基于CFD的變道超車過(guò)程氣動(dòng)特性分析

唐洪濤，龍世桀，楊峻程，王 旭

（天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

汽車高速行駛的操作穩(wěn)定性、安全性和舒適性在很大程度上取決于汽車的氣動(dòng)特性[1]。汽車在路面上行駛的工況越來(lái)越復(fù)雜，尤其是汽車在高速超車時(shí)，車身周圍流場(chǎng)不斷急劇變化，這不僅嚴(yán)重影響汽車的氣動(dòng)特性，而且會(huì)使車輛發(fā)生偏移，影響車輛行駛時(shí)的穩(wěn)定性和安全性[2]。

2000年，AZIM等應(yīng)用實(shí)際汽車1/60的模型基于煙霧可視化方法，對(duì)超車過(guò)程的湍流特性進(jìn)行了試驗(yàn)[3]，結(jié)果表明，干擾車周圍的流動(dòng)結(jié)構(gòu)根據(jù)雷諾數(shù)的改變而發(fā)生顯著變化，但是模型比例與真實(shí)汽車相差較大，而且可視化方法提供的定量信息很少。2005年，NOGER 等放大了模型尺寸，采用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)對(duì)兩個(gè)1/5尺寸的模型進(jìn)行了超車過(guò)程的瞬態(tài)模擬[4]，研究表明，縱向間距、橫向間距和相對(duì)速度都會(huì)對(duì)車輛的氣動(dòng)力和力矩產(chǎn)生影響，但是模型較為簡(jiǎn)單，精確程度低。隨后在2008年，CORIN等對(duì)超車過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬[5]，發(fā)現(xiàn)了相對(duì)速度會(huì)對(duì)超車過(guò)程中車輛周圍的壓力場(chǎng)產(chǎn)生影響，從而使車輛的受力狀態(tài)發(fā)生改變。2013年，BRUZELIUS等基于RANS方法進(jìn)行了數(shù)值模擬[6]，分析了超車過(guò)程引起的阻力、側(cè)向力和橫擺力矩系數(shù)的變化規(guī)律。2014年，HOWELL等通過(guò)試驗(yàn)的方法研究了小型汽車超越大型卡車時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)特性[7]，得到了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并討論了試驗(yàn)過(guò)程的局限性。ALHOMOUD等應(yīng)用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了小型汽車和大型卡車模型并進(jìn)行了模擬仿真[8]，探索超車過(guò)程中4個(gè)不同位置上阻力系數(shù)對(duì)兩車的影響，但是該模擬并不是連續(xù)的超車過(guò)程，與真實(shí)的超車過(guò)程有差異。上述研究主要針對(duì)直道超車，對(duì)實(shí)際生活中的直道超車現(xiàn)象具有一定的指導(dǎo)意義。但是，實(shí)際生活中更多情況是變道超車，很少有人將變道超車過(guò)程中兩車的流場(chǎng)變化以及流場(chǎng)中渦的變化與車身受力相結(jié)合進(jìn)行分析。

綜上所述，本文基于前人的研究，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)[9]和SIMPLE算法[10]對(duì)相同車型不同速度、相同車型不同間距、不同車型的變道超車過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了相應(yīng)的壓力云圖、速度矢量圖、流線圖以及側(cè)向力等結(jié)果，并對(duì)側(cè)向力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出變道超車過(guò)程不同位置處兩車周圍流場(chǎng)變化、車身周圍束縛渦與流場(chǎng)中自由渦的變化過(guò)程，從而解釋車身受力狀態(tài)發(fā)生改變的原因，為汽車行駛提供理論建議。

1 基本控制方程

本文選用的汽車行駛速度不超過(guò)100 km/h，馬赫數(shù)約為0.081 7，小于0.3，因此可以認(rèn)為此時(shí)氣體是不可壓縮的[11]。

連續(xù)性方程：

x方向上的動(dòng)量守恒方程：

y方向上的動(dòng)量守恒方程：

z方向上的動(dòng)量守恒方程：

式（2）～（4）中：ρ為密度；t為時(shí)間；u、v、w分別表示速度在x、y、z方向上的速度分量；Fx、Fy、Fz分別表示體積力在x、y、z方向上的分量。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能及耗散率運(yùn)輸方程為：

式（5）～（6）中：μi為湍流粘度；Gk是由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；Gb是由浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；C1ε、C1ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk、σε分別為湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，F(xiàn)LUENT中默認(rèn)值為σk=1.0、σε=1.3；Sk、Sε表示用戶自定義源項(xiàng)。

2 數(shù)值模擬

2.1 汽車模型的選取和計(jì)算域的設(shè)定

汽車模型選用某款家用轎車，其基本尺寸為：長(zhǎng)4 866 mm，寬1 832 mm，高1 464 mm。按長(zhǎng)寬的比例簡(jiǎn)化為平面矩形，矩形的長(zhǎng)用L表示，矩形的寬用W表示，車頭與車尾的棱角作光滑處理，兩車從右向左行駛，主超車命名為CarA，被超車命名為CarB，兩車初始位置距離計(jì)算域右邊界3L，兩車齊頭并進(jìn)。為保證變道超車時(shí)兩車有足夠的行駛距離，且不受兩邊壁面的影響，計(jì)算域尺寸設(shè)計(jì)為：長(zhǎng)30L，寬15W。如圖1 所示。

圖1 汽車模型和計(jì)算域

2.2 網(wǎng)格劃分

模擬采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，模擬二維變道超車過(guò)程，小車車身線的網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.1，計(jì)算域網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.6。這樣的劃分方法可以使小車附近的區(qū)域網(wǎng)格相對(duì)較為密集，而遠(yuǎn)離小車的區(qū)域網(wǎng)格相對(duì)較為稀疏，從而可以提高小車周圍計(jì)算域的精度，更好地完成模擬。如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件和初始條件的設(shè)定

計(jì)算域的右邊界設(shè)置為壓力進(jìn)口，左邊界設(shè)置為壓力出口，兩車車身設(shè)置為wall，求解器選用非定常求解器，計(jì)算采用k-epsilon湍流模型，定義流體材料中選擇ideal-gas（理想氣體）。動(dòng)網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置選擇Smoothing（網(wǎng)格光順）和Remeshing（網(wǎng)格重劃分），Smoothing中的彈性因子設(shè)置為0.05[12]。動(dòng)網(wǎng)格中需要對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分，重新劃分網(wǎng)格時(shí)需要判定網(wǎng)格畸形率和網(wǎng)格尺寸是否符合要求，因此，在Remeshing中選用Must Improve Skewness（改善畸形率）和Size Function（尺寸函數(shù)），從而使局部網(wǎng)格完成更好的重新劃分，提高網(wǎng)格質(zhì)量[12]。為了避免動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算時(shí)出現(xiàn)負(fù)體積的問(wèn)題，網(wǎng)格的最小體積應(yīng)該大于小車的最快速度與計(jì)算步長(zhǎng)的乘積。

2.4 變道超車方案設(shè)計(jì)

記CarA的中心與CarB的中心沿x軸正方向的距離為X，沿y軸正方向的距離為Y，用X/L和Y/W表示兩車的位置。變道超車方案見(jiàn)表1。

表1 變道超車方案

3 模擬結(jié)果分析

3.1 變道超車壓力云圖分析

選擇Case2的壓力云圖進(jìn)行分析。選取超車過(guò)程的5個(gè)位置，分別是X/L=0.5、Y/W=1.5，X/L=1、Y/W=1.25，X/L=1.5、Y/W=1，X/L=2、Y/W=0.75，X/L=3.5、Y/W=0。單車行駛時(shí)，在不考慮側(cè)風(fēng)的影響下，小車所受的側(cè)向力和旋轉(zhuǎn)力矩幾乎為0，但復(fù)數(shù)車輛變道超車過(guò)程中，兩車會(huì)產(chǎn)生相互影響，圖例單位為Pa。

圖3 變道超車壓力云圖

如圖3a所示，CarA在x方向上超越CarB半個(gè)車身長(zhǎng)時(shí)，CarA前方的正壓區(qū)與CarB前方的正壓區(qū)相互作用，產(chǎn)生不均衡的側(cè)向力。兩車之間的區(qū)域形成負(fù)壓區(qū)，產(chǎn)生相互吸引的趨勢(shì)。CarA兩側(cè)的氣壓在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，局部受力不均衡，車頭內(nèi)側(cè)壓力高于外側(cè)壓力，車尾內(nèi)側(cè)壓力低于外側(cè)壓力，產(chǎn)生逆時(shí)針的趨勢(shì)，車身發(fā)生振動(dòng)。由于局部受力不均衡，CarB車身內(nèi)側(cè)壓力低于外側(cè)壓力，產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。此時(shí)，CarB的車頭有很大幾率撞擊CarA的車身，屬于變道超車過(guò)程中的危險(xiǎn)位置。

如圖3b所示，CarA在x方向上完成對(duì)CarB的超越時(shí)，CarA內(nèi)側(cè)氣壓受到CarB車頭處高壓的影響，相較外側(cè)呈現(xiàn)高壓狀態(tài)，兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，CarA車身受到內(nèi)側(cè)指向外側(cè)的側(cè)向力，車尾處內(nèi)側(cè)區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，受到外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的側(cè)向力，車身產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，車身振動(dòng)加劇。CarB內(nèi)側(cè)氣壓受到CarA尾部氣壓的影響相較外側(cè)呈現(xiàn)高壓，CarB車身受到內(nèi)側(cè)指向外側(cè)的側(cè)向力，車頭處受到外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的側(cè)向力，車身同樣產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，此時(shí)兩車容易出現(xiàn)剮蹭現(xiàn)象，因此，兩車應(yīng)該在橫向上保持安全距離。

如圖3c所示，CarA在x方向上超出CarB半個(gè)車身長(zhǎng)時(shí)，CarA車身內(nèi)側(cè)仍然受到CarB車頭處高壓的影響，兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，產(chǎn)生側(cè)向力，隨著兩車x方向間距的增大，側(cè)向力逐漸減小。同理，CarB的內(nèi)側(cè)氣壓受到CarA尾部氣流的影響減小，產(chǎn)生的側(cè)向力也隨之減小。

如圖3d和圖3e所示，CarA超越CarB變道至被超車車道的過(guò)程中，隨著兩車x方向間距的增大，兩車所受到的側(cè)向力逐漸減小。CarA的尾流對(duì)CarB的內(nèi)側(cè)影響逐漸減小。

3.2 速度矢量圖分析

在變道超車過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)的小車周圍形成不均衡流動(dòng)甚至于偏置的流場(chǎng)，兩個(gè)流場(chǎng)區(qū)域相互干涉，不斷變化，從而引起小車氣動(dòng)力發(fā)生變化。圖例單位m/s。

圖4 變道超車速度矢量圖

圖4b為圖4a的局部放大圖，CarA在x方向上超越CarB半個(gè)車身長(zhǎng)時(shí)，兩車之間的區(qū)域氣流相互干涉，該區(qū)域氣流明顯加速，形成低壓區(qū)。CarA車身內(nèi)側(cè)的氣流與CarB車頭內(nèi)側(cè)的氣流方向相反，相互作用產(chǎn)生排斥力，CarA車頭處受到內(nèi)側(cè)指向外側(cè)的力，車尾處受到低壓區(qū)的影響，產(chǎn)生外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的力，產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，CarA車身發(fā)生振動(dòng)，對(duì)駕駛員的操作有很大的影響。CarB車頭處受到由外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的力，產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

圖4d為圖4c的局部放大圖，CarA在x方向上完成對(duì)CarB的超越，在X/L=0.5到X/L=1的過(guò)程中，CarA所受到的側(cè)向力逐漸增大至最大，CarA內(nèi)側(cè)氣流干擾加劇，車身振動(dòng)加劇。CarB內(nèi)側(cè)氣流受到CarA車尾處氣流影響，氣流方向、大小都發(fā)生了變化，產(chǎn)生渦，由于渦的渦量和位置發(fā)生變化，導(dǎo)致CarB車身受力變化明顯，對(duì)CarB的行駛穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。

如圖4e所示，CarA在x方向上超出CarB半個(gè)車身長(zhǎng)時(shí)，隨著兩車x方向距離的增大，兩車的相互干涉減小，CarA受到的側(cè)向力逐漸減小。CarA尾部氣流與CarB車頭處氣流相互干涉，氣流加速，在該區(qū)域形成低壓區(qū)。CarB受到的側(cè)向力，同時(shí)隨著兩車x方向的距離增大而減小。

如圖4f和圖4g所示，CarA超越CarB變道至被超車車道的過(guò)程中，隨著兩車x方向距離的增大，兩車流場(chǎng)的相互干涉減小，兩車基本恢復(fù)單車行駛狀態(tài)。

3.3 流線圖分析

對(duì)Case2的流線圖進(jìn)行瞬態(tài)流線圖采集，時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 1 s，每100個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)采集一張圖片。通過(guò)對(duì)比圖5所示X/L=0.1到X/L=1.5的瞬態(tài)流線圖分析發(fā)現(xiàn)，從X/L=0.6開(kāi)始在兩車壁面的內(nèi)外兩側(cè)分別出現(xiàn)一對(duì)明顯束縛渦，隨著兩車相對(duì)位置的變化，束縛渦的渦量發(fā)生變化，使兩車周圍的流場(chǎng)比較紊亂；在CarA的尾流中存在自由渦，這個(gè)渦產(chǎn)生、變大、運(yùn)動(dòng)、消失的過(guò)程，引起兩車之間流場(chǎng)相互干涉。

圖5 變道超車流線圖

在X/L=0.1到X/L=0.5的過(guò)程中，兩車內(nèi)側(cè)流線相互作用，氣流加速，此處形成低壓區(qū)，兩車產(chǎn)生相互吸引的趨勢(shì)。隨著兩車y方向距離減小，兩車相互吸引的趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)。在此過(guò)程中，兩車相互吸引的趨勢(shì)占主導(dǎo)地位。兩車所受到的側(cè)向力逐漸增大，在X/L=0.5時(shí)，CarB所受到的側(cè)向力增至最大。

在車身周圍循環(huán)流動(dòng)通常發(fā)生在車身表面的旋渦稱為束縛渦；在車身上形成的循環(huán)流動(dòng)向外側(cè)擴(kuò)散，并最終消失在大氣中的旋渦稱為自由渦。

隨著兩車縱向間距的增大，在X/L=0.6時(shí)，存在4個(gè)比較明顯的束縛渦，分別命名為1、2、3、4渦，其中1渦、2渦在貼近CarA壁面的位置，1渦為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，渦尺寸較小，2渦為順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，渦尺寸較大，3渦、4渦在貼近CarB壁面的位置，3渦為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，渦尺寸較大，4渦為順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，渦尺寸較小。1渦、4渦在CarA、CarB的外側(cè)受到的影響較小，發(fā)生的變化也較小。

束縛渦（2渦）的產(chǎn)生、變化消耗流場(chǎng)中的能量，引起周圍壓強(qiáng)的改變，進(jìn)而影響CarA的受力狀態(tài)，同時(shí)兩車縱向間距增大，低壓區(qū)范圍減小，相互吸引的趨勢(shì)減弱，因此，CarA受到由內(nèi)側(cè)指向外側(cè)的側(cè)向力增大。

在X/L=0.7時(shí)，2渦渦尺寸增大，3渦渦尺寸增大，5渦是從由2渦脫離車身表面進(jìn)入大氣內(nèi)形成的自由渦，5渦呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，渦尺寸較小。

自由渦的產(chǎn)生消耗流場(chǎng)中的能量，產(chǎn)生自由渦的位置，壓強(qiáng)會(huì)發(fā)生急劇變化，同時(shí)兩車相互吸引的趨勢(shì)減弱，CarB受到由外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的側(cè)向力減小。

在X/L=0.8時(shí)，2渦向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，3渦渦尺寸減小，5渦向后運(yùn)動(dòng)，逐漸脫離CarA的尾流流場(chǎng)，渦尺寸增大，呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

在X/L=0.9時(shí)，2渦向后運(yùn)動(dòng)，3渦渦尺寸增大，5渦持續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，渦尺寸持續(xù)減小，隨著5渦從CarA的尾流場(chǎng)中脫離出來(lái)，在CarA的尾流場(chǎng)中產(chǎn)生6渦，6渦渦尺寸較小，呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，與5渦旋轉(zhuǎn)方向相反。

在X/L=1.0時(shí)，2渦渦尺寸持續(xù)增大，3渦向前運(yùn)動(dòng)，5渦持續(xù)向后運(yùn)動(dòng)從捕捉平面消失，6渦向后運(yùn)動(dòng)，渦量增大，呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，6渦展現(xiàn)出5渦的特征。

束縛渦渦尺寸、位置的變化過(guò)程，引起流場(chǎng)中壓強(qiáng)發(fā)生改變，束縛渦（2渦）渦尺寸持續(xù)增加，位置不斷發(fā)生變化，對(duì)CarA受力狀態(tài)的影響增大，因此，CarA受到的側(cè)向力不斷增加，在X/L=1.0時(shí)，側(cè)向力增大至最大。

自由渦產(chǎn)生、變大、運(yùn)動(dòng)、消失的過(guò)程消耗流場(chǎng)的能量，隨著5渦、6渦渦尺寸增大和位置向后運(yùn)動(dòng)，對(duì)CarB受力狀態(tài)的影響逐漸增大，在圖6b側(cè)向力變化曲線中的表現(xiàn)為CarB所受側(cè)向力的斜率增大。

圖6 不同超車速度側(cè)向力變化曲線

在X/L=1.1時(shí)，2渦渦尺寸減小，3渦渦尺寸減小，6渦與5渦的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，持續(xù)向后運(yùn)動(dòng)從捕捉平面消失，CarA尾流場(chǎng)中7渦逐漸產(chǎn)生，7渦渦尺寸較小，呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。在X/L=1.2時(shí)，2渦渦尺寸增大，3渦向后運(yùn)動(dòng)，7渦向后運(yùn)動(dòng)，渦尺寸明顯增大，呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，7渦呈現(xiàn)出與5渦、6渦相同的特征。在X/L=1.3時(shí)，3渦向前運(yùn)動(dòng)，渦尺寸增大，7渦持續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，逐漸從CarA的尾流中脫離出來(lái)，形成一個(gè)獨(dú)立的呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的自由渦。在X/L=1.4時(shí)，3渦消失，7渦持續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，渦尺寸減小，呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。在X/L=1.5時(shí)，7渦持續(xù)向后運(yùn)動(dòng)從捕捉平面消失。隨著兩車x方向間距增大，CarA的尾流場(chǎng)中不再產(chǎn)生自由渦。

束縛渦（2渦）在X/L=1.1時(shí)渦尺寸開(kāi)始減弱，CarA受到的側(cè)向力逐漸減弱。隨著兩車縱向間距的增大，兩車之間的相互干涉減小，側(cè)向力減小，兩車行駛狀態(tài)逐漸趨于平穩(wěn)。

自由渦（7渦）在X/L=1.1時(shí)產(chǎn)生，X/L=1.2時(shí)變大，X/L=1.3時(shí)向后運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，對(duì)CarB的影響持續(xù)增大。隨著自由渦向后運(yùn)動(dòng)至車尾處后消失，自由渦對(duì)CarB受力狀態(tài)的影響開(kāi)始減弱。在圖6b側(cè)向力變化圖中的表現(xiàn)為：在X/L=1.3附近側(cè)向力趨勢(shì)發(fā)生改變。

通過(guò)以上對(duì)兩車之間流場(chǎng)流線的瞬態(tài)仿真分析，在變道超車過(guò)程中，高速氣流在兩車內(nèi)外兩側(cè)壁面位置和兩車之間區(qū)域變化較為復(fù)雜，隨著兩車相對(duì)位置的變化，兩對(duì)束縛渦的渦尺寸大小持續(xù)變化，旋轉(zhuǎn)方向相反。變道超車過(guò)程中，CarA尾流場(chǎng)中出現(xiàn)自由渦，自由渦產(chǎn)生、變大、運(yùn)動(dòng)、消失的過(guò)程，加劇了兩車周圍流場(chǎng)的相互干涉，因此，研究束縛渦渦量和位置的變化、自由渦從產(chǎn)生到消失的過(guò)程對(duì)兩車受力狀態(tài)的影響具有重要意義。

3.4 不同車速數(shù)據(jù)分析

對(duì)比分析Case1～3在X/L=0.5、Y/W=1.5位置的壓力云圖可知，隨著兩車的速度加快，兩車車頭處正壓值依次增加，相互作用依次加強(qiáng)，兩車之間的負(fù)壓區(qū)范圍和最大負(fù)壓值依次增大。因此，在負(fù)壓區(qū)的影響下，主超車和被超車都受到側(cè)向力和旋轉(zhuǎn)力矩的作用，隨著兩車速度的增加，側(cè)向力和旋轉(zhuǎn)力矩依次增加。

3.5 不同車距數(shù)據(jù)分析

對(duì)比分析Case4、 Case2和Case5在X/L=0.5位置的壓力云圖可以得出，隨著兩車的間距增大，兩車之間的負(fù)壓區(qū)范圍和最大負(fù)壓值依次減小。隨著變道超車的間距變大，主超車和被超車所受到的側(cè)向力和旋轉(zhuǎn)力矩依次降低。

圖7 不同超車速度壓力云圖

圖8 不同超車間距壓力云圖

3.6 側(cè)向力數(shù)據(jù)分析

3.6.1 不同車速的變道超車數(shù)據(jù)分析

本文中側(cè)向力的方向是垂直于小車行駛方向的力。在單車行駛狀態(tài)，不考慮側(cè)風(fēng)影響的條件下，所受到的側(cè)向力基本為0。在變道超車過(guò)程中，小車所受到的側(cè)向力有明顯的變化，在超車過(guò)程中相對(duì)位置不同，所受到的側(cè)向力也不同。當(dāng)側(cè)向力發(fā)生劇烈變化時(shí)，小車的行駛穩(wěn)定性會(huì)受到嚴(yán)重的影響。

主超車CarA在Case1、Case2、Case3變道車的超車過(guò)程中所受到的側(cè)向力如圖6a所示，主超車CarA所受到的側(cè)向力先增大再減小后趨于穩(wěn)定，在X/L=1時(shí)側(cè)向力達(dá)到最大。 Case2與Case1、Case3對(duì)比發(fā)現(xiàn)：控制兩車間距不變，兩車速度越快，側(cè)向力的變化幅度越大。主超車CarA在Case1的極值比Case2的極值增大了56%， Case1的極值比Case3的極值增大了156%，Case2的極值比Case3的極值增大了64%。

被超車CarB在Case1、Case2、Case3變道車超車過(guò)程中所受到的側(cè)向力如圖 6b所示，被超車CarB所受到的側(cè)向力先增大再減小后趨于穩(wěn)定，在X/L=0.5時(shí)側(cè)向力達(dá)到最大；與主超車CarA相似，隨著車速的增加，側(cè)向力的變化幅度增大。Case2與Case1、Case3對(duì)比發(fā)現(xiàn)：被超車CarB在Case1的極值比Case2的極值增大了68%，Case1的極值比Case3的極值增大了199%，Case2的極值比Case3的極值增大了78%。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，改變車速變道超車時(shí)，被超車受到的影響大于主超車。

3.6.2 不同間距的變道超車數(shù)據(jù)分析

主超車CarA在 Case2、Case4、Case5變道車超車過(guò)程中所受到的側(cè)向力如圖9a所示，控制兩車車速相同，改變兩車間距對(duì)側(cè)向力的影響。隨著兩車間距的增加，主超車受到的側(cè)向力變化幅度降低。主超車CarA在Case4的極值比Case2的極值增大了42%，Case4的極值比Case5的極值增大了74%，Case2的極值比Case5的極值增大了23%。

被超車CarB在Case2、Case4、Case5變道車超車過(guò)程中所受到的側(cè)向力如圖9b所示，與主超車相同，隨著兩車間距的增大，被超車受到的側(cè)向力減小。被超車CarB在Case4的極值比Case2的極值增大了18%，Case4的極值比Case5的極值增大了41%，Case2的極值比Case5的極值增大了18%。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，改變間距變道超車時(shí)，主超車受到的影響大于被超車。

圖9 不同超車間距側(cè)向力變化曲線

3.7 不同車型變道超車的分析

3.7.1 小車超越大車

以上是對(duì)相似車型變道超車的研究，下面對(duì)不同車型變道超車進(jìn)行探索，對(duì)小車超越大車的壓力圖和側(cè)向力的變化進(jìn)行分析。該方案命名為Case6，小車命名CarA，大車命名CarB。選取X/L=0.5和X/L=1的位置進(jìn)行分析。

如圖10a所示：不同車型變道超車相較于相同車型變道超車，兩車車頭處正壓區(qū)的相互作用明顯增大，兩車之間的負(fù)壓區(qū)范圍和最大負(fù)壓值有所增大，說(shuō)明兩車相互吸引的趨勢(shì)增強(qiáng)，側(cè)向力增大。CarB的尺寸和重量較CarA相差較大，側(cè)向力對(duì)CarA的影響更為明顯，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)增強(qiáng)，CarA的操作穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，車身出現(xiàn)振動(dòng)，有很大可能與CarB相撞。

如圖10b所示：不同車型變道超車時(shí)，兩車正壓區(qū)作用范圍明顯增強(qiáng)，CarA內(nèi)側(cè)壓力升高，兩側(cè)壓力差增大，CarA受到的側(cè)向力增加至最大，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)增強(qiáng)，CarA的操作穩(wěn)定性受到影響，車身的振動(dòng)現(xiàn)象加劇，有一定幾率被CarB“吸引”過(guò)來(lái)，發(fā)生車禍。

圖10 不同車型變道超車壓力云圖（小車超越大車）

對(duì)比不同車型變道超車的側(cè)向力發(fā)現(xiàn)：主超車CarA在變道超車的過(guò)程中，所受到側(cè)向力的變化幅度明顯增加。主超車CarA在Case6的極值比Case2的極值增大了60%。被超車CarB受到的側(cè)向力也有所增加，被超車CarB在Case6的極值比Case2的極值增大了27%，主超車CarA所受到側(cè)向力的變化幅度更大，對(duì)小車的操作穩(wěn)定性影響更大。

圖11 不同車型變道超車側(cè)向力變化曲線（小車超越大車）

3.7.2 大車超越小車

大車變道超越小車的情況，同樣對(duì)壓力圖和側(cè)向力的變化進(jìn)行分析，該方案命名為Case7，大車命名為CarC，小車命名為CarD。同樣選取X/L=0.5和X/L=1的位置進(jìn)行分析。

如圖12a所示：不同車型變道超車時(shí)，由于CarC的尺寸和質(zhì)量較大，車頭處的正壓區(qū)范圍和正壓值較相同車型變道超車明顯增大，兩車之間負(fù)壓區(qū)范圍和負(fù)壓最大值有所增加。此時(shí)CarD所受的側(cè)向力達(dá)到最大值，對(duì)CarD的操作穩(wěn)定性有很大的影響，有很高機(jī)率與CarC相撞。因此，應(yīng)控制兩車保持安全的距離。

如圖12b所示：不同車型變道超車相較于相同車型變道超車，兩車的車頭處正壓區(qū)的相互作用明顯增強(qiáng)，CarC的內(nèi)側(cè)壓力增大，導(dǎo)致兩側(cè)壓差增大，此時(shí)CarC受到的側(cè)向力也增加至最大，車身振動(dòng)加劇，對(duì)CarC的操作穩(wěn)定性造成影響。因此，CarD應(yīng)增大與CarC的間距，降低行車速度，避免發(fā)生事故。

圖12 不同車型變道超車壓力云圖（大車超越小車）

當(dāng)大車超越小車時(shí)，兩車變道超車過(guò)程中，各個(gè)位置所受到的側(cè)向力明顯增大。主超車CarC在Case7的極值比Case2的極值增大了94%，被超車CarD在Case7的極值比Case2的極值增大了47%，主超車CarC所受到的側(cè)向力變化幅度增大，對(duì)大車的操作穩(wěn)定性影響增大。由于變道超車過(guò)程中車型的不同，兩車所受的側(cè)向力變化幅度增大。

圖13 不同車型變道超車側(cè)向力變化曲線（大車超越小車）

4 結(jié)論

（1）變道超車過(guò)程中壓力、速度、側(cè)向力隨著兩車的相對(duì)位置的變化而變化，兩車所受側(cè)向力都會(huì)先增大后減小，然后趨于穩(wěn)定，主超車在X/L=1時(shí)，側(cè)向力達(dá)到最大值，被超車在X/L=0.5時(shí)，側(cè)向力達(dá)到最大。

（2）變道超車過(guò)程中，汽車的行駛穩(wěn)定性與側(cè)向力的大小有密切的聯(lián)系，在X/L=0.5到X/L=1的位置的過(guò)程中，側(cè)向力較大，此時(shí)屬于變道超車的危險(xiǎn)位置。

（3）變道超車過(guò)程相較于直道超車過(guò)程流場(chǎng)變化更為復(fù)雜，變道超車過(guò)程中車身兩側(cè)的束縛渦渦量大小持續(xù)變化，旋轉(zhuǎn)方向相反；流場(chǎng)中自由渦經(jīng)歷產(chǎn)生、變大、發(fā)展、消失的過(guò)程，消耗流場(chǎng)中的能量，加劇兩車周圍的流線發(fā)生偏置，從而影響兩車的受力狀態(tài)。

（4）通過(guò)方案對(duì)比發(fā)現(xiàn)：變道超車過(guò)程中，兩車車速增大，側(cè)向力增大，被超車受到的影響大于主超車；兩車間距減小，側(cè)向力增大，主超車受到的影響大于被超車。

（5）不同車型變道超車時(shí)，側(cè)向力的變化會(huì)有所不同，小車超越大車時(shí)，小車受到的影響遠(yuǎn)大于大車，嚴(yán)重影響駕駛員的操作穩(wěn)定性，為了避免發(fā)生交通事故，應(yīng)降低超車速度，增加超車間距。