随着高速公路与汽车工程的发展,汽车的安全行驶速度逐步提升,在高速行驶中的侧风、超车、队列行驶工况发生得更为频繁。汽车在上述工况下高速行驶时的稳定性与安全性问题备受关注。根据汽车空气动力学的研究,汽车的气动力的大小与车速呈正相关,也就是说,当车速提高时,汽车各气动力全面增大。以气动阻力和升力为例,阻力与升力的提高,会引起汽车的油耗增大、地面附着力降低等现象,而这些现象都将成为汽车行驶中的隐患。当汽车在道路上高速行驶时,其外流场的变化与汽车稳定性联系紧密。在特定情况下,外流场的小幅变化,就能够引起汽车气动力发生大幅波动,进而影响汽车的稳定性。所以探究汽车外流场变化与汽车稳定性之间的联系,并利用这种联系,来提高汽车稳定性、优化汽车性能及气动造型,是一种行之有效的方法。本文在各种道路工况中,着重讨论了超车工况,因为超车工况是高速公路上最常发生,并且对气动力影响极大的工况。当车辆在高速行驶时与其他车辆发生超车行为,两车周围流场都发生剧烈变化,导致两车气动力产生剧烈波动。气动力的剧烈波动对汽车稳定性非常不利,有可能导致两车互相靠近。更为严重的是,由于两车周围流场的互相影响,会使汽车的安全行驶速度降低。在这种工况下,汽车可能会在较低的速度下就离开地面(地面附着力减小至0),这将降低转向系统的响应,并引起驾驶员对于路面情况的误判甚至引起误操作,严重影响车辆的安全性与稳定性。本文进行了以下几个方面的研究:(1)本文首先针对不同尾部造型的汽车的外流场涡流结构进行了广泛了解,对阶背式汽车、快背式汽车及直背式汽车的尾部涡流结构进行了细致的归类总结,为后续研究做好理论基础。(2)对于气动力的计算方法进行了细致研究。传统的气动力计算方法主要分为两种,一种是利用风洞实验或道路实验进行完整超车过程并用传感器来记录完整的气动力变化过程,另一种方法是利用仿真软件模拟超车过程来计算整个过程中气动力变化。本文提出了一种计算汽车侧风超车工况下横向气动力的新方法——半解析估算法,并计算了侧偏力系数与横摆力矩系数。此方法能够快速且准确的计算出超车过程中的危险点并估算气动力大小,计算结果可为传统方法提供有效指导,有利于提高风洞实验与数值模拟实验的效率与道路实验的安全性。由于当车辆在侧风环境中超车时,作用于车辆上的气动力会发生突变,严重影响汽车的操纵稳定性与行驶安全性。所以快速判断气动力发生突变的危险点并正确计算气动力大小,有利于提高汽车的安全性。(3)通过建立仿真模型对于两种相同类型汽车的超车过程中气流及涡流结构的变化进行了详细的分析。此仿真过程说明了在超车过程中,对车辆气动力影响最大的涡流结构是如何产生及变化的。在此研究中,通过Ansys/FLUENT软件对超车过程的流场变化情况进行模拟,使用滑移网格机制来实现车辆的移动。由于引起气动力改变的根本原因是外流场的改变,本文对于外流场的变化机制进行了非常广泛深入的研究。以前的研究主要集中于对超车过程中车辆横向气动力变化的讨论,而本文更为广泛的研究了超车过程中包括升力系数在内的全部气动力。并且本文从涡流层面上研究了引起外流场变化的根本原因。(4)除了研究两种相同类型汽车超车过程中流场的变化,本文还探究了两种不同类型汽车的超车过程。在高速公路上,当一个小型车加速超过一个大型车时,小型车司机能够明显感受到其气动力发生巨变,表现为小型车有明显偏离行驶方向的趋势,或明显“发飘”。而针对这种危险情况的研究却较少。之前的研究大部分都是针对两外形尺寸相似的车的超车情况的研究,而其实小型车超大型车的情况也非常常见,并且在此种工况下小型车气动力变化更加剧烈。本文选取一辆小轿车和一辆大客车来代表两个尺寸差别较大的汽车。研究目标为探究超车过程中外形尺寸影响涡流结构的机制。本文的研究结果能够为汽车外形优化及提高操纵稳定性提供理论依据。(5)根据前文的研究,本文最后提出一种优化汽车尾流的新方法——边缘旋转圆柱法,对汽车尾涡进行优化。此方法将两个旋转圆柱分别安装在一客车的车尾上边缘及下边缘,对汽车的尾部流场进行优化。由于在汽车高速行驶过程中,尾涡对气动力及汽车稳定性有显著影响。所以,优化汽车尾涡是提高汽车的气动性能、操纵稳定性及燃油经济性的有效途径。经过仿真验证,此方法能够有效降低压差阻力、增加负升力、提高侧风稳定性。而且,此方法不仅能够优化安装了尾流优化装置的汽车的尾流,而且能够优化在道路行驶过程中与其互相作用的车辆的尾流。总之,此方法能够有效优化汽车周围流场,并且提高其操纵稳定性及燃油经济性。