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汽车外形对智能车辆队列行驶气动特性的影响

第38卷第1期吉林大学学报(工学版)V01.38No.12008年1月JournalofJilinUniversity(Enginee“ngandTechn0109yEdition)Jan.2008

汽车外形对智能车辆队列行驶气动特性的影响

贺宝琴,吴允柱,傅立敏

(吉林大学汽车工程学院,长春130022)

摘要:为了研究智能交通系统中不同外形车辆在队列行驶时的空气动力特性,以及车辆纵向

间距对队列行驶车辆气动特性的影响,采用数值模拟方法对阶背式、快背式和直背式轿车5车

队列分别在6种纵向间距下的气动特性了进行研究。结果表明:三种车型队列的平均减阻率大约为10%~40%,节省燃油5%~20%。阶背式轿车队列的平均减阻率最大,直背式次之,

快背式最小。随着纵向间距的减小,每辆车的升力都增大,稳定性都变差。

关键词:车辆工程;汽车空气动力学;数值模拟;队列行驶;汽车外形

中图分类号:U461.1文献标识码:A文章编号:1671—5497(2008)o卜0007一05

Influenceofvehicleshapeontheaerodynamiccharacteristicsof

intell碴entVehiclepIatoon

HeBao—qin,WuYun—zhu,FuLi—min

(CoZZPg已o,Az‘zo仇ofiwE咒gi咒e已ri咒g,JiZi咒U规i口Brsify,(冼n咒gc^“咒130022,C^i,zn)

Abstract:Tostudytheaerodynamiccharacteristicsoftheplatoonofvehiclewithdifferentshapesintheintelligenttransportsystemandtheinfluence

ofthe10ngitudinalspacingbetweentheVehiclesontheaerodvnamiccharacteristicsofthevehicleplatoon,thenumericalsimulationmethodwasadoptedtoresearchtheaerodynamiccharacteristicsofthe5一carplatoonwiththenotchback,fastbackandsquarebackcarsin6longitudinalspacingstoprovidea

theoreticalfoundationforintelligentcontrolofthevehicleshapeandspacingintheplatoon.TheresearchresultsindicatthattheaVerageratioesofthedragreductionfortheplatoonscomposed。fallthreekindsofVehicleshape、Vereintherangeof10%,、—40%,indicatingthattheplatoondrivingcansavethefuelconsumptionobViouslyanddecreasetheexhaustemissions.Thedragreductionofthenotchbackcarplatoonisthemost,thatofthesauarebackisthenext,andthefastbackistheleast.

Withthedecreaseofthe10ngitudinalspacing,theliftofvehiclesincreases,andtheirstabilityworsens.

Keywords:vehicleengineering;automotiveaerodynamics;

numericalsimulation;platoondriVing;vehicleshaDe

我国将在“十一五”期间构建现代化智能交通系统(ITs),而在智能交通系统中采用队列行驶模式可以大大提高运输效率,减少燃料消耗和废气排放并保障交通安全。车辆队列行驶时,由于

收稿日期:2006一09—29.

基金项目:国家自然科学基金项目(60222207);吉林大学“985工程”项目.

作者简介:贺宝琴(1981一),女,博士研究生.研究方向:汽车空气动力学.E-mail:hebq@jlu.edu.cn

通讯联系人:傅立敏(1942一),女,教授,博士生导师.研究方向:汽车空气动力学,车身设计.E—mail:iaa@jlu.edu.cn 万方数据

?8?吉林大学学报(工学版)第38卷

车问距离缩短,后车进入了前车的尾流区,两辆车的流场发生相互干扰,使阻力和升力等气动特性参数发生变化,导致其燃料消耗特性和行驶特性的变化。国外采用风洞试验‘1’23和道路试验‘33研究了车间距离和队列尺寸对队列行驶车辆气动特性的影响;作者采用数值模拟方法研究了汽车外形对队列行驶气动特性的影响,揭示了不同外形的智能车辆队列行驶时的气动特性,为智能控制不同车型提供有效的理论依据。

1数值模拟

1.1基本控制方程

汽车外流场满足以下方程[4]。

连续性方程

堕一o

az£

动量方程

去c喇,,一器+丢卜[嘉+器])能量方程

a(艘T)la(∥T)la(掣T)一

—赢一’—历『一夏一

差睦誉]+号[寺舅]+鲁[毒誓]+5丁azc芦az1劫If声ay.f‘azlcpa2j4。‘

式中:让为流速;户为压力;口硪为湍流有效黏性系数;T为温度;愚为流体的传热系数;邙为比热容,ST为黏性耗散项。

1.2模型的建立

分别采用SAE推荐的三个标准汽车模型‘53作为研究对象(如图1所示)。它们的头部、正投影面积等都相等,仅尾部不同。

计算方案分为三种:方案A(阶背式)、方案B(快背式)、方案C(直背式)。

方案A首先研究了单辆阶背式轿车的气动特性,并将其模拟结果与风洞试验结果进行对比,以验证模拟的准确性。然后研究了5辆阶背式轿车组成的队列分别在6种(O.Z5L,O.5L,o.75L,

图1三个SAE模型

Fig.1ThreeSAEmodels

L,1.5L,2£,L为一倍车长)纵向间距下等距行驶时的气动特性。方案B、C与方案A一样,分别研究了快背式和直背式轿车的单车气动特性和5车队列的气动特性。利用CAD软件分别建立21种情况下的几何模型。采用的长方体计算域如下:,入口至第一辆车前部为2倍车长,出口至最后一辆车尾部为6倍车长,侧面到车的两侧均为3倍车宽,顶部至车顶为4倍车高。

1.3网格划分

先进行网格戈Ⅱ分,再采用数值模拟方法求解得到的离散方程组。单车周围流场的网格划分采用“四面体+三棱柱+六面体”的混合网格方法,如图z所示。考虑到求解对象为多辆汽车组成的队列车,所以将单辆车的网格向前后作周期性变化,生成周期性网格[6],如图3所示。混合网格技术和周期性网格的应用大大减少了网格划分时间,同时又能保证每辆车周围网格的一致性和质量,便于进行高效率的求解。

图2单车的网格划分

Fig.2GridgenerationofsingIecar

图3队列行驶车辆的网格划分

Fig.3Gridgenerationofplat彻nvehicles

1.4计算边界条件的设置

计算区域的入口速度可一25m/s;出口压力

汽车外形对智能车辆队列行驶气动特性的影响

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为标准大气压;地面采用移动壁面,壁面移动速度

 万方数据

第1期贺宝琴,等:汽车外形对智能车辆队列行驶气动特性的影响‘9。

为秽一25m/s,以模拟地面效应;顶面和侧面采用静止壁面边界条件。

1.5湍流模型及差分格式

选用RNG肛e湍流模型,它使用壁面函数与高雷诺数组成的方程组,能够更精确地模拟车身表面的边界层。对流项的离散格式选用二阶迎风格式,流场计算方法选用了求解力强、计算耗时少的SIMPLE算法。

2计算结果

2.1模拟值与试验值的比较

先对单辆阶背式轿车的外流场进行数值模拟。阻力系数、升力系数、横摆力矩系数的模拟值分别为o.2774、o.1625、一o。0518;实验值分别为o.269、0.156、一O.055L7J。可以看出,计算模拟出的阻力系数、升力系数和横摆力矩系数都与试验值基本吻合,相对误差都在8%以内,验证了该模拟方法的精度。

2.2汽车外形对队列行驶车辆气动特性的影响为了更好地描述队列行驶的节油特性,将队列的平均减阻率DR定义如下

由图4可以看出:在0~2L的间距内,3种车型队列的平均减阻率大约为10%~40%。根据轿车气动阻力与燃油经济性的关系[8],阻力系数降低10%~40%,在混合循环工况下可节省燃油5%~20%。可见队列行驶可以明显降低油耗,减少废气排放。很显然,阶背式轿车队列的平均减阻率最大,直背式次之,快背式最小。下面分别对这3种车型的队列行驶气动特性进行分析。

为了便于比较,将队列中每辆车的阻力系数进行标准化,即用每辆车的实际阻力系数CD除以相应单车的阻力系数C脑,这里仍然简称阻力系数。图5~图7分别给出了阶背式、快背式和

DR一(‰一%。一)/‰一卜』y(%/‰)№5

fL一

式中:Cm,。。。表示队列的平均阻力系数;C酗表示

相应单车的阻力系数;i表示队列中的第i辆车;咒

表示队列中车辆的数目。

图4给出了阶背式、快背式和直背式轿车5

车队列的平均减阻率DR与车辆之间纵向间距的

关系。纵向间距z指的是从前一辆车的后缘到

后一辆车的前缘之间的距离。图中横坐标表示车

辆纵向间距z与车长L之间的比值,纵坐标表示

队列的平均减阻率D。。…

图4三种车型5车队列的减阻率比较

Fig.4Comparisonofdragreductionratioofthree

VehicIe-shape5一vehicleplat∞ns

图5阶背式轿车5车队列的阻力系数

Drag

coemcientofnotchbackcar5一Vehicleplat∞n

图6快背式轿车5车队列的阻力系数

DragcoefficientOffastbackcar5。Vehicleplatoon

图7直背式轿车5车队列的阻力系数

Fig.7Dragcoefficient0fsquarebackcar

5_vehicle

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plat00n 万方数据

?10?吉林大学学报(工学版)第38卷

直背式轿车5车队列中每辆车的阻力系数随纵向

间距变化的情况。

由图5~图7可以看出,这3种不同车型队

列中每辆车的阻力系数与其在队列中的位置密切

相关。在纵向间距为o~2L时,队列中第一辆车

和中间车辆的阻力系数都随间距的减小而下降,

第一辆车阻力系数下降最多,而队列中最后一辆

车的阻力系数随着间距的减小而增大。由计算结

果可以得出:在这3种不同车型的队列中,内部车辆在o~2L纵向间距下的阻力系数平均值都是最低的。阶背式轿车队列和直背式轿车队列中内部车辆的平均阻力系数能降低30%左右,快背式轿车队列中内部车辆的平均阻力系数能降低20%左右,相应地能比单车行驶节省燃油15%~10%左右。这与前人对小型货车队列进行的风洞试验结果一致[1]。

图8~图10分别给出了阶背式、快背式和直背式轿车5车队列的实际升力系数C。随车辆纵向间距变化的情况。

图8阶背式轿车5车队列的升力系数

Fig.8Liftcoefficientofnotchb觚kcar5一vehicleplat∞n

图9快背式轿车5车队列的升力系数

Fig.9Liftcoefficientoff嬲tbackc盯5_vehicleplat∞n由图8~图10可见,随着纵向间距的减小,这3种不同车型队列中,每辆车的升力系数都增大,稳定性都变差,尤其是在o~L间距内,随着间距的减小,升力系数急剧增大,车辆的附着性能

图10直背式轿车5车队列的升力系数

Fig.10Lift

cOeffid饥tofsquarebackcar

5_vehicleplat∞n

迅速下降,此时必须谨慎驾驶,以保证操纵稳定性。而队列中第一辆车的升力始终为最低值,可见其稳定性最好。另外,快背式轿车队列的升力系数始终为正值,而直背式轿车队列的升力系数基本为负值,可见直背式轿车队列的稳定性最好,阶背式队列次之,而快背式队列稳定性最差。

由以上分析可以发现,由于汽车形状不同,队列行驶的气动特性有很大差异。原因在于这3种车型的尾部结构不同。下面从这3种车型队列行驶时的压力分布和尾流结构图来进行解释。

以阶背式轿车为例,比较其单车的尾流结构(如图11所示)与队列中任意一辆车的尾流结构(如图12所示)来揭示队列行驶减阻的机理。因为汽车的尾涡是产生压差阻力的主要原因。由图11可以看出,阶背式轿车单车的尾流中包含两个上下反转涡对,下涡逆时针旋转,上涡顺时针旋转。由图12可以看出,阶背式轿车队列中车辆的两个尾涡合为一体,而且尾涡中央断面积大大减小,由于尾涡中央断面积的大小与气动阻力系数大小密切相关[8],故队列中车辆的气动阻力系数大大降低。

图11阶背式轿车单车的尾流结构

Fig.11

Wakestructureofnotchback

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car 万方数据

第1期贺宝琴,等:汽车外形对智能车辆队列行驶气动特性的影响。11?

图12阶背式轿车队列的尾流结构

Fig.12

Wal【estructureof帅tchbackcarplat00n

比较图12、13和14可以看出,这3种车型的

尾流结构各不相同。由图13可以看出,快背式车

来自顶盖前端的气流与侧面气流混合,流向车身

尾部,这股气流在后柱附近开始分离,形成了上下

两个反转涡对,上涡的强度大,下涡的强度小。由

图14可以看出,直背式车的尾流结构特点是其气

流分离严重,尾流中有上下两个反转涡对,而且两

个尾涡强度都较大,所以其实际阻力系数高于其

他两种车型。

由以上分析可知,当车辆之间纵向间距较小

图13快背式轿车队列的尾流结构

Fig.13Wakestructureoff嬲tbackcarplat∞n

图14直背式轿车队列的尾流结构

Fig.14Wal【estructureofsquarebackcarplat咖

时,汽车外形在车辆减阻方面扮演着重要的角色。

所以在智能控制不同外形的车队时,需要采用不

同的控制策略,优化车间距离,以获得最小的燃油

消耗和行驶安全性。

3结论

(1)智能交通系统中,在O~2L的间距内,三

种车型队列的平均减阻率大约为10%~40%,可

节省燃油5%~20%,可见队列行驶可以明显降

低油耗,减少废气排放。

(2)阶背式轿车队列的平均减阻率最大,直背

式次之,快背式最小。在纵向间距为o~2L时,

队列中前四辆车的阻力系数都随间距的减小而下

降,第一辆车阻力系数下降最多,而最后一辆车的

阻力系数随着间距的减小而增大。

(3)随着纵向间距的减小,队列中每辆车的升

力都增大,稳定性都变差。

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社,1998. 万方数据

汽车外形对智能车辆队列行驶气动特性的影响

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作者:贺宝琴, 吴允柱, 傅立敏, He Bao-qin, Wu Yun-zhu, Fu Li-min

作者单位:吉林大学,汽车工程学院,长春,130022

刊名:

汽车外形对智能车辆队列行驶气动特性的影响

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吉林大学学报(工学版)

英文刊名:JOURNAL OF JILIN UNIVERSITY(ENGINEERING AND TECHNOLOGY EDITION)

年,卷(期):2008,38(1)

引用次数:0次

参考文献(8条)

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