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超车过程的气动特性综述
2020-12-04 20:02:44· 来源：中汽中心空气动力学实验室
汽车高速行驶的操作稳定性、安全性和舒适性在很大程度上取决于汽车的气动特性。汽车在路面上行驶的工况越来越复杂，尤其是汽车在高速超车时，车身周围流场不断急
汽车高速行驶的操作稳定性、安全性和舒适性在很大程度上取决于汽车的气动特性。汽车在路面上行驶的工况越来越复杂，尤其是汽车在高速超车时，车身周围流场不断急剧变化，这不仅严重影响汽车的气动特性，而且会使车辆发生偏移，影响车辆行驶时的稳定性和安全性。
2000年，AZIM等应用实际汽车1/60的模型基于烟雾可视化方法，对超车过程的湍流特性进行了试验，结果表明，干扰车周围的流动结构根据雷诺数的改变而发生显著变化，但是模型比例与真实汽车相差较大，而且可视化方法提供的定量信息很少。2005年，NOGER 等放大了模型尺寸，采用动态试验对两个1/5尺寸的模型进行了超车过程的瞬态模拟，研究表明，纵向间距、横向间距和相对速度都会对车辆的气动力和力矩产生影响，但是模型较为简单，精确程度低。如图1 a、b分别为实验布置台和实验车辆的定位标记：
图1 （a）
图1（b）
随后在2008年，CORIN等对超车过程进行了数值模拟，发现了相对速度会对超车过程中车辆周围的压力场产生影响，从而使车辆的受力状态发生改变。2013 年，BRUZELIUS等基于RANS方法进行了数值模拟，分析了超车过程引起的阻力、侧向力和横摆力矩系数的变化规律。2014年，HOWELL等通过试验的方法研究了小型汽车超越大型卡车时的空气动力学特性 ，得到了试验数据，并讨论了试验过程的局限性。ALHOMOUD等应用SolidWorks软件设计了小型汽车和大型卡车模型并进行了模拟仿真，探索超车过程中4个不同位置上阻力系数对两车的影响，但是该模拟并不是连续的超车过程，与真实的超车过程有差异。上述研究主要针对直道超车，对实际生活中的直道超车现象具有一定的指导意义。但是，实际生活中更多情况是变道超车，很少有人将变道超车过程中两车的流场变化以及流场中涡的变化与车身受力相结合进行分析。
在前人的研究基础上，本文将进一步展开对超车过程更为复杂的工况进行研究。主要研究内容有变道超车过程中压力、速度、侧向力随着车辆的相对位置的变化而变化，变道超车过程中，汽车的行驶稳定性与侧向力的大小有密切的联系。
图2 （a）
图2 （b）
如图3 a、b为汽车超车过程的压力云图，由图可观察出超车过程中车身周围气压的变化过程，并进一步能得出汽车此时的受力情况。
图3 （a）
图3 （b）
在变道超车过程中，运动的小车周围形成不均衡流动甚至于偏置的流场，如图3 a、b所示，两个流场区域相互干涉，不断变化，从而引起小车气动力发生变化。
图4 （a）
图4 （b）
图4是超车过程流线图，在超车过程中存在自由涡，这个涡产生、变大、运动、消失的过程，引起两车之间流场相互干涉。
变道超车过程相较于直道车道超车过程流场变化更为复杂，变道超车过程中车身两侧的束缚涡尺寸大小持续变化、旋转方向相反；流场中自由涡经历产生、变大、发展、消失的过程，消耗流场中的能量，加剧两车周围的流线发生偏置，从而影响两车的受力状态。本文将采用动网格技术和SIMPLE算法对相同车型不同速度、相同车型不同间距、不同车型的变道超车过程进行了数值模拟，得到了相应的压力云图、速度矢量图、流线图以及侧向力等结果，并对侧向力数据进行分析处理，得出变道超车过程不同位置处两车周围流场变化、车身周围束缚涡与流场中自由涡的变化过程，从而解释车身受力状态发生改变的原因，为汽车行驶提供理论建议。
参考文献
[1] AZIMA F，GAWAD A F.A Flow Visualization Study of the AerodynamicsInterference Between Passenger Cars[C]//SAETechnical Papers，2000-01-0355，2000.
[2]NOGER C. REGARDIN C. SZÉCHÉNYI E. Investigation of theTransient Aerodynamic Phenomena Associated with Passing[J].Journal of Fluids and Structures，2005,21(3)：231-241.
[3] 李进良 . 精通 FLUENT_6.3 流场分析 [M]. 北京：化学工业出版社，2009.
[4] 吴允柱 . 汽车超车过程的气动特性研究 [D]. 长春：吉林大学，2008.
[5]龙世桀，基于 CFD 的变道超车过程气动特性分析.[D]天津，汽车工程学报，2020.
[6] 张英朝 . 汽车空气动力学数值模拟技术 [M]. 北京：北京大学出版社，2011.
2000年，AZIM等应用实际汽车1/60的模型基于烟雾可视化方法，对超车过程的湍流特性进行了试验，结果表明，干扰车周围的流动结构根据雷诺数的改变而发生显著变化，但是模型比例与真实汽车相差较大，而且可视化方法提供的定量信息很少。2005年，NOGER 等放大了模型尺寸，采用动态试验对两个1/5尺寸的模型进行了超车过程的瞬态模拟，研究表明，纵向间距、横向间距和相对速度都会对车辆的气动力和力矩产生影响，但是模型较为简单，精确程度低。如图1 a、b分别为实验布置台和实验车辆的定位标记：
图1 （a）
图1（b）
随后在2008年，CORIN等对超车过程进行了数值模拟，发现了相对速度会对超车过程中车辆周围的压力场产生影响，从而使车辆的受力状态发生改变。2013 年，BRUZELIUS等基于RANS方法进行了数值模拟，分析了超车过程引起的阻力、侧向力和横摆力矩系数的变化规律。2014年，HOWELL等通过试验的方法研究了小型汽车超越大型卡车时的空气动力学特性 ，得到了试验数据，并讨论了试验过程的局限性。ALHOMOUD等应用SolidWorks软件设计了小型汽车和大型卡车模型并进行了模拟仿真，探索超车过程中4个不同位置上阻力系数对两车的影响，但是该模拟并不是连续的超车过程，与真实的超车过程有差异。上述研究主要针对直道超车，对实际生活中的直道超车现象具有一定的指导意义。但是，实际生活中更多情况是变道超车，很少有人将变道超车过程中两车的流场变化以及流场中涡的变化与车身受力相结合进行分析。
在前人的研究基础上，本文将进一步展开对超车过程更为复杂的工况进行研究。主要研究内容有变道超车过程中压力、速度、侧向力随着车辆的相对位置的变化而变化，变道超车过程中，汽车的行驶稳定性与侧向力的大小有密切的联系。
图2 （a）
图2 （b）
如图3 a、b为汽车超车过程的压力云图，由图可观察出超车过程中车身周围气压的变化过程，并进一步能得出汽车此时的受力情况。
图3 （a）
图3 （b）
在变道超车过程中，运动的小车周围形成不均衡流动甚至于偏置的流场，如图3 a、b所示，两个流场区域相互干涉，不断变化，从而引起小车气动力发生变化。
图4 （a）
图4 （b）
图4是超车过程流线图，在超车过程中存在自由涡，这个涡产生、变大、运动、消失的过程，引起两车之间流场相互干涉。
变道超车过程相较于直道车道超车过程流场变化更为复杂，变道超车过程中车身两侧的束缚涡尺寸大小持续变化、旋转方向相反；流场中自由涡经历产生、变大、发展、消失的过程，消耗流场中的能量，加剧两车周围的流线发生偏置，从而影响两车的受力状态。本文将采用动网格技术和SIMPLE算法对相同车型不同速度、相同车型不同间距、不同车型的变道超车过程进行了数值模拟，得到了相应的压力云图、速度矢量图、流线图以及侧向力等结果，并对侧向力数据进行分析处理，得出变道超车过程不同位置处两车周围流场变化、车身周围束缚涡与流场中自由涡的变化过程，从而解释车身受力状态发生改变的原因，为汽车行驶提供理论建议。
参考文献
[1] AZIMA F，GAWAD A F.A Flow Visualization Study of the AerodynamicsInterference Between Passenger Cars[C]//SAETechnical Papers，2000-01-0355，2000.
[2]NOGER C. REGARDIN C. SZÉCHÉNYI E. Investigation of theTransient Aerodynamic Phenomena Associated with Passing[J].Journal of Fluids and Structures，2005,21(3)：231-241.
[3] 李进良 . 精通 FLUENT_6.3 流场分析 [M]. 北京：化学工业出版社，2009.
[4] 吴允柱 . 汽车超车过程的气动特性研究 [D]. 长春：吉林大学，2008.
[5]龙世桀，基于 CFD 的变道超车过程气动特性分析.[D]天津，汽车工程学报，2020.
[6] 张英朝 . 汽车空气动力学数值模拟技术 [M]. 北京：北京大学出版社，2011.
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