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摘要：本文采用低雷诺数（Re）SSTk-ε模型和高雷诺数（Re） SSTk-ε模型两种方法来模拟类车体超车过程。分析研究了类车体超车过程中典型时刻周围流体的压力场，同时，分析研究了典型时刻的速度场，为以后研究实车的超车过程提供了依据。
关键词：类车体;数值模拟;超车;流场
1 引言
两辆相向运动的汽车，其周围空气流动变化剧烈，同时，这种空气流动是无规则的，也就是说，此流动随时间和空间都呈现出不规则的脉动，俗称湍流流动。为了能够更好地模拟汽车超车过程中车体周围的空气流动，首先对汽车进行了简化，简化后的模型称其为类车体（Ahmed Car）。类车体超车过程虽然不能够完全真实地展示出汽车在超车过程中车体周围的流场及其气动特性，但其与汽车超车过程中的车体周围的流场及气动特性的变化趋势基本一致。
与汽车运动一致，简化后的类车体（Ahmed Car）在运动过程中，其周围流场具有湍流特性。为了更好地模拟类车体超车过程中其车体周围的流场特性，本文选用7：10的类车体缩尺模型，采用雷诺平均数值模拟的方法，模拟Ahmed Car的超车过程，根据模拟结果，分析超车过程中车体周围流场的流动特性。
2 几何模型、流畅空间离散及计算方法
在研究类车体超车过程中，类车体几何模型结构及相关尺寸如图1所示。图中尾部倾角a为300，在两种类型的雷诺数计算过程中，该倾角保持不变。
利用ICEM网格划分软件，在网格划分过程中，将整个模型分为5个子模块，分别对5个子模块进行网格化分，在参数设置前，利用STAR-CD软件中的耦合技术，将5个模型合为一体。同时，根据流场流动的特点，并结合滑移网格化的需要，在网划分过程中应用了5Body（图2所示）的做法。
本文中，低雷诺数计算模型网格总数约为598万，高雷诺数计算模型网格总数约为470万。在网格划分过程中，结合后期模拟过程，并运用相对运动原理，可将整个网格分为两种类型，即相对运动网格和相对静止网格，不同计算中，相对静止网格分布基本一致，而网格数量的差异在运动网格布置上，网格布置方式主要依据了流体运动的特性。
类车体外部绕流的气流形态主要有两种：层流和湍流。对层流而言，流体流动是有规律的分层流动，层与层之间的流动互不干扰;湍流状态，流体流动是不规则的，流场中流体的速度、压力等随时间和空间都呈现出不规则的脉动。
在本模型中，设置温度为25℃，运动粘性系数υ=1.55×10-5m2/s，空气密度为ρ=1.1805kg/m3;采用雷诺平均数值模拟中的低雷诺数SSTk-ε模型和高雷诺数SSTk-ε两种方法来模拟类车体超车过程，之后，对模拟结果进行分析研究。
3 计算结果
3.1 基于低雷诺数湍流模型模拟
类车体超车过程中，对流场特性分析，主要通过压力云图和速度矢量图来分析车体周围流体流动的特点。在整个分析过程中，以车体中间水平切面作为集中，绘制出类车体超车过程中的压力云图和速度矢量图的俯视图，同时，选取典型的时刻，在这特定时刻下，分析车体周围流场特性。
图3为低雷诺数模拟类车体超车过程中典型时刻的压力云图。图中展示了车体在即将开始超车至两车头头开始远离的整个过程中车体及周围空气流动的压力变化。从图中可以看出，在整个运动过程中，相对运动车车头前方适中处于正压区，该正压区的压力在整个超车过程中一致保持高压;与此相对应，在相对运动车尾部形成较强烈涡称其为尾涡区，由于选取截面靠近支柱，受到圆柱绕流的影响，两车体尾部均出现了两个较为明显的大尺度涡。
在时间t=0.2628s时，相对运动车即将靠近相对静止车，此时，两车体周围的流场开始相互影响，车体周围的空气流动逐渐加剧，静止车周围的空气流动受运动车的影响较大，静止车尾部开始形成尾涡区。在t=0.2916s时，两车的头尾相遇，此时，静止车的尾涡区已经形成，同时，受相对运动车的影响，其车体尾部流场的负压区逐渐增大。在t=0.3204s～0.3635s的范围内，两车的头头（或尾尾）即将相遇，在这个过程中，相对静止车周围的流场变化较大，其变化如下：相对静止车车体周围的空气流动受相对运动车的影响，流动加强，车体头部正压区范围增大，整个车体周围的负压区增大至整个车身，尾涡区的范围亦扩大。在t=0.3636s的时刻，两车的头头（或尾尾）相遇，此时，练车车头前方的正压区连成一体，范围达到最大，两车体车身周围处于负压区，尾部尾涡区较尾尾相遇钱有所减小，压力有所上升。之后，随着类车体的运动，两车开始远离，在t=0.0.3924s的时刻，运动车车头已经超过了静止车车尾，这使得静止车车尾和两类车体之间横向空间的负压逐渐升高，可以预测，在之后的运动过程中，两车周围的流场开始逐渐恢复，直至两车超车过程结束。
图4为低雷诺数模拟类车体超车过程中典型时刻的速度矢量图。为了与压力云图相对应，速度矢量图选取的典型时刻与压力云图的一致。从图中可以看出，在整个超车过程中，随着两列车的靠近，车体尾部的空气流速逐渐降低，两个头头相遇（或尾尾相遇）时，两车体尾部靠近尾部的流动速度接近于零，这意味着在车体尾部形成了涡结构，随着两车的靠近，尾部涡结构逐渐增大，反之，随着两车体开始远去，涡结构逐渐变小，直至超车结束。
3.2 基于高雷诺数湍流模型模拟
图5高雷诺数模拟类车体超车过程中典型时刻的压力云图。从图中可以看出，在t=0.2628s时，受相对运动车的影响，相对静止车周围空气流动加剧;t=0.2916s时，两车尾头相遇，此时，相对运动车周围的流场变化不大，但是，相对静止车车尾部及其车身周围流场的运动开始加剧，在尾部开始形成涡结构，运动至t=0.3636s时，两车头头相遇（或尾尾相遇），在两车体尾部均形成的可见的涡结构，但与低雷诺数模拟的结果相比，涡结构并不十分明顯。
总体上来说，两车体尾尾（或头头）相遇过程中的车身及周围流场压力变化与低雷诺数湍流模型模拟中的图3所表示的结果基本一致，所不同的是高雷诺数湍流模型模拟结果中车体尾部空间的流场涡尺度并不像低雷诺数湍流模型模拟的尺度大，这表明了高雷诺数湍流模型模拟捕捉流场压力变化的特性弱于低雷诺数湍流模型模拟。
图5高雷諾数模拟类车体超车过程中典型时刻的速度矢量图。从图中展示了高雷诺数模拟过程中两车在超车过程车体周围流场的变化情况。对比低雷诺数模拟结果，从图中不难看出，车体周围空气流动的大小与方向与低雷诺数模拟结果一致。
4 结论
根据数值模拟计算结果分析发现，两种雷诺数湍流模型模拟类车体超车过程中流场特性图可知，类车体车头前方为正压区，两列车之间的横向空间为负压区;车体尾部形成尾涡区，靠近车体处涡尺度较小，受支柱绕流影响，在距离尾部一段距离处形成了较为对称的大尺度涡，同时，高雷诺数湍流模型模拟捕捉流场压力变化的特性弱于低雷诺数湍流模型模拟。
参考文献
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