刘　洋， 宇仁德， 宋林潇

(山东理工大学 交通与车辆工程学院， 山东 淄博 255049)



侧风对行车安全影响分析

刘洋， 宇仁德， 宋林潇

(山东理工大学 交通与车辆工程学院， 山东 淄博 255049)

摘要：以获得不同强度侧风作用下汽车所受横摆力矩及升力的大小为目的，运用仿真软件Fluent对三种不同强度风力作用下高速行驶轿车所受横摆力矩与升力大小做出对比，结果显示车速一定而侧风强度增加时，汽车所受的横摆力矩及升力会随侧风强度的增加而增加,威胁到汽车的行车安全.

关键词：侧风；流体力学； 数值模拟； 横摆力矩； 升力； 行车安全

随着近年高速道路的迅猛建设、汽车外形设计优化和汽车动力系统性能的提升，汽车行驶速度得到了很大的提升.汽车高速行驶时对侧风敏感性较高，因而侧风对高速行驶的汽车行驶安全会产生较大的威胁[1-2].

高速汽车在侧风作用下其风压中心和质心之间存在一定的距离，因而会产生横摆力矩，使汽车发生侧滑，影响行驶安全[3].而汽车在侧风作用下产生的气动升力会使汽车轮胎与地面阻力减小，影响汽车行驶中的制动性能，增加侧风对汽车行驶安全的威胁.经过一些对比研究发现，仿真侧风作用下的车辆周边流场与模型试验吻合度很高[4],本文研究选用流体仿真软件并参考较为成熟的列车在侧风作用下获得气动系数的模拟方法[5-7]，对稳态侧风作用下高速汽车进行数值模拟分析.

1湍流模型

汽车行驶速度低于声速，因此汽车的周边流场可以看作三维不可压缩粘性等温流场，由于汽车外形较为复杂容易引起分离，所以应该按湍流处理[8].

标准k-ε模型是在关于湍动能k方程的基础上引入一个关于湍动耗散率ε的方程[9].其基本方程如式(1)和式(2)：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

2仿真计算设置

2.1几何模型建立

研究所采用轿车模型如图1所示，本课题用Gambit来构建三维模型.考虑到网格划分的数目大小、计算机的内存、计算时间等因素，把原模型缩小了10倍，采取10∶1比例建立模型.缩小后的模型总长452.3mm，总宽177.5mm，总高146.7mm.构建的模型简化了轿车车身的细部结构，简化了雨刮器、后视镜等一些细节装置.

由于轿车是对称的，因此计算时只需计算一半即可，减少一半的计算量.

图1　轿车半车模型

2.2创建风洞计算域

从理论上讲，只有从无限的距离计算车外边界才是最为精确的，但在实际计算中，若根据施加的入口和出口边界条件要求的数值计算，流场应对车辆的影响最小，所以计算域的大小应足够大.整个计算域是一个矩形网格，标准的微型车领域应近似为：入口距离模型车车长的3倍，出口距模型车车长的6倍，宽度的计算域是车辆宽度的12倍，车辆高度高6倍，考虑计算机容量应该适当选择合理的网格划分来实现研究目的.因此计算域的定义如下：长度是模型车长度的10倍，高度是车高的6倍，宽度是车宽的10倍.模型是中心对称的，因此只画一半，以缩小计算域减少计算负荷，在这样的汽车流场数值模拟的计算域中进行计算模拟，汽车不再受流场计算域的大小影响.最终计算域的大小确定为：

汽车的前部计算域长为

3L=3×452.3mm=1356.9mm.

汽车的侧面计算域宽为

4.5W=4.5×177.5mm=798.75mm.

汽车的上部计算域高为

4H=4×146.7mm=586.8mm.

汽车的后部计算域长为

6L=6×452.3mm=2713.8mm.

汽车的轮胎与计算域的下表面相接触，详情见图2.

图2　轿车半车数值模拟计算域

2.3网格划分及边界条件设置

在对车辆及其所在计算域进行网格划分时，为保证其计算精度，采用了较细的网格划分.车身表面形状复杂，为产生良好的贴体网格，本文采用非结构化网格.图3为 整个计算域对称面上的网格划分.

图3　整个计算域对称面上的网格

边界条件设置：

(1)设置车体前面的面和右侧面为速度入口边界:前方入口速度为33m/s,另一个入口速度分别设置为15m/s，18m/s和20m/s,分别代表7、8、9级风力进行仿真计算.压强为大气压.温度为300k.湍流强度k为0.04湍流耗散率ε为0.025.

(2)设置车体后面的面为压力出口边界，相对于大气压的压力为0.

(3)设置方块对称面上的两个面为对称的边界类型.

(4)设置方块的顶面和对称面相对的侧面为对称的边界类型.

(5)设置车体的所有面为wall，车身表面为固定壁面，各方向速度均为零，U=V=W=0.

空气的密度是ρ=1.225kg/m3，动力粘度μ=1.7894×10-5kg/ms.

2.4网格独立性验证

在用Fluent进行数值模拟时，网格的数量和质量对计算结果影响很大.若网格数量太少，达不到所要求的精度.若网格划分过于密集，则对计算内存要求较高，且计算时间会增加，因此确定网格划分的数量是一个关键问题.目前对于这个问题，普遍采用网格的独立性验证.本文在划分网格时，对于侧风作用于车辆的计算域，采用了4种划分方案，并按车辆以33m/s(约为120km/h)行驶，速度为15m/s的侧风作用时车辆所受的横摆力矩作为评价标准，计算结果见表1.

表1不同网格划分时计算结果对比

网格数量横摆力矩/N·m相对前一种方案变化/%方案一1104412-90676.772方案二1321581-91248.5310.631方案三1625321-91851.7850.661方案四2158604-92551.2370.762

从表1可以看出，方案二的结果比方案一相对变化已经小于2%，再继续细化网格对计算结果影响不大.方案二不仅满足了计算所要求的精度，而且避免了网格数过多而导致计算时间过长的问题，因此选用方案二的网格划分.

3仿真及结果分析

Fluent软件提供了多种湍流模型，根据汽车流场的完全湍动特点，最终选择标准k-ε的湍流模型进行仿真计算.

计算方法选择稳态情况下的SIMPLE算法.在迭代计算的时候，要选择合适的松弛因子，松弛因子的设定直接决定迭代是否收敛及数值模拟的成败.松弛因子可以调节迭代收敛速度.选用大的松弛因子可以使计算速度加快，但得不到精确的计算结果，松弛因子选的过小则会降低计算的速度.在差分格式中，压力项采用标准的，动量项、湍动能和湍动能耗散项车速采用一阶迎风格式.

本次仿真设定车辆车速120km/h，侧风速度分别为15m/s、18m/s、20m/s进行模拟仿真.

3.1侧风大小对横摆力矩大小的影响

由仿真模型的坐标可知，横摆力矩是使汽车绕坐标y轴旋转的力矩.其在三种不同等级风速作用下的横摆力矩仿真结果如图4、图5、图6所示.

图4　侧风风速15m/s汽车所受横摆力矩

图5　侧风风速18m/s汽车所受横摆力矩

图6　侧风风速20m/s汽车所受横摆力矩

由图可以看出横摆力矩会随侧风风速增加而增大.横摆力矩系为负数，说明侧风的作用点在车辆重心的前面.汽车在z轴方向受到侧向力，从而产生绕y轴回转的横摆力矩.横摆力矩会使车辆随着风的方向摆动，严重影响车辆行驶时的方向稳定性.

3.2侧风大小对气动升力大小的影响

汽车在不同强度风速作用下产生的气动升力作用点相同，即产生升力力矩的力臂相同，因此可从气动力矩的变化判断出气动升力的变化.三种不同强度侧风作用下的升力力矩仿真结果如图7、图8、图9所示.

图7　侧风风速15m/s汽车所受升力力矩

图8　侧风风速18m/s汽车所受升力力矩

图9　侧风风速20m/s汽车所受升力力矩

通过对比图7、图8、图9可看出，随着侧风强度的增加升力力矩增加，即升力是随侧风强度增大而增加的.气动升力的增加会使得行驶中的汽车与地面之间的附着力降低.如果其值过大或者分布不当有可能使转向轮失去转向力，使驱动轮失去牵引力，影响汽车的操作稳定性.轻型汽车，特别是重心靠后的汽车，对前轮的升力特别敏感.当气动升力达到一定范围，将直接威胁到行车安全.

4结束语

通过三种仿真结果的分析，可以发现侧风对高速行驶汽车的行驶安全有重要影响，侧风强度的变化改变了汽车周围气流的流动，直接影响车身所受的横摆力矩与升力大小变化.横摆力矩会导致车身沿着侧风的方向发生偏转，降低汽车的行驶稳定性和车辆的操纵性能，而升力则会使汽车与路面附着力减小降低了汽车的制动与转向性能.

参考文献:

[1]曹丽华.侧风环境下车辆动态响应研究[J].交通节能与环保，2013(2):56-62.

[2]谷正气.汽车空气动力学[M].北京：人民交通出版社.2005.

[3]海贵春，谷正气，王和毅，等.侧风对汽车高速行驶性能影响的仿真研究[J].湖南大学学报，2006,33(2):40-43.

[4]龚旭，谷正气，李振磊.侧风状况下轿车气动性能的仿真与实验研究[J].系统仿真学报，2012,24(6):1 308-1 313.

[5]毛军，郗艳红，杨国伟.侧风风场特征对高速列车气动性能作用的研究[J].铁道学报，2011,33(4):22-30.

[6]Chris B.A framework for the consideration of the effects of crosswinds on trains[J].United Kingdom: Journal of Wind Engineering& Industrial Aerodynamics,2013,123:130-142.

[7]Volpe R,Ferrand V,Silva A D， et al. Forces and flow structures evolution on a car body in a sudden crosswind[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2014,128:114-125.

[8]袁志群，谷正气，卢克龙.汽车后视镜气动干涉阻力特性的数值计算研究[J].湖南工业大学学报.2010.24(3):81-85.

[9]朱红钧，林元华，谢龙汉.FLUENT流体分析及仿真[M.北京：人民邮电出版社.2010.

(编辑：刘宝江)

Elementary study on the influence of cross wind on driving safety

LIU Yang, YU Ren-de, SONG Lin-xiao

(School of Transportation and Vehicle Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255049， China)

Abstract:To investigate the influence of the different crosswind on vehicle yaw moment and lifting force, we use imitation software fluent high-speed vehicle's yawing moment and lift force in three different strength of the crosswind.The results show that when the vehicle′s speed is certain the yaw moment and lift force will increase with the increase of crosswind,which is a threat to the safety of driving.

Key words:crosswind; fluid mechanics; numerical simulation; yaw moment; lift force; traffic safety

中图分类号：X913.4

文献标志码：A

文章编号：1672-6197(2016)03-0070-04

作者简介：刘洋，女，liuyang_8908@163.com； 通信作者： 宇仁德 ，男，yrd65@sina.com

收稿日期：2015-04-25