不同道路形式下重型商用车瞬态气动特性的数值模拟

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改革开放以来,重型商用车作为城际间运输的主要交通工具,其市场发展快速,保有量与日俱增。据统计,2011年底重型商用车保有量已占汽车总保有量的13.9%。与此同时,汽车行驶过程中的安全性、稳定性以及舒适性日益受到人们的关注。重型商用车行驶距离长,行驶环境较为恶劣,这便对其安全性和行驶稳定性提出了更高的要求。汽车的空气动力学性能作为重要的整车性能之一,与行驶安全性和稳定性有着密切的联系。车辆在行驶过程中,其周围空气流动状态为湍流,气流速度和方向随时间改变而改变,具有瞬态特性。如果这种瞬态特性过于剧烈,行驶于其中的车辆会受其影响而丧失部分行驶和操纵稳定性,导致行驶安全问题。而且自然风条件下往往存在侧风,当车身遭遇由侧风产生的阵风边界时,这种影响会由其明显,严重时甚至导致侧滑或侧翻等安全事故。而重型商用车常年行驶于不同形式的道路,如城市道路、山区公路等,其复杂的道路条件极容易产生自然或人工阵风。为避免由此引起的安全问题,要求重型商用车拥有良好的侧风空气动力学特性。因此,研究侧风条件下重型商用车行驶于不同形式道路时的瞬态气动特性的就显得非常有意义。本文基于前人针对车辆瞬态气动特性以及障碍物如桥梁等对其影响的研究,采用通用流体计算软件FLUENT进行侧风条件下重型商用车行驶于不同形式道路的数值模拟。重点关注城市道路的建筑物、平原公路的路基和山区公路的山体共三种不同的道路条件对重型商用车瞬态气动特性的影响。其中城市道路方案分为重型商用车经过位于其背风侧的单个建筑物、经过位于其迎风侧的单个建筑物和连续经过位于其迎风侧的两个建筑物共三种情况;平原公路方案分为重型商用车行驶于靠近风源一侧的车道和重型商用车行驶于远离风源一侧的车道两种情况;山区公路方案中山体位于重型商用车的迎风侧,并且在仿真中将山体简化为类山体模型。研究瞬态气动特性需要模拟重型商用车的直线行驶。为此,本文依托FLUENT软件的动网格模块提出两种网格节点位移方案:全局网格节点位移以及局部节点位移,并通过建立重型商用车行驶于开阔路段(平地)时的仿真方案验证了后者的可行性和可靠性。在此基础上,建立并求解三种道路形式的瞬态气动特性数值模拟方案。之后与开阔路段仿真结果进行分析,对比阻力系数、侧向力系数、横摆力矩系数的变化,车身周围流场特性以及车身表面压力系数分布。为符合实际情况,所有方案中网格节点位移速度即重型商用车行驶速度定为15m/s,侧风速度为10m/s。结果显示,建筑物以及类山体模型对重型商用车瞬态气动特性的影响规律类似,并且都较为明显。行驶过程中侧向力系数与横摆力矩系数在1s内变化值达到5.0之多,相应的侧向力和横摆力矩变化值约为12kN和30kN m,变化率峰值可达-12kN s-1和35kN m s-1,并且方向在行驶过程中发生改变。平原公路方案中流场较为稳定,但受到路基影响侧向力系数和横摆力矩系数均稍高于开阔路段的仿真结果,两系数均高出约0.5,对行驶稳定性不利。
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