隔离带对侧风条件下超车过程车辆气动力的影响.docx

1、汽车工程AutomotiveEngineeringdoi:10.19562j.chinasae.qcgc.2018.04.010隔离带对侧风条件下超车过程车辆气动力的影响国家自然科学基金(11372166)资助.：原稿收到日期为2017年9月19日i修改稿收到日期为2017年12月25日K通信作者：杜广生，教授，Email:du-刘立宁W2沽顼3曲学峰24葩丽5泄广生1冷HH1(1山东大学能源与动力工程学院。济南250061P2烟台南山学院H烟台26571313山东建筑大学热能工程学院济南250101)摘要利用动网格和滑移界面技术进行侧风条件下厢式货车超车过程数值模拟R以研充道路中央隔离带对车

2、辆气动力影响规律j结果表明:无侧风时i隔离带对车辆气动力影响较小j但在侧风条件下i隔离带对车辆气动力产生了较大影响N密集和稀疏两种隔离带皆使主超车所有气动力和被超车的侧向力和升力减小*而被超车的气动阻力在稀疏隔离带作用I、.减小f在密集隔离带作用I、增大P关键词：隔离带P超车中侧风仲气动力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随着汽车保有量的增加R道路上行驶的车辆越来越多超车行为越来越频繁在超车过程中如果受到侧风和周边环境的影响R车辆周围的流场会发生明显改变引起车辆所受气动力的变化e影响车辆的安全稳定运行N为研究侧风对车辆气动性能的影

6、响R国内外学者通过风洞实验和数值模拟对单车模型进行了研究nW；结果表明'侧风强度、方向和瞬态波长等变化*均会引起车辆气动特性的改变H此外f道路形态、路堤、桥梁和山坡等对车辆气动性能也有较大影响"Fl而在侧风条件下进行超车时i车辆的气动特性变化更为复杂C8-9I当车辆在高速公路上行驶时R道路中央通常设有隔离带将对向车道进行隔离#在侧风条件下i隔离带会对超车过程产生较大影响，本文中以两辆相同的厢式货车为研究对象R讨论在超车过程中隔离带对车辆气动力的影响N1数值模拟ii几何模型本文中采用某厢式货车1:1模型作为研究对象。车身长L=8116mm宽W=2400mmi高H=3520mmN

7、模拟过程中对模型进行适当简化彳忽略后视镜、门把手和车身底部微小部件的影响彳并对轮胎底部进行切面处理j使车轮与地面接触面为一平面彳计算用模型如图1所示！图1计算用货车模型12计算域与网格划分计算域外边界为长方体i如图2所示j计算域总长165"总宽17W1总高5H：'两车横向间距05WI用Van1代表主超车iVan2代表被超车；隔离带与计算域同长:'宽2mi高15rd侧风垂直于左侧入口（入口2）吹向车辆i侧风入口2边界距离隔离带左侧边缘3WI侧风出口（出口2）距离被超车车身右侧10WJ坐标系设定为车辆运动方向的反方向为x轴正向i由主超车指向被超车方向为y轴正向i垂直于地面

8、向上为z轴正向1ACIS图2计算域示意图划分网格时彳将计算域分为7个子区域1分别进行网格划分彳如图3所示N货车所在区域采用四面体网格R其它区域采用六面体网格f总的网格数量约为404MO6：其中i区域1：'2；3i4为静止网格区i区域5il7为动网格区#在模拟过程中i静止网格区网格保持不变1而动网格区网格采用动态分层法进行网格重构H动静网格区之间通过滑移交界面进行数据传递N在Fluent软件中i通过用户自定义函数进行网格重构N13模拟方案及边界条件区域瞿区域6图3网格划分示意图（Z=14m截面）道路中央隔离带通常被设计为绿化带*并被修剪成长方体形状X由于绿化带植被间充满孔隙彳因此将隔离带

9、区域设定为多孔介质f孔隙率为96%亍沿J方向压力损失系数为12503为便于讨论，将这种稀疏的隔离带称为1#隔离带，当隔离带植被足够密集时了侧风将无法穿过隔离带。只能从隔离带顶部绕流f此时车辆受到的气动力会发生明显改变1将这种极限情况下的密集隔离带称为2#隔离带N本文中拟对这两种隔离带作用下的超车过程进行研究并与无隔离带时的超车过程也进行比较f超车过程中设定主超车速度为30m/si被超车速度为20m/s（二者均沿x轴负向行驶1为了节省计算资源C模拟时假定Van2不动C设定来流速度为20m/s方向沿x轴正向主超车以10m/s的相对速度沿x轴反方向运行f侧风垂直于车辆行驶方向i由车辆左侧吹向右侧；侧

10、风速度设定为1155ms（相当于蒲福风级中的6级风）N为方便讨论1以无量纲量X/L表示超车过程中不同时刻两车之间的纵向相对位置：其中X为被超车前缘x坐标与主超车前缘x坐标值之差：边界条件设置如表1所示N此外了动、静网格区分界面采用滑移父界面动网格区内部界而设置为内部面N表I边界条件设置边界边界条件入口1速度入口F=20m«=1155m用r,=0出口1压力出口：大气压入口2速度入口F=20mfs(«=1155mWv,=0出口2压力出口：大气压顶部对称边界地面无滑移壁面车身无滑移壁面14控制方程和计算参数设置超车过程的外流场属于三维、黏性、非稳态的不可压缩流H遵循质量守恒、动量

11、守恒和能量守恒控制方程R在三维直角坐标系中这些控制方程的守恒型通用形式为训+div（pii。）；div（grad。）+S式中二P为密度Ju为速度i：为时间为通用变量jr为广义扩散系数is为广义源项；公式等号两边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r和s具有特定的形式计算中采用RNG湍流模型i对流项采用2阶迎风格式i速度和压力耦合采用PISO算法g超车过程瞬态时间步长设定为0005s每种工况分别计算1050个时间步r即两车间的距离从X/L=-45计算到X/L=2I2计算结果与分析1气动力分析211无侧风时隔离带对车辆气动力的影响图4表示无侧风影响时中超车过程中主超车和654置

12、3电2I）654321001图4无侧风时主超车与被超车受到的气动力被超车气动力变化情况N图例中RFd表示气动阻力eFs表示俱向力，fl表不升力N由图4可见无侧风时隔离带对车辆气动力影响非常小I与无隔离带的超车过程口门相比'两车的气动阻力平均变化量小于1%9侧向力和升力变化略大一些但对车辆的安全稳定性影响依然很小H212侧风条件下隔离带对车辆气动力的影响图5给出了侧风条件下隔离带对主超车和被超车气动阻力的影响；由图5（a）可见i在侧风条件下隔离带使主超车气动阻力下降彳1#隔离带使气动阻力平均降低283%-2#隔离带使之平均降低305%1由图5（b）可见i两种隔离带使被超车气动阻力发生了不

13、同的变化。1#隔离带使被超车气动阻力减小fX/L=-075处减小幅度最大i此时AFd=13936N!2#隔离带在超车前后（XJLC-1和XIL>1）使被超车气动阻力减小;'但在超车过程中（-1XI1X1）使被超车气动阻力增大i在X/L=-05时AFd=9743NI图5侧风条件下"儡鹑镰酗气动阻力图6为侧风条件下不同隔离带对主超车和被超车侧向力的影响趋势N由图可见隔离带使车辆的侧向力大幅度减小f且植被密集的隔离带使车辆侧向力减小的幅度更大#由于主超车位置靠近隔离带#所以隔离带对主超车侧向力的影响更加明显f特别是在2#隔离带作用下i主超车侧向力平均降幅达688%；最大降幅达

14、828%i极大地提高了车辆的安全稳定性；对于被超车i当X/K-075时i2#隔离带比1#隔离带对其侧向力的影响更大;但当XIL>-075以后:'两种隔离带使住下降的幅度差别不大j而当X,iL>05后;'隔离带对被超车侧向力的影响图6侧风条件下主超车与被超车的侧向力图7示出侧风条件下隔离带对主超车和被超车升力的影响寸由图可见R隔离带有效地降低了两车的升力彳且植被密集的隔离带对升力的降低效果更明显1#隔离带使主超车升力平均降低了444%(而2#隔离带使主超车升力平均降低了718%1对于被超车而言其升力降低幅度也很大。尤其在X/L=-05处升力降低幅度最大隔离带使Fl减小

15、了31588NI2#隔离带使F(_减小了38843Ni但X/L>05以后i隔离带的影响不大；由图7(b)还可看出<几乎在整个超车过程中彳2#隔离带己使被超车的升力由正值变为负值f这使车辆的操纵稳定性得到显著提高§22流场分析由上述分析可知在侧风条件下隔离带对超车过程车辆气动力产生了较大影响由图5图7可见i在X.'L=-05附近车辆气动力达到峰值i因此下面对该位置处流场进行分析f(b)被超车升力图7侧风条件下主超车与被超车的升力图8为侧风条件下不同隔离带X/L=-05时1Z=14m截面上的压力云图和流线图；由图8(a)可见:无隔离带时U在侧风作用下$前方来流发生偏转

16、j气流绕过车身时N在两车背风侧和尾部产生气流分离，形成漩涡！尾流向着侧风方向偏转；由图8(b)可见£当受到1#隔离带作用时。部分侧风穿过隔离带F对前方来流产生扰动f在车身周围产生许多回流f形成数量较多的小漩涡此时两车迎风侧和背风侧压差减小i侧向力减小.:而由图8(c)可见:'采用2#隔离带时R侧风无法穿过隔离带彳只能从隔离带顶图8侧风条件下X/L=-05时Z=14m截面压力云图和流线图部绕流到车辆周围H此时主超车前方来流受侧风影响较小彳不再与车身呈一定角度彳而是几乎与车头垂直N气流绕过车身后it也不再随着侧风发生偏转R而是在主超车尾部较大负压的作用下。逐渐向主超车正后方偏转i

17、并在尾部形成漩涡X当气流流过车身时车辆背风侧没有明显的漩涡生成#此时车身左右两侧压差进一步减小,使侧向力减小N图9为侧风条件下不同隔离带X/L=_05时主超车和被超车纵对称面上的压力云图和流线图月由图9(a)可见'无隔离带时，主超车前方来流遇到车头时R部分气流滞止彳在车头前方形成较高的正压H流过驾驶室顶部的气流R绕流厢体前上缘时8产生气流分离i形成一个较大的气流分离区f流过这个区域的气流#在厢体顶部后方附着并向下游流动H在厢体后缘分离流入尾部F而由驾驶室头部分流到底部的气流i受到车辆底部凹凸不平和地面的影响N速度降低R压强升高】当这部分气流到达车厢尾部时彳由于尾流压强较低i在压强差的作

18、用下形成较强的上卷漩涡口"；漩涡的脱落产生了较大的能量损失形成了较大的气动阻力1由图9(c)可见i当受到1#隔离带影响时f主超车周围流场发生改变H由于部分侧风穿过隔离带流至主超车周围f对车辆前方来流产生扰动。气流在主超车前方产生回流彳形成一个较大的漩涡R导致主超车前方压力降低f气流绕流厢体上方时i形成一个与图9(a)中类似的漩涡i之后流入尾部R并在车辆尾部附近形成漩涡§在车辆底部i由于气流受到穿过隔离带的侧风的扰动R速度升高i压强降低i因此车辆受到的升力减小，当气流从底部进入尾流时r由于压差减小n在尾部形成的上卷漩涡减弱i影响区域减小j由图9(C)还可发现I在上卷漩涡后方靠

19、近地面处气流还形成了明显的回流区月由于车辆前后压差减小i致使主超车受到的气动阻力大幅度减小1由图9(e)可见i当受到2#隔离带影响时f由于侧风无法穿过隔离带*所以车身周围的气流主要来自车辆前方和绕流隔离带上方的气流i此时侧风的影响减弱主超车受到的各项气动力均减小H对于被超车i由图9(b)可见;'无隔离带时i前方来流在车头前方形成滞止气流f产生高压i但其压力明显低于主超车的压力H由于受到主超车的影响。被超车尾部的上卷漩涡消失彳取而代之的是一个滞止点涡i且在滞止点涡后方形成另一个较大的漩涡#由图9(d)可见二当受到1*隔离带影响时;'被超车前方气流产生回流d削弱了车前正压i并在一定

20、区域内形成了负压i底部气流扰动较大H速度增加A压强减小F车辆受到的升力减小P尾流中没有明显的上卷漩涡i但同图9(b)类似：形成了滞止点涡和另一个涡心位置较高尺寸较大的漩涡月车辆前后压差减小f受到的气动阻力减小1由图9(f)可见；当受到2#隔离带影响时i被超车前方形成较高的正压N尾部形成明显的上卷漩涡i尾部负压增强N车辆的气动阻力比无隔离带时还大N车辆底部形成一些小的漩涡f但在贴近地面处彳部分气流直接流过车辆底部流速较快i压强较低R因此升力减小N-I知x-1n祝枷zo揄£翎w.w，晦混图9侧风条件下HL=-05处主超车与被超车纵对称面压力云图和流线图3结论(D无侧风时隔离带对车辆气动力

21、影响很小；隔离带对车辆气动阻力的影响不足i%i对侧向力和升力的影响略大一些R但对车辆安全稳定性的总体影响依然很小N(2) 在侧风条件下i隔离带使超车过程中车辆气动力发生明显改变N在两种隔离带作用下主超车的阻力、侧向力和升力均大幅度降低f而被超车的阻力在稀疏隔离带作用下减小R在密集隔离带作用下增大i其侧向力和升力在两种隔离带作用下均减小J(3) 隔离带改善了侧风条件下车辆的气动性能N相对植被稀疏的隔离带t植被密集的隔离带使车辆的气动力变化较大。气动性能改善效果更明显参考文献1 GUILMINEAUE:CHOMETONF.Effectofsidewindonasimpli'fiedcarm

22、odel:ExperimentalandnumericalanalysisJ.JournalofFluicfcEngineering2009i131(2)二021104-021115.2 龚旭j谷正气i李振任；等.侧风状态下轿车气动特性数值模拟方法的研究J.汽车工程201032(1):13-16.3 GUILMINEAUE«CHIKHAOUI0DENGGB;etal.CrosswindeffectsonasimplifiedcarmodelbyaDESapproachJ.ComputersandFluicfc-2013178(12):29-40.4 于伟靖:'张英朝i任琳琳；

23、等.重型商用车间歇性侧风气动特性仿真J.汽车工程；2017(39(4):407-411.5 CHELIF(RIPAMONTIF-SAEBIONlE'etal.Windrtin?el,testsonheavyroadvehicles:CrosswindinducedloachPart2LJ.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics；2011(99(1lr0):1011-1024.6用兴军i丁鹏宇i秦裾R等.州风影响下桥上行驶的重型货车气动特性模拟J1.吉林大学学报(工学版)-2012(42(3):534-538.(上接第395页)

24、大而增加;'NO和PN两种污染物的排放量与动力学参数有较强的线性相关性，(5)本文中提出了一种根据动力学参数对RDE实验结果进行修正的方法彳建议在RDE法规后续修订的过程中il考虑动力学参数对RDE实验结果的影响并给出相应的方法进行评估N参考文献L1中华人民共和国国家统计局.中国统计年柴2016M.北京：中国统计出版社2016.2 JOHNS0NTV.ReviewofvehicularemissionstrendsC.SAEPaper2015"010993.3 VLACHOSTG*BONNELP;PERUJOAietal.Inuseemissionstestingwithpo

25、rtableemissionsmeasurementsystems(PEMS)inthecurrentandfutureeuropeanvehicleemissionslegislation:overview，underlyingprinciplesandexpectedbenefitsLJ.SAEInter王艳.道路地形对货车侧风行驶气动特性的影响研究D.长春:吉林大学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 王福军.计算流体动力学分析FD软件原理与应用】M.北京:清华大