基于流固耦合的廂式中置軸掛車聯合仿真

周慶輝,邱宇航,蘇永元

(1.北京建筑大學 機電與車輛工程學院,北京 102627;2.中公高遠(北京)汽車檢測技術有限公司,北京 101103)

近年來,隨著交通運輸的發展,越來越多的重型半掛車被運用在道路運輸中。2016年發布的《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》(GB 1589—2016)[1]新增了中置軸掛車車型,相較于重型半掛車,中置軸的車軸位于掛車中間,牽引位置也不盡相同。廂式中置軸掛車多應用于物流運輸公司,它能裝載的貨物體積比較大,重心低,操穩性比較好,然而在高速行駛時容易發生掛車甩尾現象,引發安全事故,故載質量不宜太大,應保證不超載駕駛。重型車輛的安全性問題中,側風穩定性受到廣泛關注。廂式車輛在受到強風時,車身作用面積大,很容易發生橫向滑移和側翻[2]。在側風對車輛的性能研究中,側風的空氣動力學是研究的基礎。首先可以通過流體軟件進行模擬仿真,得到6個氣動分量的波動和流場的變化[3];然后再對車輛的側風穩定性進行分析,可通過多體動力學軟件仿真,得到車輛的動態響應,如通過橫擺角速度、側向加速度和側向位移等來評價車輛的橫向穩定性[4-5]。國內外的學者們在理論模型、試驗和數值模擬等方面已經對車輛側風穩定性進行了廣泛的分析。江浩等[6]在理論模型上對集裝箱半掛車的動力學模型進行求解,得到車輛不穩定的結果,根據相應的評價指標,采取限速的措施來提高側風下車輛的行駛安全性。Kee等[7]通過風洞和道路試驗對高速行駛的乘用車進行了分析,結果表明橫擺力矩是影響乘用車側風穩定性的主要原因,降低升力、側向力和橫擺力矩可以提高車輛穩定性。束奇等[8]通過Fluent軟件對油罐車的氣動特性進行了數值研究,得到不同側風強度對油罐車氣動系數影響的變化規律,為此類車型的降阻提供了參考。而單一Fluent的特點在于空氣流體的仿真較真實,然而車輛動力學模型缺少流體作用的準確結果,將Fluent和TruckSim相結合可以綜合考慮空氣動力學和車輛動力學,結果也更加準確。

因此,筆者通過Fluent進行數值模擬,對廂式中置軸掛車的氣動特性進行分析,并將數據傳輸到TruckSim,對比分析不同車廂之間的間隙對廂式中置軸掛車行駛穩定性的影響,為多車廂類運輸車的行駛安全性提供參考。

1 流體力學模型建立

計算流體動力學(CFD)解決了雷諾平均Navier-Stokes(N-S)方程與湍流模型的耦合問題,從20世紀到現在已被證明是一種非常強大且實用的計算工具[9-10]。在Fluent分析中,普遍采用k—ε湍流模型,而k—ε湍流模型又分為3種。Singh等[11]利用標準k—ε模型分析了乘用車不同工況下的氣動系數。Zhang等[12]利用重整化群(RNG)k—ε模型分析了半掛車在不同側向風下的空氣動力學特性。在建筑、車輛等風場模擬仿真中,多數學者采用的是可實現k—ε模型,因為其綜合了前兩種模型的特點,適用于強逆壓梯度的邊界層流動,并且計算精度高、計算時間短[13-15]。在車輛與側風迎合角較大時,風速越高,產生的逆壓梯度越強,故筆者采用可實現k—ε模型。該模型雷諾平均N-S方程和湍流模型的原理如下:

雷諾平均的連續性方程為

(1)

動量方程為

(2)

(3)

(4)

k方程和ε方程分別為

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:σk=1;σε=1.2;C1ε=1.44;C2ε=1.9;C3ε=0;Cμ=0.084 5。

上述控制方程在Fluent中進行參數設置并求解。

2 氣動特性計算

2.1 車輛模型

廂式中置軸掛車的空氣動力學研究內容包括阻力FD、側向力FS、升力FL、橫擺力矩MY、側傾力矩MR以及俯仰力矩MP,圖1顯示了廂式中置軸掛車的三維模型以及力和力矩的參考方向。

圖1 三維模型以及力和力矩示意圖Fig.1 3D model and schematic diagram of force and moment

2.2 網格劃分

采用四面體網格為主網格,為了提高仿真精度,車身的網格大小為計算域的10%,車身與計算域的接觸面設置為5層邊界層網格,在保證高精度的計算下,網格計算偏度最大值為0.89,平均值為0.23,網格質量評價為優秀。輪胎處剖面網格如圖2所示。

圖2 網格分布Fig.2 Grid distribution

2.3 計算域和邊界條件

考慮到車輛在行進過程中受到側向風的作用,此情形的速度矢量用圖3中向量表示。計算域的設置方法可分為2種[16]:第1種為“偏車”設置,即改變車輛的橫擺角度,入口為車速vx和風速vy的合成速度vR(圖3a),其中α為車輛橫擺角;第2種為“偏風”設置,通過車頭正對壁面和左壁面設置的來流速度又可分為兩種,一是入口速度為車速vx,側風入口為風速vy(圖3b),二是入口和側風入口都設置為合成速度vR(圖3c)。

圖3 計算域示意圖Fig.3 Schematic diagram of computational domain

方法一需要不斷改變車輛的橫擺角,在Fluent設置中就要重新設置計算域,故網格和邊界條件都要分別設置,要花費大量時間。方法二在得到的氣動系數結果中,以風洞實驗作為比較,相比方法一和方法三的曲線與實驗曲線有較大出入。方法三與方法一的結果重合程度與實驗曲線相近,然而方法三只需要改變邊界條件的設置,可減少大量工作量和節省時間[17]。因此,筆者采用方法三建立計算域,長方體計算域尺寸如圖4所示。

圖4 計算域Fig.4 Computational domain

根據SAEJ1252標準,阻塞比應小于5%,設長方體計算域的長為150 m,寬為40 m,高為20 m。車頭前面距入口面50 m,車體左面距側風入口面15 m,阻塞比為1.25%。

邊界條件設置:入口和側風入口為速度入口,出口和側風出口為壓力出口,頂層和地面設置為壁面。速度入口的參數設置見表1。

表1 速度入口設置參數

2.4 仿真結果與討論

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中:CD為空氣阻力系數;FD為空氣阻力;CS為側向力系數;FS為側向力;CL為升力系數;FL為升力;CRM為側傾力矩系數;MR為側傾力矩;CPM為俯仰力矩系數;MP為俯仰力矩;CYM為橫擺力矩系數;MY為橫擺力矩;A為迎風面積;Li為軸距(i=1,2,1代表牽引車,2代表掛車);ρ為空氣密度;VR為相對速度。

氣動力和力矩系數隨相對入流角的曲線變化如圖5所示。由圖5可知:所有氣動系數都隨相對入流角的增大而增大,圖5(b)的圖例中下標1表示牽引車,下標2表示掛車。由于牽引車和掛車力矩中心分別位于各自質心處,掛車軸距比牽引車軸距小,根據式(12～14)可知掛車力矩系數應比牽引車力矩系數大。

圖5 氣動系數擬合曲線Fig.5 Fitting curves of aerodynamic coefficient

通過對比文獻[12]和[19]進行氣動系數正確性的驗證[19],兩篇文獻中的車型雖然不一樣,但單車廂的空氣動力學作用機理相同,都是作用于車廂上,以車輛質心為原點形成相對入流角度。驗證結果如圖6所示,由圖6可知文獻[12]和[19]在相對入流角20°以內相對吻合。

圖6 氣動系數對比驗證Fig.6 Comparison and verification of aerodynamic coefficients

通過Matlab擬合工具箱,采用二階多項式方法對氣動系數數據點進行擬合,便于TruckSim空氣動力學模塊中氣動系數曲線的輸入,擬合曲線準確率的評價指標見表2,各氣動系數的R2均大于0.99,且SSE和RMSE接近0,說明擬合精度非常高。

表2 擬合優度

各氣動系數的多項式擬合公式分別為

CD=-0.000 030 87β2+0.020 21β+0.261 5

(15)

CS=0.003 764β2-0.015 84β+0.036 08

(16)

CL=0.001 466β2+0.000 452 6β-0.084 01

(17)

CRM1=-0.002 903β2+0.012 16β-0.056 07

(18)

CPM1=0.000 414 7β2+0.005 959β-0.032 84

(19)

CYM1=-0.000 570 8β2+0.002 963β-0.009 271

(20)

CRM2=-0.003 168β2+0.013 27β-0.058 62

(21)

CPM2=0.000 910 2β2+0.006 035β-0.062 23

(22)

CYM2=-0.001 104β2+0.005 207β-0.014 38

(23)

以二、四、六、八級風為例,觀察車身周圍速度流場的變化,結果如圖7所示。隨著風速增加,車身周圍的氣流形成渦流,并不斷向車身右側移動,當風速逐漸接近車速時,相對入流角逐漸接近45°,相對入流角越大,導致車身受到的側向力和側傾力矩越大,故側向力系數和側傾力矩系數在相對入流角25°之后增長率加快,這也是大風導致車輛側翻的原因。

圖7 速度流場Fig.7 Velocity flow field

4種風速下車身左右兩側的壓力云圖如圖8所示。由圖8可知:駐點始終在迎風側,隨風速增大,駐點從車頭前方向車身左側移動,車身左側高壓區逐漸向后延伸。而車身右側為低壓區,氣流經過車身分流,風速越大,分流區域越大,導致車身兩側壓力差越來越大,最終向右側側翻。側向力的分布不均會產生側傾力矩和橫擺力矩,而車身底部只有輪胎接地,氣流沖向地面后向上反彈會產生升力和俯仰力矩,故風速增加,所有氣動系數單調增加。

圖8 壓力云圖Fig.8 Pressure cloud map

3 車輛氣動性能優化的影響參數

目前,卡車車頭上方導流罩及其他導流裝置是降低車阻的主流趨勢,合理地安裝導流罩會降低氣動系數,廂式中置軸掛車有無導流罩的側向力系數和側傾力矩系數對比如圖9所示。

圖9 側向力系數和側傾力矩系數對比Fig.9 Comparison of lateral force coefficient and roll moment coefficient

從氣動系數曲線減小的幅度可以看出:牽引車側傾力矩系數減小了5%,掛車側傾力矩系數減小了2.9%,導流罩對牽引車的影響比掛車的影響要更加明顯。在半掛車的氣動性能優化中,半掛車廂與車頭的間距也是影響氣動系數的因素之一。當此間距的數值達到合理范圍時可以有效降低氣動系數[20],否則不但效果不佳,而且增加了車長。其實車身的各個參數都對車輛的氣動特性有一定影響,在考慮車身的最優流線型的同時還要保證車輛外觀的不同,綜合考慮對車輛氣動性能有影響的參數,比如導流罩的傾斜角度、車廂高度以及間隙,通過正交試驗得到較好的綜合性能[21]。

筆者研究的廂式中置軸掛車在車頭加裝導流罩的基礎上,假設后部掛車幾乎與牽引車車廂同一高度,故只考慮掛車與牽引車車廂之間的間隙對車輛氣動性能的影響。根據《中置軸掛車通用技術條件》(GB/T 37245—2018)規定[22],牽引車和掛車車廂之間的最小間隙參考為0.64,0.70,0.75 m。在滿足車身長度不超過20 m的要求下,不影響中置軸掛車的回轉半徑,分別設置間隙為0.64,0.70,0.75 m,對掛車氣動系數進行對比,結果如圖10所示。由圖10可知:間隙對掛車的氣動性能也有影響,只要找到合理間隙,就能使掛車具備較好的氣動特性,從而使車輛具備更好的操穩性。

圖10 不同間隙氣動系數對比Fig.10 Comparison of aerodynamic coefficients of different clearances

將氣動系數曲線分別輸入到TruckSim的牽引車和掛車空氣動力學模塊中,Fluent和TruckSim單向耦合關系如圖11所示。廂式中置軸掛車參數設置見表3。以80 km/h(22.2 m/s)的速度直線行駛工況為例,添加駕駛員控制使車輛沿直線行駛,在五級風速30 km/h(8.3 m/s)作用下,掛車的橫擺角速度和側向加速度動態響應如圖12所示。

表3 廂式中置軸掛車建模參數

圖11 單向耦合流程圖Fig.11 Flow chart of one-way coupling

圖12 車速80 km/h下掛車的動態響應Fig.12 Dynamic response of the trailer at a speed of 80 km/h

當廂式中置軸掛車以80 km/h高速行駛時,氣動系數越小,即間隙越大,車輛的側向加速度和橫擺角速度越大,說明高速行駛時間隙越大,車輛行駛穩定性越差。而在40 km/h低速行駛時,氣動系數對車輛的行駛穩定性才有明顯效果,氣動系數越小,車輛的動態響應參數越理想,結果如圖13所示。其原因在于車速與風速之間形成的相對入流角度,高速時車廂之間的間隙類似于狹管效應,車速越大,相對入流角越小,大部分側向風都作用于車廂一側或分流出去,分流到間隙中的風很少。而低速時相對入流角較大,合成速度較低,在間隙增大后,部分風直接通過間隙而不作用于車廂上。

圖13 車速40 km/h下掛車的動態響應Fig.13 Dynamic response of the trailer at a speed of 40 km/h

掛車與牽引車車廂之間的間隙和車速具有反向作用關系,即車速越快,間隙越小越穩定;車速越慢,間隙越大越穩定,然而不是絕對關系,合理間隙需要通過大量實驗驗證。因此,提出一種牽引桿自適應控制調節長度裝置,由車速和風速作為控制觸發條件,調節牽引桿長度到合理間隙長度,達到掛車穩定行駛的目的。

4 結 論

基于流固耦合聯合仿真的方法,利用Fluent研究空氣動力學對車輛側向風運動的影響,采用多體動力學TruckSim模型進行車輛行駛穩定性驗證。為了得到TruckSim模型中空氣動力學模塊的準確輸入,分析了廂式中置軸掛車的牽引車和掛車氣動系數隨相對入流角增大的變化曲線,采用多項式擬合方法得出氣動系數曲線的數學表達式,將該氣動系數函數輸入到TruckSim后,得到橫擺角速度和側向加速度動態響應,從而評價廂式中置軸掛車的行駛穩定性。掛車和牽引車之間的間隙對車輛氣動特性具有一定的影響。為了提高車輛行駛穩定性,車速在80 km/h及以上時,可減少間隙;車速在40 km/h及以下時,可增加間隙。因此,提出一種可伸縮牽引桿裝置,通過自適應控制調節長度,從而改變間隙大小。然而合理的間隙需要通過大量實驗驗證,下一步可圍繞可伸縮牽引桿作進一步優化分析,在滿足規范要求的道路車輛外廓長度尺寸條件下,針對不同工況,確定可伸縮牽引桿的最佳長度,得到最優間隙。