横风对车辆编队气动相互作用与尾流动力学的影响

《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Crosswind effects on aerodynamic interactions and wake dynamics in vehicle platoons

　　- 对于右后方车辆，随着车间距的增大，Cl值从0.08增加到0.33。- 车队的横风稳定性在很大程度上取决于后方车辆的纵向定位。- 正后方车辆需要保持适中的距离，以防止尾流与横风相互作用引起的俯仰振荡。# 引言在公共交通与汽车工业协同发展的背景下（Wang等，2025；Dong等，2025），高速公路交通量持续上升。因此，复杂流场环境中车辆间的气动相互作用日益显著（Song等，2026）。在横风条件下，高速公路上的车队驾驶面临多种安全隐患。车辆之间复杂的气动相互作用会显著改变周围的流场结构和车辆的气动特性。这些相互作用直接损害驾驶安全性和横向稳定性，从而构成潜在危害（Brandt等，2022；Dong等，2025；Duan等，2025）。因此，研究横风环境下不同车间距和横向位移下车队车辆的气动特性具有重要意义（Wang等，2022；Park等，2023）。在车队驾驶方面，研究人员已开始深入探讨不同车辆数量对车队气动特性的影响（Robertson等，2019；Schito，2012）。例如，Ebrahim和Dominy（2020）通过实验研究了三车车队中车辆的尾流和表面压力。结果表明，车队中车辆数量的变化不会影响前车与中间车之间的尾流结构。Bruneau等（2017）对一辆、两辆或三辆简化车辆参与的连续流进行了数值模拟。结果显示，当间距足够小时，前车会产生尾流遮蔽效应，降低后车表面的压力。类似地，Cerutti等（2021）测量了不同商用车辆数量车队中的静压分布和压力波动。他们发现，更大的车队会产生更复杂的尾流叠加效应，中间车辆获益最大，而领队车和尾随车承受更大的气动载荷。总之，当不同数量的车辆以车队形式行驶时，通过改变气流场的分布，它们会显著影响车队的气动特性：较小的车队表现出较弱的气动干扰，而较大的车队则产生更复杂的气动效应。除车辆数量这一关键影响因素外，车间距是另一个控制因素。车间距的变化会显著改变车辆之间气动干扰的模式和强度。这随后会改变作用于单个车辆的气动力和气动力矩，最终影响驾驶稳定性和跟踪性能（Jacuzzi和Granlund，2019；Tornell等，2021a；Tornell等，2021b）。因此，研究人员通过改变车间距来研究其对车队车辆的影响（Kim等，2021；Altinisik等，2015）。如Gnatowska和Sosnowski（2018）所记载，他们结合实验和数值方法确定了实际交通条件下最优的车间距。他们的分析涵盖了气动参数和安全影响，并对简化的车队驾驶配置进行了补充的阻力测试。Luo等（2022）研究了不同车辆数量和车间距的车队在横风条件下的效果。研究表明，保持较短的车间距可以显著改善燃油经济性。此外，三车编队相比两车配置展现出更优的减阻效果。Watkins和Vino（2008）研究了不同车间距对代表性车辆模型的影响。结果表明，当d/L为0.1–1.0时，两车之间的Cl波动显著，而当d/L超过1.0时，波动幅度明显缩小。Marshall等（2024）研究了卡车车队在超车过程中产生的气动力，揭示了阻力系数与侧向力系数之间存在复杂关系，并可能出现类似的滞后现象。总之，车队中以不同车间距行驶的车辆会显著影响尾随车辆：间距过近会增强尾流利用但可能导致某些车辆的Cs波动；反之，间距过大则削弱尾流收益，使车辆行为更趋于独立单元。除车间距的影响外，横风也会影响车队驾驶的稳定性。横风不仅直接改变车辆周围的流场分布，还会在不同间距区间内与气动力相互作用产生累积效应，使原本可预测的模式变得难以预测。学者们进一步将研究焦点集中在车间距与横风之间的相互作用上。Yudianto等（2021）研究了横风对车队车辆气动系数和压力系数的影响。他们进一步研究了横风下不同车间距和偏航角对这些系数的影响。他们的结果表明，更大的横风偏航角会放大Cs，而较大的车辆间距会产生更高的湍流动能，最终降低气动效率。Sujan等（2022）探讨了重型卡车在高速公路上以车队形式驾驶时的最小安全距离的定量研究，分析了影响安全距离的关键因素，如道路状况、坡度、通信延迟、气制动滞后、车速和重量等，以在燃油经济性和安全性之间取得平衡。Ma等（2018）重点研究了横风条件下桥梁上车辆超车和通过时的气动干扰机制。实验表明，横风中车辆后方形成的低压区会吸引横风，导致局部气流方向不再与横风方向平行，而是更趋近于车辆行驶方向。相比之下，关于横向位移对车队行驶中车辆气动特性的作用研究相对较少，仅有少数研究涉及此主题。这种影响主要体现在气动力的变化上。在车队驾驶中，前车形成尾流区域，而横向位移会改变尾随车辆周围的流场结构，可能导致Cl分布不均匀并影响稳定性。同时，这也会在尾随车辆两侧引起不对称的气流，增加控制的难度（Su等，2020；Luo等，2024）。Lei等（2024）关注了车队中横向位移距离对气动特性和燃油经济性的影响。实验表明，车队具有一定的气动效益，但随着横向位移数量的增加，燃油节省量减少。Tornell等（2021a、2021b）对不同横向位移、车间距和偏航条件下两车模型进行了实验研究。结果表明，由于横向位移，前车的性能下降，尾随车的性能提高。Tornell等（2021a、2021b）研究了卡车-轿车车队中的气动相互作用。结果显示，无论处于领先还是尾随位置，轿车的减阻效果都远大于卡车。Mosavati等（2025）研究了车间距对两车流场结构的影响。研究发现不同车间距下具有独特的流动特性。上述研究主要集中于无横风条件或车队行驶中的燃油经济性。然而，在横风条件下，横向偏移对车队车辆气动特性的影响比无横风条件下更为复杂。随着车辆横向位置的变化，前车尾流与横风对尾随车辆的影响差异变得显著。因此，有必要研究横风条件下车队行驶中不同横向偏移下尾随车辆的气动特性。鉴于这些研究空白，本研究探讨了不同车间距和横向位移下车辆模型的气动特性。研究成果可为复杂环境下的安全驾驶提供有价值的指导。本文组织如下：第2节描述了几何模型的建立与验证，以及计算域的设置和网格划分方法。第3节对比了不同车间距和横向位移下车辆的气动特性。随后，对尾随车辆周围的流场进行了对比分析。## 章节片段### 几何模型与计算域为提高计算效率，忽略后视镜、门把手等部件，如图1所示。车辆长度（L）、宽度（W）和高度（H）分别为5.108 m、1.830 m和1.474 m。为确保流场充分发展，本研究采用矩形计算域，如图2所示。计算域尺寸为长61.30 m（L_T）、宽31.11 m（W_T）、高8.84 m（H_T）。车辆定位如下所述。### 单车辆在本研究中，所有数值模拟均运行足够的物理时间，直至流场达到统计稳态。之后，DES输出在统计收敛期间进行时间平均。模拟在有无横风的环境下对车辆进行开展。表3展示了气动载荷系数。图8展示了模拟车辆的压力和速度云图。压力场呈现对称分布。### 总结本研究调查了横风条件下车队车辆的气动相互作用，以提高智能交通系统中的安全性和横向稳定性。采用风洞实验验证的数值模拟，考察了车间距（0.5 L、1 L、1.5 L）和横向位移（Le、0、Ri）在九种工况下的影响。结果表明，对于左后方车辆，Cs和CMz均随车间距的增大而增加。### CRediT作者贡献声明**Luo Yun：** 可视化、软件、方法学、概念化。**Ke Rongyi：** 原稿撰写、软件、方法学、调查研究。**Huang Taiming：** 审阅与编辑、监督、软件、方法学、数据整理、概念化。**Zhong Weixing：** 软件、调查研究。**Zhan Jiayi：** 软件、方法学。**Ou Changjie：** 软件、调查研究。**Li Zhipeng：** 软件、调查研究。**Zeng Wei：** 审阅与编辑、方法学、概念化。## 利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。## 致谢第一作者和通讯作者感谢**国家自然科学基金**（基金号：52276184）和**湖南省自然科学基金**（基金号：2025JJ70294）的部分支持。Luo Yun | Ke Rongyi | Huang Taiming | Zhong Weixing | Zhan Jiayi | Ou Changjie | Li Zhipeng | Zeng Wei