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原文传递特定运动状态下车辆瞬态空气动力学特性的研究

论文题名：	特定运动状态下车辆瞬态空气动力学特性的研究
关键词：	运动状态;车辆;瞬态数值模拟;超车过程;气动特性;隧道;厢式货车;气动阻力系数;气动力系数;汽车;外流场;研究方法;行驶;稳态计算;网格重组;数值计算方法;风洞试验;特性变化;瞬态计算;相互干扰
摘要：	随着汽车保有量的飞速增长及公路隧道等交通设施的大量建设,车流密度增大,汽车在路面上的行驶环境越来越复杂,各类汽车超车、会车、穿越隧道等复杂行车情况也频繁出现。在这些复杂行车情况中,车辆流场之间的相互干扰以及隧道等道路设施对汽车外流场的干扰会形成瞬时的气动力脉动作用在汽车上,使汽车的气动特性发生改变,从而影响汽车的操纵稳定性和行驶安全性,甚至造成交通事故。因此,本文依托国家自然科学基金项目“城市交通流特性与车流的节能降耗研究”,对超车过程及厢式货车进入隧道过程两种特定运动状态下汽车的瞬态气动特性开展研究,研究结果可以为智能交通系统、汽车安全技术和汽车自动驾驶技术提供理论依据,具有十分重要的现实意义。　　本文采用风洞试验与数值计算相结合的方法,对超车过程以及汽车进入隧道过程两种情况下的瞬态气动特性进行研究,对所涉及的流动现象、力学结果之间的因果关系进行分析并得出结论。具体如下: 　　对单辆厢式货车模型进行了风洞试验,获得了厢式货车气动阻力系数Cx与雷诺数Re的关系；采用稳态的时间片段法对两辆相同的厢式货车间的超车过程进行了试验研究,获得了超车过程中被超车的气动阻力系数和气动侧向力系数的变化规律。采用有限体积法和RNGk-ε双方程湍流模型对两货车间的超车过程进行了稳态数值研究,并对超车过程的流场变化进行了分析。　　以滑移交界面技术和基于动态分层法的动网格技术为基础,实现了复杂道路行驶状态下车辆气动特性的瞬态数值模拟。在超车过程的瞬态数值模拟中,车辆均以实际速度贴地面行驶,地面和空气静止,与无风路面的实际情况相符。瞬态计算采用一种适合汽车等贴地运动物体的网格重组方法,即:随着车辆的运动,车身周围复杂外形流场区域内的非结构网格作刚性平移,将车辆运动引起的计算区域的变形转移到结构网格区,采用动态分层法实现结构网格区的网格重组；将地面处理为变形面,采取与空间网格相同的网格重组方法,解决了轮胎与地面接触面附近网格重组后难以保证网格质量的问题。　　对风洞试验、稳态数值模拟和瞬态数值模拟方法在汽车空气动力学中的应用进行了比较和研究。分别采用三种方法对单辆货车无风条件下匀速行驶的气动特性进行了研究,结果表明三者气动阻力系数吻合很好,验证了本文采用的瞬态数值计算方法的正确性。同时也表明:对于单辆汽车匀速行驶这类流场不随着时间发生连续的、非稳态变化的物理现象,采用风洞试验、稳态计算和瞬态计算三种研究方法都可获得正确的结果。分别采用三种研究方法对两辆相同货车超车过程的瞬态气动特性进行了研究,得到的结果差别较大:基于稳态研究方法的风洞试验和稳态计算结果吻合较好,而瞬态计算得到的气动力系数变化幅度更大；稳态计算结果表明主超车和被超车气动特性受超车过程的影响几乎相同,而瞬态计算结果表明被超车受到超车过程的影响比主超车大。进一步的流场分析发现,是稳态和瞬态研究方法本身的差别造成了这种差异。稳态研究方法中各时刻的流场仅取决于两车的相对位置,无法体现出两车相对速度的影响,也不能继承前一时刻的流场特性,而瞬态研究方法则弥补了该缺陷。因此对于超车等流场随时间发生连续变化的瞬态过程,采用瞬态数值计算方法进行研究可以获得更准确的结论。鉴于瞬态数值计算方法的优势,本文主要采用该方法进行超车过程和货车进入隧道过程瞬态气动特性的研究。　　对无风条件下单辆货车匀速行驶的瞬态外流场基本特性进行了分析,讨论了车身表面的压力分布及其成因。货车向前行驶时,车头的迎风面正面冲击空气形成大面积正压区,而侧面及顶面的前缘表现为负压。货车前行时车后产生负压,带动大量气流随着货车一起高速向前运动,形成较长的尾流区。车身侧面来流在尾流区形成一对上卷漩涡,随着远离货车而不断发展并逐渐脱落。　　对于两货车超车过程进行了瞬态数值计算,总结出超车过程中两货车瞬态气动特性的变化规律,并且通过对车辆外流场的分析,揭示了货车气动特性变化的机理。在超车过程中,主、被超车的气动特性发生明显的规律性变化,被超车受到的影响更大,造成这一现象的主要因为是各时刻两车外流场的相互干扰。主超车前方的正压区、主超车与被超车侧面间隙处的负压区和主超车尾涡中的负压区自后向前依次掠过被超车,是被超车瞬态气动力发生很大变化的主要根源。其中,主超车前方的正压区对被超车的影响最大。　　采用瞬态数值模拟方法分析研究了车辆速度、车型以及路况条件对超车过程的影响。车速的变化对被超车气动特性影响大,对主超车影响小。当主超车或被超车速度保持不变时,两车之间的相对速度越大,对被超车的瞬态气动力影响越大,而对主超车的瞬态气动特性影响越小。当两车相对速度不变时,绝对车速较低的超车过程中主超车气动力系数变化较小,被超车气动力系数变化较大。车型的改变会严重影响被超车的瞬态气动特性,但对主超车的气动特性影响不大。主超车车型越大,被超车车型越小,则超车过程中被超车的瞬态气动特性变化越大。隧道内的超车过程中车辆气动特性的变化趋势与开阔路面相同,但是气动力系数的变化幅度更大。　　研究了单辆货车进入隧道过程中气动特性的变化,总结了车辆速度、堵塞比对该过程中气动特性变化的影响规律。单辆货车驶入隧道时在隧道入口附近气动阻力系数迅速增大,进入隧道后逐渐减小并趋于稳定,进入隧道后气动升力增大,并受到指向距隧道壁近的一侧的侧向力。货车的速度对进入隧道过程的瞬态气动力系数影响很小。堵塞比增大时,车辆的各个气动分力的变化幅度都增大。　　探讨了两辆货车并列及尾随驶入隧道时外流场的相互干扰及气动力的变化。两货车并列行驶时气动阻力系数增大,并且产生了使两车相互吸引的侧向力。并列进入隧道时两货车气动力变化剧烈,隧道入口附近气动阻力系数急剧增大,气动侧向力也剧烈变化并两次改变方向。当尾随行驶时两货车的气动阻力系数均减小,后车减小幅度更大。当两车尾随进入隧道时,前车的气动特性与单车进入隧道时的气动特性变化相似,后车气动力系数在进入隧道过程中无明显规律性变化,但振荡幅度均较大。　　从空气动力学角度探讨了多车穿越隧道时合理的行车方法。若多车同时驶入隧道,从安全行车的角度来说,应尽量避免两车并列行驶,宜选用尾随进入隧道,并且保持足够的纵向车距。
作者：	李莉
专业：	热能工程
导师：	杜广生
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文