数； z汽车特征长度，i i l i l l ；l小轿车车长，m m ； x 两车横向间距，i n i n ；m汽车质量 h 厢式货车 j 小轿车 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：兰妻垂巨一 e l 期：鱼埠巡 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者毓覆孟至导师签碰日期：冱幽! 旧 山东大学硕士学位论文 1 绪论 节能、安全、排放是当今世界汽车领域的三大课题，而汽车空气动力特性与 这三大课题密切相关。汽车空气动力学对汽车行驶时的操纵稳定性、安全性、动 力性和经济性有重要影响。气动阻力是影响车辆经济性的重要因素，近年来由于 能源的问题，人们对汽车气动阻力的研究更加重视，具有较低的阻力系数即c 。值 成为汽车的重要性能指标。通过研究各种各样的车身形状，减小车辆所受的气动 阻力，使得车辆行驶的经济性有了很大的提升。气动升力是影响车辆稳定性的重 要因素。随着汽车技术的发展，汽车空气动力学在汽车性能中所起的作用越来越 大。由于汽车技术的进步，汽车速度越来越高，汽车的行车安全问题越来越突出， 提高汽车高速行驶时的操纵稳定性变得很重要。上世纪八九十年代，国内外学者 开始关心汽车的操纵稳定性问题。当高速汽车在复杂行车环境下行驶时，汽车车 身受气动力作用的情况，以及此作用力对汽车操纵产生什么样的影响成为从事汽 车设计的工程师们关心的课题。 1 1 研究背景 行车的经济性、安全性、稳定性是汽车空气动力学发展的动力与根本。2 0 0 8 年底，我国高速公路通车里程达到6 0 3 万公里，机动车保有量接近1 7 亿辆。 随着高等级公路的发展及汽车保有量的提高，高速公路车流密度加大，汽车在路 面上的行驶环境越来越复杂，多车队列行驶及超车、会车等复杂情况频繁出现。 车辆流场之间的相互干扰会严重影响汽车的气动特性，并对汽车的操纵稳定性和 安全性产生很大影响，甚至造成交通事故。高速行驶车辆的空气动力稳定性是安 全行车的保证。因此研究高速复杂行车过程中车辆的气动特性具有十分重要的现 实意义。 2 0 0 5 年，全国公路上发生交通事故2 7 2 8 4 0 起，造成7 6 6 8 9 人死亡，分别占 总数的6 0 6 和7 7 7 ，其中高速公路上交通事故造成6 4 0 7 人死亡，占总数的 6 5 ，比2 0 0 4 年上升2 8 ；在全国共发生的4 7 起特大交通事故中，在公路上 发生4 4 起，造成7 4 6 人死亡，分别占总数的9 3 6 和9 2 3 ，其中高速公路上 绪论 发生1 0 起，同比增加了2 起。从这些数据来看，虽然高速公路是目前我国路况 条件、交通工程设施配备以及养护管理最好的公路，但是交通安全问题依然十分 突出。如图1 1 京津塘高速公路全线交通事故形态分析图和图1 2 成渝高速公路 重庆段交通事故形态分析图，根据历年来公安部通报的“全国道路交通事故统计 分析”来看，东、中、西部高速公路交通事故形态中排前两位的均为尾随相撞、 撞固定物，而占第三位的事故形态，东部地区高速公路为侧面相撞，中、西部地 区为翻车【。 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 o 蜊姆暮烬料料 翼 罂密到霸霸 鲤阻器球蕃 嗖蕃露簪 廿蟹 r o 时，把7 7 作为度量时均紊流度的参数；在变 形率很小情况下，s 和7 7 趋向于零，附加源项r 趋于零，模型方程变成标准的h 紊流模型；而在变形率很大时，s 和7 7 趋向于无穷大，附加源项变为r = 等高等。 此时，对于变形率相似的紊流，r 。取固定值，而为常数，估计值可取卡 门常数o 4 1 。本文计算的货车外流场中的分离流，介于这两个极限情形之间。 上述各式中的其它经验或试验常数取值如下【4 7 】： 瓯= = 1 3 9 3 ，c 1 置= 1 4 2 ，c 2 。= 1 6 8 ，巴= 0 0 8 4 5 上述方程组中共有六个独立方程，含有压强、三个速度分量、紊流湍动能和 紊流耗散率共六个未知数，所以该数学模型封闭，可以数值求解。 本文利用大型商业软件f l u e n t 进行计算，稳态计算用有限差分方法对含 有原始变量的基本方程进行离散，采用r n g k s 双方程模型，采用交错网格， 应用二阶迎风格式，对压强的求解采用s i m p l e 方法。 2 计算区域及网格设定 k o b a y a s h i 等人的研究表明【3 0 1 ，模型尾部在长度方向上的计算区域不小于模 山东大学硕士学位论文 型宽度的5 倍，模型顶部的计算区域不小于模型宽度的2 倍，才能保证模型周围 的流场基本不受边界的影响。 除了模型和计算区域的选取对计算结果的精度有重要的影响之外，计算网格 质量的好坏也会直接影响计算结果的精度和c p u 耗用的时间，不合理的网格划 分甚至会导致求解发散。本文的稳态计算中计算区域采用固定的三维直角坐标系 统，计算采用结构六面体和非结构四面体混合网格，在贴近车体表面流场变化较 为剧烈的地方采用较密的非结构四面体网格，以提高计算精度，在车体以外较远 区域采用结构六面体网格，以减少网格数量，从而节约c p u 耗用时间。 3 边界条件设定 由于厢式货车外流场的数学描述是以微分方程组的形式出现的，而微分方程 仅仅反映了区域内部相邻点之间、相继时刻之间联系的规律，这种规律通常与边 界上和初始时刻流场的状态无关，具体的流动过程显然是与边界特点和初始条件 有关的，因此，边界条件和初始条件或两者之一是一切由微分方程所描述的定解 问题必不可少的，也是特定的物理现象区别于其它具有同一微分方程描述的同类 物理现象的限定条件，一个物理问题只有确定了其边界条件和初始条件才使得描 述它的数理方程具有个性特征，从而使问题才有求其定解的可能。 稳态问题数值模拟不需要给定初始条件，只要给出边界条件，流动微分方程 组就有定解。边界条件的确定要求在数学上满足适定性，即微分方程的解存在、 唯一且稳定，在物理上有明显的意义。稳态数值模拟的边界条件有如下几类：入 口边界条件、出口边界条件、壁面边界条件、计算区域侧面边界和对称平面边界 条件等，其中对称平面边界不是必选项，可以通过对称设定对称的计算区域边界 和壁面边界的边界条件得以实现。 汽车在路上行驶时，地面是不存在附面层的，在前人风洞试验中，应进行地 板附面层的处理，但限于试验条件，具体操作中有困难，而且固定地板对气动力 影响很小，因此没有进行地板边界层处理。所以，在模拟计算时为了便于跟前人 试验结果的比较，同样采用地面固定边界条件，相当于地面是无穿透固壁，即无 流体穿过地面，并且在地面上满足无滑移边界条件。 在本文中，参考压强儿= 0 ，具体设定情况如表3 5 所示： 汽车外流场试验与数值计算的方法 表3 5 稳态计算边界条件的设定 4 收敛的判断 数值计算的收敛性问题是一个长期困扰计算流体力学工作者的难题。在 f l u e n t 中数值求解的收敛性问题主要是通过控制代数方程多次迭代的残差来 实现的。残差反映了微分方程离散在有限体积上的代数方程组在求解过程中的不 平衡性，残差的定义如下： g p = 口p 九一o f ，织+ 办十6 ( 3 - 8 ) i = w 。e ，s ，n ，l ，h 式中b = s c v + 口p 0 尸0 ，上标“0 ”表示p 点前一时间步的性质，v 为网格单元的 体积。如果求解的问题在数学上是收敛的并且在f l u e n t 中设置准确无误，就 会获得一个收敛的解。在f l u e n t 运行的监视窗口中表现为，各个求解变量的 残差稳步减小，最后达到一个满意的值。 在f l u e n t 中通常采用修改松弛因子的方法来促进收敛。判定收敛时残差 的一般值为1 0 一，但在实际计算中由于网格数量和质量问题残差会出现波动，此 时应该靠监测某项力系数的结果来进行辅助判定。 3 2 4 2 非稳态数值模拟计算方法 随对汽车复杂流场研究的深入，对汽车非稳态气动特性的研究变得日趋重 要。由于测试设备和实验条件的限制，道路试验和风洞试验在非稳态气动特性研 究中有很大的局限性m 7 】【4 8 1 1 4 9 1 ，数值模拟计算成为现阶段进行汽车非稳态气动特 性研究的最好途径。 1 数值模拟控制方程 非稳态数值模拟流场属于三维、黏性、非定常、不可压缩流，所以必须遵守 质量守恒、动量守恒、能量守恒和湍流控制方程，在三维直角坐标系中这些控制 3 2 些壅茎堂堡兰壁堡塞 方程的守恒型通用形式为 掣+ d v c ；u ) ：d i v ( f g r a d # ) + s ( 3 - 9 ) 研 式中：为通用变量i r 为广义扩散系数；s 为广义源项，式中的各项依次为瞬态 项、对流项、扩散项和源项，对于特定的方程，、f 和s 具有特定的形式旧。 2 计算区域及网格设定 在f l u e n t 软件中动网格技术的网格重组方法主要有弹性光顺法、局部 网格重组法、动态分层法。使用弹性光顺法，厢格拓扑始终不变，无需插值，保 证了计算精度，但弹性光顺法不适用于大变形情况；局部网格重组法一般与弹性 光顺法一起使用，网格重组所需计算时间较长，同时重新组成的网格具有不可确 定性，计算过程容易出现负体积，导致计算失败。动态分层法用于结构化网格中， 对于厢式货车等复杂外形物体的流场区域不适用。本文提出了一种利用动网格技 术计算厢式货车非稳态气动特性的新方法。 如图3 5 所示运动物体的计算区域分为三个部分：区域2 中的网格跟随运动 物体一起做刚性运动，该区域网格不发生变形和重组，所以网格划分可以足蟛精 细。对于复杂外形物体周围区域，非结构网格是保证其精度的最好网格划分方法。 本文在物体周围采用较密的四面体非结构网格。在计算过程中，网格质量不随物 体运动而降低，从而保证计算的准确性。区域1 与区域3 为网格变形区，采用规 则的六面体结构网格，利用动态分层法进行网格重组。随区域2 的运动，毗邻的 区域i 中的网格层被压缩，如a 图中的i 层网格；区域3 中的网格层被拉伸，如 a 图中的j 层网格。当网格变形达到设定值时，被压缩的网格与相邻的网格层合 并，被拉伸的网格层分裂出一层新的网格，图b 中m 层网格是即将消失的网格 层，n 层网格是新分裂出的网格层。从图上可知，在重组过程中网格的总数量不 发生改变，只是网格层的消失和分裂，保证了计算的顺利进行。该网格重组方法 在f l u e n t 中通过引入用户自定义函数实现。 骊震 a 拉伸压缩过程 汽车外流场试验与数值计算的方法 b 分裂消失过程 图3 5 物体运动时阿格变形过程 非稳态计算中，计算域初始状态为静止流场，物体以某一恒定速度运动，流 场随物体的运动逐渐演变，经过一定时间后，流场趋于稳定。匀速运动物体气动 特性的研究应建立在流场稳定的基础上，因此考虑到流场达到稳定所需的时间 以及相应的物体运动距离，选择计算域时必须在物体前方留出足够长度的过渡区 域。 3 边界条件设定 非稳态数值计算中，边界条件的类别与稳态数值计算基本相同，只是在设置 方面有些许差别。本研究中非稳态计算边界条件设置如表3 6 。 表3 6 非稳态计算边界条件的设定 在非稳态问题中，除了要给定边界条件外，还需要给出流动区域内各计算点 的所有流动变量的初值，即初始条件。本研究非稳态计算的初始条件设置较为简 单，只需要设定汽车模型的行驶速度。 坐堡丕生塑主堂鱼堡羔 4 特定行车环境下厢式货车空气动力特性的研究 本文研究了厢式货车在尾随行车中的气动特性，研究了车型、纵向间距对尾 随行车气动性能的影响；研究了有中央分隔带存在时，厢式货车单车行驶与尾随 行驶时车辆外流场气动性能的不同；研究了高速行驶厢式货车超过静止厢式货车 时两车外流场的气动性能的变化。 4 1 厢式货车与小轿车尾随行驶气动特性的研究 411 厢式货车与小轿车尾随行车烟风洞试验研究 4 , 1 1 1 试验设备及试验模型 本文流场显示实验在小型烟风洞中进行，其构造如图41 所示。实验采用烟 线法，烟风洞实验段长9 2 0 r t u n ，横截面积4 7 0 x 3 5 0 m 一，采用润滑油做发烟物质， 共有烟线管五十一根。 图4 1 小型烟风桐 本实验选取莱斯太尔货车1 ：2 0 模型及某阶背式小轿车1 ：2 0 模型作为研究对 象，实物如图42 。试验目的旨在模拟厢式货车尾随小轿车及小轿车尾随厢式货 车时外流场的气动特性，由于试验条件限制，取两车纵向间距为1 l ( l 为小轿 车车长) 。 3 ， 特定行车环境下厢式货车空气动力特性的研究 山矗鲁鱼 图4 2 烟风洞试验用模型 4 1 1 2 烟风洞试验内容 本文对厢式货车单车及厢式货车和小轿车尾随工况进行了烟风洞试验，具体 试验方案见表4 1 。 表4 1 烟风洞试验方案 厢式货车单车烟风洞试验结果如图4 3 所示，从烟线的轨迹可以看出厢式货 车外流场的流动状态。当气流绕流汽车时，前方来流首先遇到车头，在车头前部 气流滞止，使气流向顶部、底部和侧面流动。气流经过驾驶室头部流到顶部，冲 击到厢体高出驾驶室部位，使部分气流滞止，在驾驶室和厢体间形成一个较高压 强的死水区，使厢体上部的正压向下部扩展，厢体迎风面上的正压区扩大。气流 流过上述滞止区域，绕流厢体前上缘，产生气流分流，形成一个较大的气流分离 区。流过这个区域的气流，在厢体顶面后部附着并向下游流动，在厢体后缘分离 流入尾流。流过顶部、侧面和底部的气流均在厢体后缘分离进入尾流。由图上可 以看出，流过顶部的气流速度较大，动能大，流线弯曲较小；流过底部的气流速 度较低，压强较高，而尾流压强低，底部流出的气流在这个压强差作用下上卷， 在尾流中形成较强的上卷旋涡。 圈4 3 厢式货车单车烟风洞试验结果 山东大学硕士学位论文 图4 4 显示了厢式货车尾随小轿车的烟风洞试验结果，从国上可以看出，来 流先经过小轿车，在小轿车头部气流滞止，气流向顶部、底部和侧面流去。在顶 部，气流沿着流线型车身流动，在车身尾部分离流入尾流。不同于单车，此时的 厢式货车来流不是平行的气流，而是受小轿车尾流影响的带旋涡的气流，进入货 车底部的气流较少，从而影响货车尾部上卷旋涡，使厢式货车尾涡区域变小，车 身后部负压区变小。同时货车处于轿车的尾部负压区，迎风面所受压强变弱，使 得货车在行驶中所受气动阻力也随之减小。 图4 4 厢式货车尾随小轿车烟风洞试验结果 图45 是小轿车尾随厢式货车烟风洞试验结果，厢式货车前部气流与单车行 驶时基本一致，气流经过车厢顶部、底部和侧面汇八尾流，此时小轿车正处于厢 式货车尾部气流中，与图4 3 比较，小轿车破坏了货车尾部的上卷旋涡，使货车 的尾部负压区域减小，对压差阻力产生一定影响。受厢式货车的阻挡，小轿车迎 风面气流减少，使轿车前部正压区大大减小，使得小轿车的气动阻力大幅度下降。 同时流过厢式货车顶部的气流速度大，流线向下弯曲，小轿车顶部受气流压力增 大，使小轿车所受升力减小。 图4 5 小轿车尾随厢式货车烟风洞试验结果 特定行车环境下厢式货车空气动力特性的研究 41 2 厢式货车与小轿车尾随行车数值模拟计算 4 1 2 1 基本假设及模型简化 考虑到工作站的计算能力及网格数量的限制，在满足流体力学相似原理的基 础上，对厢式货车和小轿车的计算模型做出如下假设： 1 1 采用某s t e y r 厢式货车及s a e 提案的阶背式轿车1 ：1 0 模型作为研究对 象，忽略车窗、后视镜、车门把手的影响，未完全达到与实车相同的圆化，图 4 6 表示出了简化后的汽车模型； 2 ) 忽略空气物性参数的变化，即认为空气的温度、粘性和参考压强不变， 表42 列出了计算条件下的各种参数值； 3 ) 由于模拟计算的空气流速马赫数小于0 3 ，空气的可压缩性可以忽略，即 认为空气为不可压缩流体； 4 ) 假设货车与轿车外流场的流动是稳定的，与前人风洞试验条件相吻合 表42 计算条件下的物性参数 本文模型是在p r o e n g i n e e r 中按比例绘制的，与实车模型具有较高的相 似性。p r o e n g i n e e r 制成三维图形后，再导入g a m b i t 绘制网格，最后读入 f l u e n t 进行计算。 在g a m b i t 中生成网格时对图形要求比较严格，模型表面结构的复杂性会 严重影响到生成网格的质量，因此为了能得到较高质量的网格，在 p r o ，e n g 州e e r 制图时对模型表面一些对整车气动性能影响不是太大而对生成 网格的质量影响很大的复杂结构作了相应的简化处理。计算中忽略这些装置对整 车气动阻力的影响。 图46 计算模型简图 些丕丕堂塑主芏垡堡皇 4 1 2 2 计算区域和网格的设定 由前文关于计算区域设定的原则，本文对厢式货车与小轿车尾随稳态计算中 区域设定以厢式货车车厢宽度b 为特征长度，通过前期计算结果的矢量图和压 力云图的分析可知，要使前端来流充分发展，后端尾涡区完全展开，上部和两侧 边界不对内部流动产生影响，计算区域应该选取为：前车模型前取4 b ，后车模 型后取9 b 上部取25 b ，两侧各取15 b 。网格划分如图47 。 图47 厢式货车与小轿车尾随行驶网格划分图 4 1 2 3 计算方案 根据本文的研究目的，确立了3 个计算方案，如表4 3 。方案a 研究厢式货 车和小轿车的单车气动特性，以此结果作为后面三种方案分析比较的基准；方案 b 研究厢式货车尾随小轿车、小轿车尾随厢式货车、厢式货车尾随厢式货车时车 辆的气动特性，分析不同车型对尾随行驶时车辆气动特性的影响；方案c 改变 厢式货车与厢式货车的间距，研究相同车型车辆以三种间距尾随行驶时的气动特 性。所有计算均为稳态计算。 表4 3 计算方案 注：j 小轿车，h 厢式货下，l 小轿下下长 4 i _ 2 4 尾随车车型改变对披尾随车气动特性的影响 选取方案b 中的“j 尾随h ”和“h 尾随h ”算例结果进行比较分析，把被尾随 车厢式货车作为研究对象分析其气动特性的不同。 图48 显示了厢式货车单车行驶和被不同车型车辆尾随行驶时的升力系数和 阻力系数。尾随车辆由小轿车变为厢式货车，被尾随车升力系数增大，附着力减 小稳定性变差，由此可以认为尾随车辆的迎风面积会影响到被尾随车的行车稳 3 9 特定行车环境下厢式货车空气动力特性的研究 定性；被尾随车阻力系数在单车行驶时最大，小轿车尾随时次之，厢式货车尾随 时最小，尾随行驶车辆影响到了前车的尾部流场。在无侧风尾随行驶的数值模拟 中，不讨论侧向力的变化。 08 06 糕04 懈 r0 2 0 02 蓁 i l l l ；一i 缯 图4 8 在不同类型汽车尾随下被尾随车的气动力系数 对比分析图4 9 中两种工况下厢式货车作为被尾随车的中心对称面压力云 图。车体前部正压区和车头上部与车厢前上缘折转处的负压基本相同，两者不同 之处是车体底部与后部压强，这也是造成两工况下升力系数和阻力系数不同的原 因。图4 9 ( a ) 中，受后面厢式货车前部气流的影响，前车底部压强增大，图4 9 c o ) 中后面小轿车所影响流场范围较小，因而前车底部压强所受影响较( a ) 中小。同理， 从图中可以很明显看出厢式货车尾随时对前车后部压强影响较大。 ( 时尾随车为厢式货车 彻尾随车为小轿车 圈4 9 披尾随车中心对称面压力云图 从圈4 1 0 可以看出，被尾随车前部流场基本没有发生改变，尾涡却因尾随 山东大学硕士学位论文 车的不同出现了不同改变。厢式货车尾随时，被尾随车的尾涡与后面厢式货车的 前部流场迭加，尾部较为明显的上卷旋涡被破坏。使被尾随车车身后部负压减小； 小轿车尾随时，前车尾涡基本没有被破坏，上卷旋涡沿着轿车车身向上流动，小 轿车对被尾随车尾部负压区影响较小。基于以上不同工况下被尾随车尾部流场的 分析，尾随车为货车时更能影响前车的尾部负压区，使前车的压差阻力降低，气 动阻力系数减小；尾随车为轿车时，这种变化不明显。 幻尾随车为厢式货车 ( b ) 尾随车为小轿车 图41 0 被尾随车中心对称面流场速度矢量目 4 1 2 s 被尾随车车型改变对尾随车气动特性的影响 选取方案b 中的h 尾随r 和“h 尾随h ”算例结果进行比较分析，把尾随车 作为研究对象，分析其气动特性的不同。 o 8 0 6 鼎o4 垛 采o2 0 02 i i圉4 图41 l 尾随不同类型汽车