（车辆工程专业论文）基于空气动力学的高速客车操纵稳定性研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 针对当前主流大中型客车主要采用发动机后置的布置形式，客车 前轴负荷较小，在高速行驶时操纵稳定性较差，建立了考虑侧风干扰 及速度变化的客车转向动力学模型，仿真分析了相关主要因素的影响， 提出一些改进措施，并将部分改进措施用在试验客车上，根据相关国 家标准对客车原车状态和5 个改进状态进行了稳态回转定量试验。 主要研究成果有： ( 1 ) 以某国产中型客车为对象，通过计算流体力学仿真软件对其 外流场进行了数值模拟，用车身相对于气流入口横摆的方法模拟客车 行驶中受到的空气力，利用空气流入角的变化模拟不同速度的侧风， 计算得到不同侧风强度下的空气六分力，并就不同的流入角拟合出空 气六分力的计算关系式；对客车轮胎进行侧偏刚度相关试验，并根据 文献【汽车动力学】提供的考虑载荷影响因素的简化轮胎模型，对轮胎侧 偏刚度进行了数值拟合计算；为高速客车操纵稳定性研究提供空气六 分力及轮胎侧偏刚度等相关基础参数值。 ( 2 ) 建立了反映客车高速行驶时受到侧风干扰产生转向运动的动 力学模型，推导出了状态方程，并据此对相关主要影响因素进行变参 数动态仿真及单因素影响分析，提出了相关改进措施，数值仿真结果 表明：采取了改进措施以后的高速客车，其侧风干扰转向运动的工作 效果良好，并将部分改进措施用于相关定量试验，为工程实践中改善 高速客车侧风稳定性提供参考。 t 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 针对高速客车减速时操纵稳定性变差，建立了考虑车速变化 的车辆转向运动模型，研究了车速变化对高速车辆操纵稳定性的定量 影响，并为改善高速客车减速时的方向稳定性提供了相关措施。 本课题关于高速客车操纵稳定性的研究成果，有利于提高客车高 速行驶时的安全性，有一定的实际工程价值。 关键词：高速客车；气动力；操纵稳定性；侧风稳定性 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s ec u r r e n tl a r g eo rm e d i u m - s i z e dc o a c hd r i v e sb yr e a r - m o u n t e d e n g i n e ，l o a do nf r o n ta x l ei ss m a l l ，i t sh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yb e c o m ew o r s e a th i 曲s p e e d ，d y n a m i cm o d e l so fc o a c hs t e e r i n gm o v e m e n tc o n s i d e r i n g c r o s s w i n dd i s t u r b a n c ea n dv e l o c i t yc h a n g ea r eb u i l t ，s o m ec o n t r o lm e t h o d s a r ep r o p o s e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n ，t h er e l e v a n ti m p r o v i n gm e a s u r e s a r ee m p l o y e do nt e s t i n gc o a c h ，s t e a d ys t a t ec i r c u l a rq u a n t i t a t i v et e s t so n o r i g i n a l s t a t ea n df i v e i m p r o v i n gs t a t e s a r ec a r r i e do u ta c c o r d i n gt o c o r r e c t i v en a t i o n a ls t a n d a r d s t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) ad o m e s t i c m e d i u m s i z e dc o a c hi st a k e na sr e s e a r c ho b j e c t ， f l o w f i e l da r o u n di ss i m u l a t e db yc f d ( f l u e n ts o f t w a r e ) ，t h em e t h o do f t h eb o d yy a wi su s e dt os i m u l a t et h ea i rf o r c e so ft h er u n n i n gc o a c h ，s o ， d i f f e r e n ty a wa n g l ec o r r e s p o n dt od i f f e r e n tc r o s s w i n d ，a i rs i x c o m p o n e n t f o r c e su n d e rd i r e n tc r o s s w i n da r eo b t a i n e d ，t h er e l a t i o nf o r m u l ao fa i r f o r c ea n db o d yy a wc a nb ef i t t e d ；c o r n e r i n gs t i f f n e s se x p r e s s i o n so fa p r e d i g e s t e dt i r em o d e lw h o t a k e st i r el o a d si n t oa c c o u n ta r eg e tt h r o u g ht i r e s i d ef o r c et e s t i n ga n dn u m e r i c a lf i t t i n g ；t h e s et w oa s p e c t ss u p p l yp r e c i s ea i r s i x c o m p o n e n tf o r c e s a n dc o m e f i n gs t i f f n e s sf o r m u l af o re s t a b l i s h i n g h i g h s p e e dc o a c hd y n a m i cm o d e l s o fh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y ( 2 ) d y n a m i cm o d e l so fh i g hs p e e dc o a c hc r o s s w i n d d i s t u r b a n c e 江苏大学硕士学位论文 s t e e r i n gm o v e m e n ti ss e tu pa n dt h es t a t ee q u a t i o ni si n d u c e d ，t h e nt h e m a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa r es t u d i e da c c o r d i n gt os i m u l a t i o nm o d e l ，s o m e r e l e v a n tm e a s u r e sa r eb r o u g h tf o r w a r db a s e do nt h ea n a l y s i so fs i n g l e f a c t o ri n f l u e n c e ，t h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w st h a tc r o s s w i n d s t a b i l i t yo ft h ec o a c hi sa d v a n c e da f t e rm e a s u r e sa r et a k e n ，a n ds o m eo f i m p r o v i n gm e a s u r e sa r ee m p l o y e do nq u a n t i t a t i v et e s t s ，t h i ss t u d yo f f e r sa r e f e r e n c et o i m p r o v ec r o s s w i n ds t a b i l i t yo ft h eh i g h s p e e dc o a c hi n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ； ( 3 ) f o rh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo fh i g h s p e e dc o a c hb e c o m ew o r s e u n d e rd e c e l e r a t i o nc o n d i t i o n ，a d y n a m i cm o d e lo f v e h i c l es t e e r i n g m o v e m e n tc o n s i d e r i n gv e l o c i t yc h a n g ei s e s t a b l i s h e d ，t h eq u a n t i t a t i v e i n f l u e n c eo ft h es p e e dv a r i a t i o no nh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo fh i g h - s p e e d c o a c hi sa n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e ss o m er e l e v a n tm e a s u r e sf o ri m p r o v i n g t h ed i r e c t i o n a ls t a b i l i t yo fac o a c ha th i g hs p e e d i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c ho nt h eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo fh i g h s p e e d c o a c hi si nf a v o ro fi m p r o v i n gt r a f f i cs a f e t y , a n di ta l s oh a sp r a c t i c a l e n g i n e e r i n gv a l u e k e yw o r d s ：h i g h s p e e dc o a c h ；a i rf o r c e ；h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y ；c r o s s w i n d s t a b i l i t y i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：磁描彬 川年月了曰 指导挪签名：多【统 h 。9 年f 月9 日 独创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 殛彬彬 日期：伽7 年易月7 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 汽车操纵稳定性的概念 操纵稳定性是汽车最重要使用性能之一，是指在驾驶员不感到过分紧张、疲 劳的条件下，汽车能够遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当 遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。通常认为由相互联系 的两部分组成：一是操纵性，二是稳定性。操纵性是指汽车能够确切响应驾驶员转 向指令的能力；稳定性是指汽车受到外界干扰( 路面干扰或侧风干扰) 后恢复原来 运动状态的能力。两者很难断然分开，稳定性好坏直接影响操纵性的好坏，因此 通常统称为操纵稳定性【1 1 。 汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定汽车 高速安全行驶的一个主要性能。所以被人称为“高速车辆的生命线 。 汽车在行驶中，外界对它的作用包括以下三个方面：驾驶员通过操纵机构对汽 车的操作、路面通过轮胎施加给汽车的作用力以及空气作用力。就汽车的操纵稳 定性而言，驾驶员对汽车的输入所引起的响应是汽车的操纵性问题，而路面和空 气对汽车的输入所引起的的响应是客车的稳定性问题。 随着道路条件的不断改善，特别是高速公路的发展，客车以1 0 0k r n h 或更高 车速行驶的情况是常见的。因此，客车的高速操纵稳定性日益受到重视，现已成 为客车最重要使用性能之一。 1 2 国内外汽车操纵稳定性研究的现状 汽车的操纵稳定性研究已经有的五六十年的历史，是一个较老的领域。汽车 操纵性、转向反应问题及轮胎横向特性最早是在1 9 3 5 年开始研究的。从五十年代 中期，开始建立汽车动力学模型，研究汽车曲线行驶时的时域响应及频域响应特 性，对系统进行稳念和瞬态分析。1 9 5 6 年，美国c o m e ua e r o n a u t i c a l 实验室的 w i l l i a me m i l l i k e n 、d a v i d w w h i t c o m b 及l e o n a r ds e g e l 成功地建立了“线性二自 由度 和“线性三自由度”汽车转向模型，自此汽车操纵稳定性的仿真研究在世 界各国广泛开展。六十年代到八十年代，随着计算机模拟技术的出现，促进了汽 江苏大学硕士学位论文 车操纵稳定性研究的发展。各国学者建立了许多复杂的车辆模型及仿真程序，复 杂的模型可以描述汽车的非线性特性和更精确的整车运动动态响应。如美国密西 根大学【2 】建立的1 7 自由度模型、d j s e g a l 3 】建立的1 5 自由度模型和m i c h a e l l 4 】的 1 8 自由度模型。进入8 0 年代中后期，对汽车操纵稳定性的研究更加深入，不单建 立整车的数学模型，也开始考虑悬架、转向系、汽车轮胎和空气动力学因数的影 响。c h e n ，h f 1 5 1 在前人建立的模型基础上，将悬架系统的作用考虑进去，研究了悬 架刚度对汽车操纵稳定性的影响。l u k o w s k i ，s a 【6 】等人考虑前后载荷、前后轮胎侧 偏刚度、轮胎侧偏角等影响汽车转向响应特性的参数，对轮胎、汽车系统的稳态 转向特性进行了研究。h u s s a i n k t 7 将运用c f d 软件仿真出的气动力系数考虑进非 线性多体动力学模型中，研究了空气阻力、升力对汽车转向特性的影响。 我国对汽车高速操纵稳定性研究是起步较晚，始于七十年代，同时由长春汽车 研究所和清华大学着手开展这方面的研究。 从1 9 7 2 年以来，长春汽车研究所在汽车操纵稳定性方面开展了系统的研究工 作【8 】，进行了“高速汽车操纵稳定性试验评价方法的研究 和“汽车操纵稳定性的 计算机动态模拟的研究”。这些研究成果为我国汽车操稳性的深入研究奠定基础； 从线性模拟发展到全工况非线性模拟，从稳态转向特性的模拟发展到全工况瞬态 响应的模拟，从着重于除轮胎外的汽车结构特性发展到包括研究精确轮胎特性在 内的汽车综合特性的研究；为我们具备解决范围更广的汽车操稳性问题提供了基 本条件。 文献9 1 l l q b 建立了多自由度客车动力学模型，并应用实车试验数据对模型进 行了验证，研究分析了整车重心高度、悬架参数、道路附着状况对大客车高速操 纵稳定性的影响。 文献 1 2 1 3 a e 要丌展了高速汽车侧向稳定性的研究，建立了包括悬架、转向系 统、动力系统等在内的多自由度整车模型，进行了高速汽车在侧风作用时瞬态转 向运动仿真，并分别模拟了汽车在不同侧风类型、不同风压中心位置、不同j x l 速、 不同车速时的运动状况并进行了结果分析：并从汽车空气动力学特性参数、汽车 结构参数及汽车气动造型方面改进汽车侧风稳定性。 文献【1 4 】研究了侧向空气力及力矩对汽车转向特性的影响，提出通过调整风压 中心相对于汽车质心的位罨、降低气动力系数，来增加不足转向量，改善汽车高 2 江苏大学硕士学位论文 速操纵稳定性。文献【1 5 】研究了车速在2 0m s 以下时空气力及力矩对汽车操纵稳定 性的影响，并得出了车速越高空气力及力矩对汽车操纵稳定性影响越大的结论。 这些方面所取得的成果为分析研究高速客车操纵稳定性铺平道路。 1 3 国内外客车高速操纵稳定性研究现状 欧美、日本等汽车工业发达国家，非常重视汽车操纵稳定性的研究工作，并取 得了大量的研究成果。高速公路在这些国家发展较早，与汽车高速操纵稳定性的 相关研究也起步较早，现已达到较高的水平，能够较好的适应车速不断提高的发 展趋势，基本上可以解决本国汽车工业生产和使用过程中出现的与汽车高速操纵 稳定性相关的问题。国外的高速操纵稳定性研究主要由各大汽车制造企业自己承 担，以确保其产品具有良好的竞争力，因此对自己的研究成果采取严格的保密措 施。 近年来计算机技术的进步为汽车操纵稳定性的研究提供了如a d a m s 、f l u e n t 及 m a t l a b 等软件工具来进行复杂的机构运动学及动力学仿真、空气动力学仿真及分析 工具，但目前大多数与汽车操纵稳定性相关的研究多数集中在使用a d a m s 软件 1 1 6 - 1 9 ，主要针对乘用车就其软件自带的仿真项目进行某些优化分析，很少触及大 中型客车高速操纵稳定性的相关问题。 我国高速公路起步较晚，一级、二级等高等级公路的建设在最近一二十年大势 兴起，大范围的高速及快速运输尤其是客运更是在近十来年才开始，致使我国对 汽车操纵稳定性研究起步晚，而且大多都集中在轿车和货车两方面，对客车的操 纵稳定性研究相对较少。客车，特别是大客车，作为专用车辆的一种，由于其功 用、结构和载荷形式与其他车辆有着显著的差异，研究其高速操纵稳定性有着相 当的特殊性：用于旅客运输，运行安全性要求高且要满足一定的舒适性；质心较高， 侧向振动明显，因此非常有必要把客车的高速操稳性作为一个专门的方向来研究。 1 4 论文研究意义和主要内容 1 4 1 论文研究意义 当前石油资源日益紧张、空气质量持续恶化，大中型客车作为一种高载客率 3 江苏大学硕士学位论文 交通工具( h o v ) 1 2 0 - 2 1 1 ，在交通“节能减排【2 2 1 ”实践中越来越受到社会大众的青 睐。 随着经济的高速发展，我国相继建成大量的高等级公路。n 2 0 0 8 年底，己建 成了6 0 3 力公里的高速公路，全国公路总罩程达至1 1 3 6 8 j 3 公里。公路建设尤其是高 速公路建设的快速发展，高速客运、快速货运、特种运输和现代物流也得到较快 发展。高等级公路和运输业的迅猛发展、高速交通环境的大幅度改善以及汽车行 驶速度的大大提高，给人们带来快捷的交通运输的同时，对汽车的安全性也提出 了更高的要求，汽车高速操纵稳定性问题也日益突出。大中型高速客车作为高速 客运的主要载体，其高速操纵稳定性的好坏直接关系到人的生命安全。因此，高 速客车操纵稳定性研究问题有重大的现实意义。 随着我国己加入w t o ，国外客车厂家凭借其雄厚的资金、先进的技术、较强 的国际竞争力，对中国巨大的市场正跃跃欲试。国产客车行业技术力量相对较弱， 客车底盘的开发满足不了市场的需求，很多都采用货车底盘改造而成，其质量、 稳定性、可靠性都不是很好；对影响客车高速操稳性问题的结构参数及相应的改 进措施研究相对较少。为提高国产客车的产品档次和市场竞争力，应将客车的高 速操纵稳定性作为当前客车技术研究的主要方向之一。 发动机后置使得在客车车厢内便于布置座位【2 3 创，取得最大的乘坐空间：可 把发动机的噪声、废气与车厢隔离开，使乘客及驾驶员有更舒适的乘坐或操作环 境；由于前后桥之间没有传动轴，能设置大容积行李舱，满足高等级客车的相关 要求。 基于上述优点，当前主流的大中型客车，特别是高等级大中型客车，越来越 多地采用发动机后置后桥驱动的布置形式。 这类客车高速行驶时，驾驶员在必要时会进行制动、转向等操作，如果此时 还受到侧向风、不平路面等外界干扰的作用，客车可能会出现驾驶员常说的所谓 客车高速方向发飘现象f 骆2 6 1 ，严重时可诱发交通事故，并可能危及人民生命财产 安全。 如何改善当前主流大中型客车的高速方向稳定性及高速操纵性能，提高行车 安全，是客车生产企业迫切需要解决的科技性难题。 4 江苏大学硕士学位论文 1 4 2 论文研究的主要内容 ( 1 ) 通过运用f l u e n t 软件工具对研究对象进行空气动力学仿真获取其所受 空气六分力的相关参数，为高速客车的转向特性及侧风稳定性的相关研究奠定基 础；对样车使用的轮胎进行侧偏力试验测量，并对其侧偏刚度进行数值拟合以供 下一步的相关研究使用； ( 2 ) 建立反映高速客车的侧风干扰转向运动的动力学模型，解析相关因素 对高速客车侧风度稳定性的影响，并探求可行的控制方法； ( 3 ) 解析车速变化对高速客车操纵稳定性的影响，为改善高速客车减速过 程的操纵稳定性提供可行的控制方法； ( 4 ) 将部分改善高速客车操纵稳定性的措施运用到实车上，并按照相关国 家标准进行试验验证工作。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章客车所受空气力的数值计算与分析 随着车速的提高，客车所受的空气力将对其高速操纵稳定性产生越来越重要 的影响，因此在研究高速客车侧风稳定性时有必要获取客车所受空气六分力的具 体相关参数值。这些参数值通常可以通过客车的风洞试验方法或空气动力学数值 模拟方法来获得。考虑到试验条件受限，这里使用f l u e n t 软件工具对某国产中型 客车进行空气动力学数值模拟来获取其所受空气六分力的相关参数值。 2 1 客车外流场模拟的理论基础 2 1 1 客车外流场的特点 客车周围的流体是空气，空气是有粘性流体。海平面条件下，空气物性参 数【韧见表2 1 。高速行驶的客车，当车速达到2 0 0k m h 时，其马赫数约为0 1 6 3 。 由计算流体动力学的知识可知，对于马赫数m 卯3 的流体流动，流场中压力和温 度与自由流数值相近，密度变化可以忽略，所以空气可视为不可压缩流体。因此 目前的高速客车车身周围流场一般按定常、等温、不可压缩的三维流场处理i 蹲2 9 1 。 。 表2 1 空气物性参数 t a b l e2 1p a r a m e t e r so ft h ea e r i a lp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c l 海拔压强温度密度粘度运动粘度 0 m1 0 1 3 2 5 k p a2 8 8 k 1 2 2 5 k g m 3 1 7 8 9 4 x1 0 n s m 21 4 6 0 7 1 0 5 矗 s 2 1 2 数值模拟的基本控制方程 流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、 动量守恒定律、能量守恒定律。由这些定律可以分别导出连续性方程、动量方程 ( n a v i e r - s t o k e s 方程) 和能量方程。三方程联立就得到n a v i e r - s t o k e s 方程组( 简称 n s 方程) 。 控制方程是这些守恒定律的数学描述，尽管这些方程中因变量各不相同，但它 们均反映了单位时间单位体积内物理量的守恒性质，为了便于对各控制方程进行 分析，并用同一程序对各控制方程进行求解，用西表示通用变量，则各控制方程 的通用形式【删如下 6 江苏大学硕士学位论文 亟罢熊1 - 旃以历) ：破y ( f g r a d 矽) + s ( 2 1 ) 其展开形式为 警+ 学+ 掣+ 掣= 丢c r 瓣c r 瓣c r 汜2 ， 西觑 西 昆砒、玉7 西、却7 瑟、瑟7 。 式中为咖通用变量，可以代表玑叭w 、t 等求解变量；厂为广义扩散系数； s 为广义源项。式中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。对于不涉及传热 的客车外流场的空气动力学数值计算，只涉及到连续方程和动量方程。 2 1 3 湍流模型 f l u e n t 中常用的三种湍流模型3 1 】：标准肛模型，重组化群肛模型，可行性 k - e 模型。 2 1 3 1 标准( s t a n d a r d ) k - e 棋 型 标准弘模型自从被l a u n d e r 和s p a l d i n g ：j ：1 9 7 4 年提出之后，就变成工程流场计 算中主要的工具。它适用范围广、精度合理且收敛快，因而在客车外流场仿真中 得到广泛应用。它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。 标准肛s 模型主要是基于湍流动能和湍流耗散率。七方程是个精确方程，方程 是个由经验公式导出的方程。 湍流动能方程( 七方程) 昙( 肚) - i - 毒( 砌沪毒+ 争考】+ g k + g 6 一伊一k + s x ( 2 3 ) 湍流耗散率方程( 方程) 昙( 伊) + 毒( 嗍) = 毒+ 争拳+ c l 限+ c 3 。q ) 一c 2 p i c 2 + 足( 2 4 ) 肛s 湍流模型属于高雷诺系数封闭模型，它假定流场完全是湍流，忽略分子间 的粘性力，它仅适应于充分发展的湍流核心处，但是肛湍流模型不能模拟壁面附 近粘性底层和过渡层的流动。因此人们对它加以改造，出现了r n g ( 重组化群) 舡s 模型和r e a l i z a b l e ( 口- - 行性) 肛模型。 2 1 3 2 重组化群( r n g ) k - t 模型 r n g k - e 模型 湍流动能方程( 七方程) 7 江苏大学硕士学位论文 昙( p k u , ) 2 考( 吼如耖q 竹胪母s k ( 2 5 ) 湍流耗散率方程( 方程) 妄( 伊) + 言( 嗍) 5 考( 锄争+ c 1 ( q + c 3 。瓯) 一c 2 e , o i e 2 一r + ( 2 6 ) r n gk - e 模型来源于严格的统计技术。它和标准如模型很相似，但是有以下改 进【3 2 1 ( 1 ) r n g 模型在方程中加了一个限制条件，有效地改善了精度； ( 2 ) r n gk - e 湍流模型增加了涡流对湍流的影响，这也提高了涡流计算的准 确度； ( 3 ) r n g 理论为湍流普朗特数提供了一个解析公式，然而标准舡s 模型使用 的是用户提供的常数； ( 4 ) 标准肛s 模型是一种高雷诺数的模型，提供了低雷诺数下的粘性流计算 的控制方程。但是当采用该模型时，必须用壁面函数【3 3 1 将完全湍流层和壁面联结 起来。 这些特点使得r n gk - e , 模型比标准弘s 模型有更高的可信度和精度。 2 1 3 3 可行性( r e a l i z a b l e ) k - 模型 可行性弘杳莫型发展较晚，比起标准弘模型来有两个主要的不同点。 ( 1 ) 可行性舡s 模型为湍流粘性增加了一个公式； ( 2 )为湍流耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度 波动而作的精确方程。 可行性肛模型和r n gk - e 模型都显现出比标准如模型在强流线弯曲、漩涡 和旋转有更好的表现。由于可行性缸模型是新出现的模型，所以现在还没有确凿 的证据表明它比r n gk - e 模型有更好的表现。 鉴于以上三种模型的对比，此次模拟使用r n gk - e 湍流模型。 2 2 侧风作用下客车外流场模拟过程 客车外部流场数值仿真的主要工作包括如下几个部分 ( 1 ) 通过三维建模软件c a t i a 构建客车形体模型，并导出i g e s 格式文件； ( 2 ) 将i g e s 通用格式文件导入f l u e n t 软件的前处理软件g a m b i t 中，对客车 形体模“进步处州，井根据乍速及侧矾m 速人小确定汁掉k 域的范盹刚格划 分及各丽的边界类 ( 3 ) 将g a m b i t 输的m e s h 史件坤入f l u e n t i 。设置1 边界条，然后迭代汁 诈m 定车速i - 4 , | l l 磺摆 f 】叫弈1 二所受窄。t 分j ，州埘霄绱粜作盯处，1 1 及分 析，拟合山卒，l 分力tj 客1 - 横摆角天系式。 2 2 1 客车物理模型 神c a t i a 巾癯舡某1 1 jj “巾趔客车1 ：l 模型作为算模型，为更精确的训算m 侧风作川下客午所受夺7l 六分j ，模型特柏4 ：轮，客乍宅调，以蟮量接近实乍。 但足乍体包括许多小部件，如后视镜、侧衡、乍r 、以及许多小的槽与定起， 如粜全部考虑那么帽府的计算叫格数量a 人儿质量差，返就对算机硬件提出 盟高的要求，儿消耗更长的训并叫川，战对1 身做r 如f 简化：忽略1 身外部突 起物蛐后视镜、刮水器、车窗等；没有考虑小尺度的【i j 【l 小、hj l 墩了人j t 立的 高低凹【】 ；1 身底音 ；忽略了乍桥及r 底l 自j 的尚低不、f ：为了提商刚格质茸，将后 轴的烈胎简化成与般胎只- f j 棚l 刊宽度的译胎。客1 卜要外形参数见表22 ，c a r l a 1 - 建市的客午模型见图21 。 点22 稀1f 受外形参数( m m ) t a b l e2 2 m a i nd c t c mo f t h ec o a c h m o d e l k7 9 9 5屙怂轮胎nh 】、r 狰 宽2 4 5 0轴趾轮滚动、p 件 3 3 4 5 口轴轮距油轮轮胎僦度 前疑 1 8 0 0 i 后轴轮距 厉轮轮胎僦度 h2 1c a t i a - l ，建讧的拜1 模刊 f i g21t h ec o a c hm o d e le s t a b l i s h e di nc a t i a 9 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 速度入口的设定方法 图2 2 合成风方法示意图 f i g 2 2s k e t c hm a p o ft h em e t h o do fr 酬t a n tv e l o c i t yw i n d 速度模拟采用合成风【2 8 1 的方法，如图2 2 所示即将模拟客车行驶的正前方来流 与垂直于车身纵向对称面的侧风合成一股气流，这股气流相对客车行驶方向的夹 角为声。b 表示侧风的速度，屹模拟客车的车速， ，为入口来流速度，不难得出： v y = v s i n p ，v x = v c o s f l 。 2 2 3 计算区域的确定 为了最大限度的捕捉到客车周围流场的显著特点，计算区域当然是越大越能 接近实际情况，但是考虑到计算机的计算能力有限且计算周期过长，应当在对客 车外流场不产生明显影响的前提下，减少计算区域的范围。 根据前人研究经验 3 4 - 3 6 1 计算区域一般范围( 横摆角口= 0 。) ：高度为5 倍车高； 宽度为7 倍车宽，车身距离计算区域左右两端各3 倍；长度为1 1 倍车长，其中入 口距客车最前端3 倍车长，出口距客车最后端7 倍车长。 图2 3b - - o 。时的计算区域 f i g 2 3t h ec o m p u t a t i o n a ld o m a m 弱i s0 。 1 0 f f 1 f 三f f f f 江苏大学硕士学位论文 当脚o ，即有侧向风的作用时，要想捕捉到全部的流场特性，应当加大计算 域的宽度。客车车长和车宽为边长的矩形的对角线为a ，车长与对角线的夹角为a ， 则客车横摆后所占据的宽度为a s i n ( a + f 1 ) ，取a s i n ( a + f 1 ) 与车宽b 的比值为a ，即a = a s i n ( a + f 1 ) b 。当口= 1 0 。时，计算得到a = 1 5 5 1 6 ，考虑到计算域宽度并非必需严格 成比例增加及尽量减小计算量，a 取整1 5 ，这样计算域的总宽为1 0 钮。因此，取 0 0 、5 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 时，对应的计算域宽度取为7 b 、9 b 、1 0 5 b 、1 2 5 b 、1 4 5 b 。 2 2 4 计算模型的网格划分 2 2 4 1 计算网格划分方法及原则 流场模拟仿真中采用的网格类型主要有两种：结构化网格和非结构化网格。 结构化网格的最大特点在于网格有规律，具有结构简单、构造方便、计算容 易、占内存小等优点；但是结构网格对复杂几何表面的适应能力差，对客车等具 有不规则复杂外形的实体，很难满足贴体性等要求。 非结构化网格舍去了网格节点的结构性限制，易于控制网格单元的大小、形 状及节点位置，灵活性好，对复杂外形适应能力强。但是其无规律性也导致了在 模拟计算中存储空间大，占计算机内存大，计算效率低，计算时间长等缺点，并 且难以满足客车表面粘性边界层计算对网格的要求。 为保证数值计算解的准确性、稳定性、减小计算周期、降低计算成本以及边 界条件容易处理，网格生成应尽量满足以下要求： ( 1 )网格力求简单并贴体。尽可能地保持计算区域与实际流动区域的一致 性，特别是在壁面边界部分，以保证计算的精度。实际客车一般具有复杂外形， 贴体性则至关重要； ( 2 ) 网格疏密合理。物体表面附近的参数变化梯度大，为保证计算流场有 必要的分辨率和准确度，需布置较密的网格；在离物体很远处参数变化小，网格 过密则耗费太多计算时间，故应布置较稀的网格； ( 3 )网格线应尽量光顺且正交，尽可能避免奇性点的出现，以便于提高数 值计算离散的精度。 2 2 4 2 计算网格总体划分方案 网格总体划分方案采用三棱柱、四面体、六面体混合网格方案。如图2 4 车身 被包围在一个小长方体中。长方体底面为地面，其余的五个面离车身表面5 0 0 r a m 。 江苏大学硕士学位论文 图2 4 月= 1 0 。时分区域网格划分 f 嘻2 4 m e s h e a i n b l o c k so f 山e c m n p u t a t l o n a l d o m a i na s p i s1 0 0 圈2 5 口= 0 。时计算区域网格划分 f i 9 2 5 m h 器i n t h ec o m p u t a t i o n a l d o m a i n 丛8 i s o o 计算区域嘲格划分如图2 j ，长方体内车身以外的空白j 用四面体进行网格划分， 充分发挥四面体的灵活性，对复杂外形的适应能力强的特点。为了满足客车表面 粘性边界层对网格的要求，车身表面又拉伸三层总厚度为4 5 r a m 兰棱柱网格，保 证计算结果的精度。长方体以外的计算域形状规则，并且占据卒问比较大，可以 先划分块m l o c k ) ，划分方案如图2 6 ：为节省计算机资源，减少计算时m ，在这 部分区域采用数量少而迭代速度快的六面体划分阿格。划分时应注意调整网格疏 江苏大学硕士学位论文 密程度，使靠近四面体区域的网格密集，靠近计算域外边界的区域网格稀疏。值 得一提的是在四面体与六面体的交界面两边划分的网格应大小相近，以满足数据 传输同时迭代更易收敛的要求。 图2 6 卢21 0 0 时计算区域分块 f i g 2 6b l o c k so fc o m p u t a t i o n a ld o m a m 0 8pi s1 0 0 2 2 4 3 车轮接地处网格处理 车轮接地处空间狭窄，在紧邻轮胎接地区的单元内角接近于零，生成网格质量 比较差，如用这样网格单元进行模拟，计算结果将无法收敛。为此将轮胎切掉 3 0 5 m m ( 轮胎自由半径4 6 7 5 m m ，滚动半径4 3 7 m m ) ，同时轮胎与地面间以一2 0 m m 厚的长方体垫块来连接。实际中车轮与地面也是紧密接触，其间没有空气流过， 所以这种处理方法既可以比较真实地模拟车轮在地面附近的流场特性，又能极大 地提高轮胎接地处的网格质量舰。 计算中总网格数量在2 1 0 万到2 5 0 万之间：图2 4 中小长方体内部网格数量为 1 5 0 万左右，其中三棱柱网格约为3 0 万，四面体网格1 2 0 万左右；长方体以外部 分六面体网格数为6 0 万到1 0 0 万之间，这部分区域网格数多少取决于计算区域的 大小，即网格数量随横摆角的增大而增多。 2 2 5 边界条件的设置 模拟中选择r n gk - e 高雷诺数湍流模型。在计算中需要湍流动能和湍流耗散 率，而这两个数值是与湍流度和湍流尺度相关联。由普朗特( p r 孤d t l ) 混合长度理论 可知，湍流尺度为入口段的特征尺寸( l l a 口处的平均直径小一阶) ，这可以通过求 江苏大学硕士学位论文 平均直径来求得。特征长度、雷诺数、湍流强度、湍流动能及湍流耗散率计算经 验公式( 2 7 ) 1 2 9 , 3 5 5 8 1 d ：4 堡：丝 2 ( w + 月) z = d 1 0 r e = 幽| u ，：0 1 6 8 r e ( 一尹1 ( 2 7 ) k = 1 5 ( y ，) 2 占= 彭了k f i ，= 0 0 7 ， 式中： w l 计算域的宽度，mo 仔一计算域的高度，m ； 卜计算域的特征尺寸，m ； 工一湍流长度尺度，m ； 以流平均速度，i n s ； r e 一雷诺数； 卜湍流动能； 卜湍流强度； g 湍流模型中指定的经验常数。 计算边界条件具体设置： 入口：速度入口边界( v e l o c i t y - i n l e t ) ；速度v x = 2 7 7 7 8m s ( 1 0 0 k m h ) ，v y = v x t a n 3 ， 炉0 ，k ，s 的设置见经验公式( 2 7 ) i 出口：压力出口( p r e s s u r e - o u t l e t ) i 地面：壁面移动速度条件( m o v i n gw a l l ) ； 顶面侧面：静止壁面边界条件( s t a t i o n a r yw a l l ) ； 湍流方程：r n gk - e 方程； 壁面函数：非平衡壁面函数； 算法：s i m p l e 算法。 1 4 2 3 计算结果及分析 2 3 1 空气力及力矩的半标系 如罔27 所示坐枷系中，毕标原点柏- 前后轴叶 点的地l ，z 轴往地、r r 指 向前方y 轴指阳驾驶员的 侧，：轴母“j 地面指向f ：力，力矩遵循右于法则。 图27 客午稳定坐标系 f i 9 27s t a b l ec o o r d i n a t ：s y s t e mo f t h ec o a c h 2 3 2 计算结果 2 3 客下所受空7t n 分力f j 计算结果 t a b l e2 3c o m p u t a t i o n a l 】lo fa i rs i x o m p o n e n t f o r c e so n t h ec o a c h 、繁 0 。5 01 0 。1 5 。2 0 。 f 二t 一 0 2 2 8 7 r v 凡 】6 2 9 1 批 6 0 9 2 88 6 6 49 帆； 3 3 2 43 表2 3q ，r ：、，、凡，车身纵向卒7c 阻力( x 轴方向) 、车身侧向窄7l 阻力 ( y 轴打向) 、车身壬茸方向窄气力( z 轴方| f 】j ) ，n ；m t x 、m l y 、胁。，侧倾力州( 绕 z 轴) 、纵倾力矩( 绕y 轴) 、横摆力矩( 绕z 轴) n m 。 图2 8 为夺气 分力系数随横摆角增加的变化罔横堆标是横摆角口，d e g ： 纵世柏、分别为c o ( 阻力系数) 、c “( 侧| l l 力系数) 、c k ( 升力系数) 、c 乩，( 侧倾 儿矩系数) 、c 帆。( 俯仰力矩系数) 与c m z ：( 横摆力鲥t 系数) 。 江苏大学硕士学位论文 j 巷 幕数拟合曲线+ 系数计算值 图2 8 客车所受空气人分力特性曲线 f i g 2 8c h a r a c t e r i s t i cc u r v e so fa i rs i x - c o m p o n e n tf o r c e so nt h ec o a c h 图2 8 中，“ 代表横摆角分别为0 0 、5 。、1 0 0 、1 5 0 、2 0 。时，六分力系数值， 曲线为系数拟合曲线，根据各系数五个点的位置分布，将阻力系数、升力系数及 俯仰力矩系数拟合成二次曲线，侧向力系数、侧倾力矩系数及横摆力矩系数拟合 成一次曲线。拟合曲线函数见式( 2 8 ) 。 c d = 1 8 2 3 f 1 2 0 9 6 5 8 0 5 3 4 4 = - 4 7 0 9 8 8 + 0 0 0 5 7 c u2 3 3 8 0 9 8 2 + 0 1 3 6 4 f l 一0 0 2 6 7 ( 2 8 ) c 以= 1 7 4 7 3 8 0 0 0 5 8 ，= - 0 1 1 4 2 8 2 0 3 1 3 9 8 0 0 4 7 6 = 一1 4 3 8 8 8 0 0 0 0 3 式中声单位r a d 。 1 6 “j 苏人学坝i 一学位沧史 2 3 3 计算结果分析 2 3 3 1 侧风对空气阻力的影响 削2 9 口= o 。下身前用j f 、山分布 f i g 2 9p r e s s u r e d i s t r