杨列宸 袁志群 秦利燕 吕恒庆

摘 要：针对以往大多数研究中采用90°侧风进行研究这一问题，通过CFD软件对不同侧风角度下的汽车稳定性进行了研究。采用风洞试验的方法对仿真试验进行了验证，通过对比，发现仿真得到的数值与风洞试验的数值差值在5%以内，说明了仿真模拟的合理性。结果发现，汽车在侧风环境下的侧向位移量与汽车质心的速度和所受到的侧向力共同影响，总体趋势是，侧向位移量首先会随着侧风角度的增大而逐渐增大，在某个角度取得最大值，然后再逐渐减小。

关键词：汽车稳定性;侧风角度;CFD

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）09-206-03

Study on the Influence of Crosswind Angle on Vehicle Stability

Yang Liechen， Yuan Zhiqun， Qin Liyan， Lu Hengqing

（Xiamen Institute of Technology， Fujian Xiamen 361024）

Abstract： In view of the previous research on 90° crosswind in most studies， the stability of vehicles under different crosswind angles was studied by CFD software. The simulation test was verified by the method of wind tunnel test. By comparison， it was found that the numerical difference between the numerical value obtained by the simulation and the wind tunnel test was within 5%， which indicated the rationality of the simulation. It was found that the lateral displacement of the car in the crosswind environment is affected by the speed of the car's center of mass and the lateral force received. The overall trend is that the lateral displacement will first increase as the crosswind angle increases. Get the maximum at an angle and then gradually decrease.

Keywords： Vehicle stability; Crosswind angle; CFD

CLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）09-206-03

1 引言

汽車侧风稳定性这个问题的提出，是因为在1935年的一场赛车比赛中，当时德国的一位赛车手在比赛中，由于受到了强烈的侧风影响，导致驾驶的赛车失去了控制，最后他本人撞到了大树而受重伤去世 ^[1]。从那时开始，学者们意识到了侧风对汽车的影响，开始进行研究汽车的侧风稳定性。上世纪，德国的卡姆教授于斯图加特 ^[2]创建了著名的车辆科学与发动机研究所，并首次进行了汽车稳定性和直线行驶能力的研究。进入21世纪，我国国内开始使用实车风洞实验室开展研究。风洞试验可以进行多次试验，重复性比较高而且试验结果也很准确，但是另一方面风洞试验也有成本高、时间长等缺点，由此，伴随着虚拟样机技术的出现，很好的补足了这一缺点，也为汽车的气动研究提供了很好的技术手段。

在以往的大多数研究中，很多学者默认的将侧风角度设为90°，认为侧风垂直作用于汽车侧面会是最危险的工况。但是自然界中侧风的来向是不固定的，所以说，直接使用90°的侧风角度进行研究是不严谨的。针对这一问题，本文将对侧风角度对行车的安全性进行研究。

2 计算域及计算模型

2.1 汽车模型

本论文的模型采用的是1：1的Mira阶梯背式标准模型，如下图1所示。Mira标准汽车模型是现在业界研究汽车整车外流场最为理想化的简化模型，该模型在全球范围内也被广大学者广泛的使用，有大量的试验数据可以进行研究参考和对照，这样有助于对仿真的验证和对试验的修正。

2.2 计算域及计算方案

选择合理的计算域和计算网格尺寸对计算结果的准确性尤为重要。由于前面选用了重叠网格的计算方案，车体在计算域中处于不断前进的状态，因此，对于计算域相对其他方案较长，结合《乘用车空气动力学仿真技术规范》的计算域要求，得到计算域的尺寸具体如下表1：

根据要求，本文对从域的尺寸进行了设置，具体为：从域前部距离车头0.5倍车长，从域后部距离车尾1.5倍车长，从域上部距离车顶2倍车高，从域左右两侧距离车体各1倍车宽。

2.3 计算网格

车体附近的气流受车体的影响会产生速度梯度，设置3级体网格加密区，为了保证计算资源的合理性，参考计算的硬件属性，对网格数量进行了一定的控制，设置的加密区网格尺寸分别为64mm、128mm及256mm的加密域控制。具体的加密区如下图2所示：

通过查阅文献，通常学者对于采用大涡模拟，Y+一般取1。因此，对于本文，为保证此条件，第一层附面层尺寸大小取0.1mm，增长率为1.2，一共生成14层，最终总厚度为6mm。最终的体网格数量为1037万。

3 仿真模拟结果分析

3.1 仿真与实验比对

为了证明仿真模拟的合理性，选取无侧风时仿真模拟和风洞试验的气动力进行对比。

仿真得到的三个力系数的误差范围均在5%以内，符合要求，说明仿真现在对于研究有很大的帮助，计算结果也能够保证比较精确。

3.2 气动六分力变化趋势

阻力系数在前期随着侧风角度的增大而逐渐增大，在70°时取得最大值;侧力系数和升力系数随着侧风角度的增大而不断增大，可以看出，侧风对侧向力和升力的影响比较大，两者会在侧风角度较大时值也相对较大;侧倾力矩系数也是随着侧风角度的增大而不断增大;横摆力矩系数则是在侧风角度50°之前逐渐增大，随后不断减小;相对而言，俯仰力矩系数的变化就显得比较杂乱，在没有侧风的作用时，其取值为正值，在侧风作用时，其取值为负值，相当于侧风的作用改变俯仰力矩的作用方向，在侧风角度5°-35°的范围内，俯仰力矩系数不断减小，在35°-65°之间不断增大，在65°之后又逐渐减小，变化比较复杂。

3.3 侧风稳定性评价

结合本文工况，研究发现，在车体驶入侧风带和驶出侧风带时，车体所受到的气动力为线性函数，类似于线性阶跃。当车体完全处于侧分带时，其所收到的气动力为定值。本文Mira阶梯背标准模型的车长为4162.8mm，侧向风速为90km/h，汽车以100km/h的车速进入6m的侧风带，在2S内所受到的气动力如下表达式（以0°时的阻力为例）：

（1）0

（2）0.15

（3）0.36

根据上述的公式，在软件中编辑出此侧风模型如下图3所示：

将计算得到的气动六分力输入到软件中，仿真得到不同侧风角度下的侧向位移对比。

在50°侧风角度下，侧向位移量最大，为1192mm。汽车在受到瞬时性急风作用运动时，其侧向位移量和车身的横摆角与质心的速度和侧向力的大小这两个外界因素有关。因此，对比上面侧风0°-90°的工况，汽车的模型都是相同的，所示有关系数值都是相同的，所以，在此工况下，汽车质心点的速度与其所受到的侧向的乘积在50°时取得最大值，因此上面仿真得到的最大側向位移为侧风角度50°时。

4 结论

利用仿真的方法将汽车系统动力学和空气动力学结合起来，更加具体的验证了侧风角度对行车安全的影响。研究发现，并非90°侧风下汽车是最危险。而汽车在侧风环境下的侧向位移与质心点的速度和侧风力的大小两者共同影响。综合来看，随着侧风角度的增大，汽车在侧风环境下的侧向位移呈现先增大后减小的趋势。而如果需要研究极限工况下的行车安全性，需要根据不同的车型和工况来确定具体的侧风角度。

参考文献

[1] Faerber，H A.Das Autobuch[M].Offenburg：Burda，1956：231.

[2] Kamm W.Vehicle characteristic affecting dircetional stability of motor vehicles[J]. Auto Technishe Zeitung，1958，60（6）：65-71.

[3] 熊超强，臧孟炎，范秦寅.低阻力汽车外流场的数值模拟及其误差分析[J].汽车工程，2012，1： 36-39.

[4] 涂尚荣，张扬军，谢今明，杨胜，郑孟伟.汽车外部流场仿真的复杂网格系统生成[J].汽车工程，2002，5：408-411.

[5] CD-adapco Inc. STAR-CCM+ User Guide[M]. 2013.