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重型商用车侧风下通过高速路隧道的气动特性仿真研究|AutoAero201910期
2019-06-13 23:00:27· 来源：马晓静 AutoAero
引言重型商用车因为其外形特点导致对侧风敏感度很高，尤其在高速路隧道高速行驶时，车辆在进出隧道口时，侧风会严重影响其气动特性，极易引发交通事故。湖南大学
引言
重型商用车因为其外形特点导致对侧风敏感度很高，尤其在高速路隧道高速行驶时，车辆在进出隧道口时，侧风会严重影响其气动特性，极易引发交通事故。湖南大学谷正气教授研究了气动侧向力对汽车动力性和操纵稳定性等性能的影响，并根据参数关系建立了数学模型。 Ramaiah高等研究学院运用FLUENT软件对客车的侧风下气动特性进行了数值模拟研究；吉林大学郭孔辉院士团队针对Audi100轿 车各项参数，研究了侧风对其稳定性的影响；瑞典皇家理工学院研究了侧风引起的气动力对高速轨道车辆稳定性的影响；湖南大学研究了侧风对汽车在高速行驶过程中侧风稳定性的影响；日本北海道大学用大涡模拟法研究了受非稳态侧风的道路车辆瞬态气动响应；吉林大学运用参数化仿真软件CarSim研究了某型号国产轿车高速行驶时受侧风作用下的各项性能参数变化。由此可见，国内外研究人员对各型车辆侧风研究已比较成熟，但是对重型商用车在侧风下通过高速路连续隧道这一工况的研究仍较少。
本文通过STAR CCM+计算流体软件对某型重型商用车行驶通过高速路隧道时的侧风工况进行CFD仿真分析，以得到在此工况下的车辆气动特性以及周围流场变化规律，为后续重型商用车在高速路隧道行驶时的侧风工况研究提供重要参考价值，并为以后的重型商用车侧风稳定性和侧风安全性开发提供设计依据。
有限元模型建立及模拟方案分析
模型的建立
如图1所示，隧道模型的断面几何尺寸根据公路隧道断面轮廓设计，隧道半径R为5.4m，最大高度为7m。图2为重型商用车关键整车尺寸。
图1 隧道断面尺寸示意图
图2 重型商用车模型
模拟方案分析
如图3所示，本文对重型商用车在侧风中分别行驶通过一段单行隧道和两段单行高速路隧道作为两种研究方案。由于地理条件的不同，高速路隧道形式千差万别，两种方案中的第一段单行隧道长度都是24m，只为保证重型商用车在隧道中行驶时，处于稳定的侧风流场中；方案二中的第二段单行隧道长度18m，两段隧道间隔18m，以实现重型商用车在进入和驶出第二段隧道过程中，车体表面受到的侧风气流经历从有至无和从无到有的瞬态变化过程，这种变化对重型商用车行驶稳定性影响较大。
（a） 方案一
（b） 方案二
图3 隧道布置形式示意图
网格划分及边界条件设置
网格划分策略
本文采用STAR CCM+重叠网格技术实现整车的水平移动，实现车辆在路面的行驶并通过隧道侧风带的瞬态模拟，考虑隧道空间大小，包裹车辆并随其一起运动的小计算域(即overset region)的空间尺寸为长20m，宽7.5m及高度5m，如图4。大计算域的体网格选用切割体网格，这样也是为了更好的模拟流场和节省网格数，隧道及车身周围采用最小尺寸为5mm网格进行了适当加密处理。包裹整车的小计算域采用多面体网格模型，这样就可以在保证计算精度的同时，减少网格总数;为了更清楚的观察车身及加密通道的流场变化，车身表面选用5cm厚边界层网格加密，第一层网格厚0.5mm，以1.5倍增长，选用All y+值壁面函数，经计算车体表面y+值约30，满足湍流模型的计算要求（5≤y+≤30），使其生成的边界层网格可以更好的模拟车身表面及周围流场流动细节，最终划分体网格数为600万（方案一）和970万（方案二）。图5为两种隧道方案的计算域分布和体网格划分示意图。
本文之所以采用STAR CCM+计算流体软件，主要是因为其在模拟汽车流场方面具有计算结果不易发散且易收敛的优点。
图4 Overset Region尺寸示意图
（a） 计算域网格分布前视图
(b1) 方案一
(b2) 方案二
（b） 计算域网格分布俯视图
图5 两方案网格分布图
边界条件设置
根据我国高速公路隧道限速要求普遍为80km/h，两种方案中的重型商用车行驶速度取其限制上限80km/h(22.2m/s)进行，以便更真实地分析高速路工况。本文设置两种方案对比车辆通过第一段隧道时，不同侧风速度对重型商用车行驶稳定性的影响，方案一选取高速路中常见的五级风速，即10m/s的侧风速度，而方案二侧风速度设置为13m/s，即六级风速（用速度入口实现）。
在进行瞬态数值仿真研究中，需要设定仿真的时间步长，时间步长一般通过下公式获得：
式中，ΔL 为网格的最小尺度，v 为流体的运动速度，C 为无量纲的库朗数（Courantnumber），用来控制计算时的时间步长，也就是时间步长与空间步长的相对关系。一般当C≤1时，瞬态数值计算相对容易收敛。本文根据最小网格尺寸和流体速度，选用时间步长为0.001s。
湍流模型及离散格式、具体的物理条件设置如表1所示。
表1 边界条件设置情况
不同隧道形式及侧风大小仿真结果分析
参考点及坐标系的建立
本文研究重点是对重型商用车通过不同的隧道形式进行数值模拟，对比分析不同侧风速度对车辆通过一段单行隧道时的影响，并研究侧风对车辆通过连续隧道时气动特性的具体影响。
重型商用车空气动力学参考点是根据美国汽车工程协会（SAE）相关规定确定的，汽车中心对称面与前轴距一半的轴向平行线交点在地面的投影。汽车坐标系及各坐标轴方向规定为：以空气动力学参考点为原点，车辆前进方向为X轴正向，垂直向下为Z轴正向，由右手螺旋定则确定Y轴正向。如图6所示，为该模型矩点位置、坐标系及六分力示意图，A为参考点，a为轴距。
（a）侧视图
（b）俯视图
（c）汽车坐标系及六分力示意图
图6 坐标系、六分力及模型参考点位置示意图
无量纲的气动力系数及气动力矩系数是研究车辆气动特性的重要参数，可由以下气动力、气动力矩公式求得：
式中，CF为气动力系数，CM为气动力矩系数，ρ为空气密度（kg/m3），v为车速（m/s），A为正向迎风面积（m2），L为轴距（m）。
为了确保计算结果的准确度，本文要保证仿真结果是在重型商用车周围流场稳定的前提下获得的，所以需要对重型商用车行驶在没有隧道的开阔路段工况，对其气动特性进行仿真分析，得出其周围流场达到稳定的时刻，为后续工况下流场稳定时刻的判定提供参考依据。重型商用车由于其较大的侧面迎风面积，选取较敏感的气动力系数主要有: Cs(侧向力系数)、Crm（侧倾力矩系数）及Cym(横摆力矩系数)，它们可以较好得反应出车辆在侧风下的行驶状态，方便后续对车辆侧风行驶稳定性和安全性的研究。图6为重型商用车行驶于开阔路段时所受气动六分力系数随时间(t)的变化曲线。由图可知，在瞬态物理时间达到1s时，重型商用车的各个气动力系数已经趋于稳定，这也证明了车身周围流场已达到稳定，仿真计算结果真实可靠。
图7 重型商用车开阔路段行驶的气动六分力系数变化
观测点设置方案
图8为重型商用车在两种隧道方案的行程时间及观测点示意图，图中可以看出重型商用车车头分别行驶至隧道出入口的时间点。本文中两方案的观测点设置相同，由于通过的隧道距离较短和重型商用车车身长度较长，所以选取其每过0.1s(即每行驶2.22m)一个观测点的布置方式。方案一重型商用车行驶78m，所以有35个观测点，行驶时间约为3.5s;同理，方案二重型商用车行驶111m，用时约5s，可以得到50个观测点。从图7可得，重型商用车通过两种方案的第一段隧道进口、出口的时刻是相同的，即进口时刻都是1.1s和出口时刻都是2.2s;同时，方案二中重型商用车车头到达第二段隧道入口和出口的时刻是t=3s和t=3.8s。
（a） 方案一
（b） 方案二
图8 观测点示意图
两方案气动系数对比分析
图9分别为重型商用车完全驶过两种方案高速路隧道的气动力系数（即Cs、Crm和Cym）变化曲线。
由于方案一与方案二前3s内，除侧风速度不同外，车辆所经过的侧风环境相同，所以两方案中重型商用车的气动六分力系数的变化趋势总体相同;并且由于方案二侧风速度大于方案一，因此重型商用车在通过侧风时，方案二各气动系数都高于方案一，而且使得侧向力系数和横摆力矩系数峰值显著较方案一大，在完全进入隧道时车辆不受侧风影响，使得受到的侧向力基本相同，这在图9(a)(b)中可以体现;重型商用车进入隧道前后，由图9(b)(c)可知，侧倾力矩系数、横摆力矩系数方向发生了变化，图9(a)(b)中，侧向力系数和侧倾力矩系数有类似的趋势，在车辆驶入时显著减少，驶出时突然增大，恶化了重型商用车在进出隧道口时的行驶稳定性。
（a） 两方案侧向力系数Cs值变化图
（b） 两方案侧倾力矩系数Crm值变化图
（c）两方案横摆力矩系数Cym值变化图
图9 重型商用车气动力系数变化图
当重型商用车进入隧道时，车身前部处于隧道无风侧，车身后部处于侧风中，随着侧风带作用于车身的侧向力减少，迎风侧高压区后移，隧道无风侧前移，使整车侧向压力失衡，横摆力矩增加。表2和表3列出了两种方案重型商用车通过第一段隧道入口和出口过程中横摆力矩的变化量，用来分析其行驶姿态的变化。表2可以看出，方案一中，当t=1.3s时重型商用车车身只有一部分进入隧道仍有一部分在侧风环境中，导致整车车身的横摆力矩急剧增大;当t=1.7s时整车已完全进入隧道，不再受侧风影响，其横摆力矩又迅速减小，仅在0.4s时间内其变化率(单位时间内的力矩变化)就达到了34.8 kN∙m/s，t=2.2~2.8s，重型商用车已经完全从隧道驶出，侧风在经过从无到有的过程中，可以得到其变化率为-18.1 kN∙m/s;从表3同样可以看出，方案二有相同的变化，但由于方案二中侧风速度比方案一的大一个风级，所以横摆力矩变化率比方案一大了很多，比如t=1.3~1.7s仅0.4s内变化率达到了45.9 kN∙m/s，增幅达31.9%，横摆力矩对侧风速度比较敏感，会导致偏航角的不断增加使车辆跑偏，这对于迎风面积较大的重型商用车来说，显著恶化了车辆的行驶稳定性和安全性。
表2 方案一横摆力矩变化量
表3方案二横摆力矩变化量
方案二流场分析
本文为了能够清楚直观地观察到重型商用车在通过方案二中的连续隧道时的气动特性及其变化规律，如图10所示，选取Z=1.5m截面处整车通过连续隧道时的速度云图。
(a) t=1s
(b) t=1.3s
(c) t=1.7s
(d) t=2.2s
(e) t=2.5s
（f）t=2.8s
(g) t=3.2s
(h) t=3.7s
(i) t=4s
(j) t=4.3s
图10 方案二：Z=1.5m截面速度云图
在图10(a)时刻，重型商用车车头在t=1s靠近第一段隧道入口时，车身仍完全处于侧风环境中，车身周围风速较大。车辆行驶至图10(b)t=1.3s时，车身前半部分已进入第一段隧道低速区域，而后半部仍处在侧风带高速流场中，此时，只有横摆力矩系数会急剧增大而其他气动力系数都开始减小，直到图10(c)、(d)，t=1.7~2.2s时，重型商用车整车已完全处于隧道低速流场中，气动力系数值都趋于平稳且数值较低。重型商用车在驶离第一段隧道过程中，在图10(e)，t=2.5s时刻，整车车身已驶离隧道的前半部分处于侧风带高速流场中，而后半部分仍在第一段隧道的低速流场中，这样就导致了车身前后压差方向与图10(b)，t=1.3s时刻相反，从而使俯仰力矩及横摆力矩改变方向，这也解释了图9气动力系数正负分布。图10(f)，t=2.8s时刻，重型商用车已完全驶离隧道并处于侧风带高速流场中，各气动系数重新回到图10(a)的初始状态。在图10(g)，t=3.2s时刻，重型商用车车头部分进入第二条隧道，其气动特性变化规律跟通过第一条隧道类似，在图10(h)，t=3.7s时刻，重型商用车已完全进入第二条隧道并处于无侧风流场中，与通过第一条隧道t=1.7~2.2s类似，在图10(i)、(j)，t=4~4.3s时，车辆从第二条隧道中驶出，流场变化与通过第一条隧道类似。
(a) t=1.3s
(b) t=1.9s
(c) t=2.8s
(d) t=3.2s
(e) t=3.7s
(f) t=4.0s
(g) t=4.3s
图11 纵向中部截面速度矢量图
由图11可知，重型商用车在进入第一段隧道过程中，t=1.3s时，车头已进入隧道，而货箱还在侧风环境中，从而导致货箱迎风侧上边缘气流分离，下部经车底加速流向背风侧，在货箱背风侧形成高速涡漩，使车辆受到较大的侧向力；t=1.9s时，重型商用车已全部进入隧道，由于车辆运动影响，隧道内车辆周围气流发生变向，从背风侧流向迎风侧，同时车辆周围气流流速下降，这也说明了车辆在进入隧道过程中，图9中车辆所受侧向力系数、侧倾力矩系数和横摆力矩系数发生变号现象，且在完全进入隧道时达到最小（绝对值）；t=2.8s时，重型商用车已完全驶离第一段隧道，可以看到车厢背风侧的下部由车底流过的气流流速显著增大，背风侧气流高速区扩大；t=3.2s时，车辆大部分已驶入第二段隧道，迎风侧气流已减弱，但仍有气流经货箱上部和车底流向背风侧，并形成涡漩，此时横摆力矩系数达到峰值；t=3.7s时，车辆已完全进入第二段隧道，周围气流流速与分布与通过第一段隧道时类似；t=4.0s时，重型商用车头部和部分货箱已驶出隧道，中部截面仍在隧道中，货箱迎风侧已有少部分气流流过；t=4.3s时，车辆已完全驶出隧道，车辆周围流场分布与进入第一段隧道前类似。
结论与展望
本文通过对重型商用车通过有侧风带的高速路隧道进行了CFD仿真分析，得出以下结论：
(1) 较高的侧风速度对重型商用车的气动特性影响较明显，随侧风速度增加，气动系数极值（绝对值）增大，侧风风速增大一个风级使重型商用车的横摆力矩变化率增幅高达31.9%。
(2) 重型商用车在通过隧道出入口时其行驶稳定性相对较差，尤其在重型商用车通过连续隧道过程中，其气动特性发生连续且大幅度波动，这将极大恶化重型商用车的行驶稳定性和安全性，极易引发事故。
(3) 驾驶员驾驶重型商用车通过高速路连续两个以上隧道时要十分警惕，小心驾驶。通过连续隧道时侧风对气动特性的连续影响以及不断增大的偏航角可能会造成车辆的失控及侧翻事故。
本文的CFD研究只对重型商用车在某一瞬态侧风带工况下，通过高速路隧道时的气动特性进行了分析，研究方案只包括一段隧道和连续两段隧道。由于重型商用车在通过实际高速路隧道时侧风环境的复杂性，未来还可以研究增加或减小相邻两隧道间距离对车辆气动特性的影响，隧道长度变化影响、车速变化影响、风速变化影响等，得出更加详细而完善的重型商用车侧风下流场变化规律。
英文版已在SAE发表，Aerodynamic Characteristics Simulation of Heavy Commercial Vehicles Passing through Expressway Tunnel in Cross Wind 2019-01-0666期
如有意相关技术合作，请联系张英朝教授，发邮件至：yingchao@jlu.edu.cn！
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