湍流建模对基于CFD的车辆水漂速度预测的影响 Thathsarani D. H. Herath Mudiyanselage, Manjriker Gunaratne 和 Andrés E. Tejada-Martínez

《Applied Mechanics》：Influence of Turbulence Modeling on CFD-Based Prediction of Vehicle Hydroplaning Speed Thathsarani D. H. Herath Mudiyanselage, Manjriker Gunaratne and Andrés E. Tejada-Martínez

　　

摘要

大多数关于车辆打滑现象的计算研究都通过流体-结构相互作用、轮胎变形、胎面几何形状以及路面特性来强调结构的真实性。相比之下，控制轮胎周围流动的流体动力学，尤其是湍流的作用，却受到了相对较少的关注。在大量研究中，尽管实际上存在湍流条件，流动仍被假设为层流；而在少数研究中，虽然采用了湍流模型，但并未对其对打滑预测的影响进行明确评估。在本研究中，我们提出了一个简化的三维计算流体动力学（CFD）模型，旨在分离控制打滑现象的流动机制，并量化湍流建模对预测打滑速度的平均影响。该模型采用有限体积法，并以空气-水界面的体积表示方式进行模拟，研究对象是直径为0.7米的轮胎在锁死轮模式下在淹没的、表面基本平滑的路面上滑动时的流动情况。轮胎被建模为一个刚体，其底部被理想化为矩形区域，该区域的面积根据轮胎负载和充气压力来确定，从而无需规定具体的轮胎接触面积。稳定状态下的打滑现象是在上游水膜厚度为7.62毫米、轮胎与路面之间有0.5毫米间隙的条件下进行模拟的，轮胎充气压力范围大约在100到300千帕之间。预测结果通过NASA的打滑经验公式进行了验证。在没有考虑湍流效应的模拟中，打滑速度的系统性偏低，相对于NASA公式预测的结果大约低估了13.5％。通过使用雷诺平均方法考虑湍流效应后，这种偏差显著减小：对于k-ε模型，平均偏差约为6％；对于剪切应力传输（SST）k-ω模型，平均偏差约为2.4％。结果分析表明，流体动力升力主要由轮胎前缘下方的压力积聚效应主导，轮胎下方狭窄间隙中的剪切流动也发挥了重要作用；湍流则有助于调节这些压力场产生的总升力。这些结果表明，在轮胎附近明确考虑湍流对于再现实际打滑趋势以及避免基于CFD的打滑预测中的系统偏差至关重要。