基于拓扑结构及动态特性的车辆队列油耗节省率计算方法

1.本发明涉及汽车电子技术领域，具体涉及一种基于拓扑结构及动态特性的车辆队列油耗节省率计算方法。


背景技术：

2.伴随智能交通系统的发展，车辆队列策略得以发展，即一组车辆以密集和协调的方式彼此跟随，主要是为了增加道路通行量和降低车队整体能源消耗。
3.目前研究主要集中在不同车身流线型对车辆气动特性的影响，或对车队纵向分布时汽车数量、纵向车间距和车速等影响因素进行讨论，进而对车辆队列燃油节省率进行计算。但为考虑车队行驶时对道路养护成本及使用寿命的影响，车辆队列排布时可以带有一定的横向偏移距离。
4.车辆编组有助提高交通流量和确保交通安全，并对车辆的气动阻力和燃油经济性产生积极影响。随着车辆网络技术的发展，对车辆编组进行规范已成为可能。研究车辆队列节能效果，可以为车辆队列控制策略的构建提供理论依据，也为平衡节能及降低路面养护成本、延长道路使用寿命提供参考。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于拓扑结构及动态特性的车辆队列油耗计算方法，能够解决前后车之间有横向偏移距离时，车辆队列的燃油节省率计算难题，研究了拓扑结构及动态特性对小轿车编队行驶气动特性的影响分析，包括单车及车辆队列的空气阻力变化等。
6.技术方案：本发明的一种基于拓扑结构及动态特性的车辆队列油耗节省率计算方法，包括以下步骤：
7.步骤(1)、进行单车cfd仿真实验；
8.步骤(1.1)、建立单辆mira阶背式三维模型以及相应的外流场模型，对单辆mira阶背式模型进行预处理(主要用于忽略车身的细小特征，例如：后视镜、车窗等，这样可以避免细小特征在网格划分时出现低质量网格，导致计算繁琐且精度较低)，进行网格划分以及网格质量优化处理，得到单车的车辆网格模型；
9.步骤(1.2)、将步骤(1.1)所得车辆网格模型导入cfd求解器，并进行相关设置进而得到单辆mira模型cfd仿真实验的气动阻力系数，包括边界条件设置、湍流模型选取、雷诺数设置、初始条件设置等；
10.步骤(1.3)、将步骤(1.2)所得单辆mira模型cfd仿真实验的气动阻力系数与已有mira模型风洞实验数据进行对比，如果对比数据显示不一致，则则返回步骤(1.1)，重新进行外流场模型建立，然后进入步骤(1.2)调整相关设置，重新求取单车的气动阻力系数，直至两个阻力系数接近；通过单车验证仿真实验数据的准确性；
11.步骤(2)、建立车辆队列外流场模型及流体动力学模型；
12.步骤(2.1)、选取至少三辆mira模型进行队列分布排列得到不同拓扑结构形态的车辆编队模型，然后构建多车辆mira队列模型以及相应的外流场模型，对车辆编队模型进行网格划分以及网格质量优化处理，得到多车的车辆网格模型；
13.步骤(2.2)、将步骤(2.1)的车辆网格模型导入cfd求解器软件，首先进行相关设置，包括边界条件设置、湍流模型选取、雷诺数设置、初始条件设置等；
14.然后，在车队中设置不同的横向偏移距离，并依次改变车辆纵向车间距以及车速，得到车队中各个车辆的阻力系数以及车队的平均阻力系数；
15.最后，对所得数据进行处理分析，得到不同横向偏移距离、纵向车间距和车速对车队气动阻力系数的影响规律，并确定车辆队列气动阻力系数与纵向车间距、车速、横向偏移距离之间的拟合函数关系；
16.步骤(3)、根据步骤(2)所得车辆队列气动阻力系数与纵向车间距、车速、横向偏移距离之间的拟合函数关系，利用车辆队列行驶的油耗节省率数学分析模型，确定车辆队列气动阻力系数与油耗节省率之间的函数关系。
17.进一步地，所述步骤(1)中将步骤(1.1)所得车辆网格模型导入cfd求解器进行cfd仿真试验时，采用k-ω模型作为湍流模型，保证流场速度取值与车速一致；
18.通过cfd仿真试验完整单车验证。
19.进一步地，所述步骤(2)中构建多车辆mira队列模型以及相应的外流场模型的具体内容为：
20.首先，选取至少三辆mira模型进行队列分布排列，每辆辆mira模型的车长、宽及高的尺寸分别为4165mm、1625mm及1420mm；
21.然后，根据队列分布建立车辆队列外流场模型，即：根据cfd仿真的实验要求对外流场尺寸进行合理的选择，满足模拟仿真实验时的阻塞比小于5％；
22.接着，根据所得车辆队列外流场模型采用以下三种方程来建立车辆流体动力学模型：
23.①
、质量守恒定律：
[0024][0025]
ρ表示空气密度；t表示时间；u、v、w分别表示速度矢量u在x、y、z方向上的分量；
[0026]
②
、动量守恒定律：
[0027][0028][0029][0030]
式(2)、(3)、(4)中：p表示空气流体微元体上的压力；u表示速度；τ
xx
、τ
yx
、τ
zx
分别表示粘应力τ在x方向上的分量；τ
xy
、τ
yy
、τ
zy
分别表示粘应力τ在y方向上的分量；τ
xz
、τ
yz
、τ
zz
分别表示粘应力τ在z方向上的分量；f
x
、fy、fz分别表示微元体上的体积力；
[0031]
③
、能量守恒定律：
[0032][0033]
t表示温度。
[0034]
进一步地，所述步骤(2)中对车辆编队模型进行网格化的具体方法为：
[0035]
首先，将车辆编队模型中的长方体外流场网格尺寸设置为1-100mm，车辆的网格尺寸设置为5-20mm，网格增长率为1.2；并对车辆周围进行网格加密，所设置的密度盒尺寸为5-100mm；在车身表面取多层附面层，以更好的捕获车身表面气流流动状态；然后，对计算域进行边界条件设定：设置入口为速度入口、出口为压力出口、壁面为可滑移壁面以及地面为不可滑移壁面。
[0036]
进一步地，所述步骤(2)中将车辆网格模型导入cfd求解器进行cfd仿真试验的具体内容为：
[0037]
采用k-ε模型作为仿真的湍流模型，具体表达方程如下：
[0038]
①
、k方程：
[0039][0040]
②
、ε方程：
[0041][0042]
式(6)和(7)中gk表示由于平均速度梯度引起湍流动能的产生项，gb表示由于升力产生湍流动能的产生项，ym表示可压缩湍流中过度扩散产生的波动， c
1ε
、c
2ε
、c
3ε
为经验常量，σk、σε分别是k方程与ε方程的湍流普朗特数，sk、se为用户定义的源项。
[0043]
进一步地，所述步骤(2)中cfd仿真试验过程中，选取队列的中间车辆的横向偏移距离分别为0w、1/6w、1/3w、1/2w和1w，来模拟横向偏移距离对队列中单车及整个车辆编队队列整体空气阻力的影响，w为单车宽度；具体方法为：
[0044]
步骤(2.1)、当横向偏移距离为0w时，分别取前后车间距为0.1l、0.5l、 1l、1.5l、2l、2.5l和3l，然后得到7组队列中单车以及整体的气动阻力系数，模拟纵向车间距对队列中单车及队列整体空气阻力的影响，l为单车长度；
[0045]
步骤(2.2)、当横向偏移距离依次为1/6w、1/3w、1/2w和1w时，也分别取对应前后车间距为0.1l、0.5l、1l、1.5l、2l、2.5l和3l，从而得到28 组组队列中单车和队列整体的气动阻力系数；
[0046]
步骤(2.3)、根据步骤(2.1)和步骤(2.2)所得气动阻力系数，模拟车速在50km/h-100km/h区间内取任意固定速度时，纵向车间距和横向偏移距离两个参数对队列中单车及队列整体空气阻力的影响，并通过多项式拟合方法来构建车辆队列气动阻力系数(c
d1
)与纵向车间距(l)及横向偏移量(w1)的函数关系分别如下：
[0047][0048]
其中a1的取值范围为[-0.036，0.012]，b1的取值范围为[-0.0278，0.008]，c1的取值范围为[-0.05，0.0752]，d1的取值范围为[-0.002，0.126]，e1的取值范围为 [-0.068，0.236]，f1的取值范围为[0.180，0.276]；
[0049]
步骤(2.4)、当横向偏移距离为0w时，依次取车速为50km/h、60km/h、70km/h、80km/h和90km/h，得到5组队列中单车以及整体的气动阻力系数；
[0050]
步骤(2.5)、当横向偏移距离依次为1/6w、1/3w、1/2w和1w时，也分别取对应车速为50km/h、60km/h、70km/h、80km/h和90km/h，从而得到20组队列中单车和整体的气动阻力系数；
[0051]
步骤(2.6)、根据步骤(2.4)和步骤(2.5)所得气动阻力系数，模拟车间距在0.1l-3l区间内取任意固定车间距时，车速和横向偏移距离两个参数对队列中单车及队列整体空气阻力的影响，并通过多项式拟合方法来构建车辆队列气动阻力系数(c
d2
)与车速(v)及横向偏移量(w2)的函数关系分别如下：
[0052][0053]
其中a2的取值范围为[3.126，7.557]，b2的取值范围为[-2.86，10]，c2的取值范围为[-0.01，0.5]；d2的取值范围为[-0.0056，0]，e2的取值范围为[-0.018，0.10]， f2的取值范围为[0.3，0.4]；
[0054]
步骤(2.7)、在分别确定车辆队列气动阻力系数与纵向车间距、车辆横向偏移量及车速函数关系后，建立车辆气动阻力系数与油耗节省率的数学模型；
[0055]
i、横向偏移距离和纵向车间距影响下，建立油耗节省率(q1)与车辆队列气动阻力系数(c
d1
)的函数关系如下：
[0056][0057]
其中a3的取值范围为[-0.0037，-0.0026]，b3的取值范围为[-0.0008，0.0192]，c3的取值范围为[0.0364，0.1357]；
[0058]
ii、横向偏移距离和车速影响下，建立油耗节省率(q2)与车辆队列气动阻力系数(c
d2
)的函数关系如下：
[0059][0060]
其中a4的取值范围为[-0.0096，-0.0045]，b4的取值范围为[0.0192，0.0248]，c4的取值范围为[0.0599，0.2475]。
[0061]
进一步地，所述步骤(2.7)建立车辆气动阻力系数与油耗节省率的数学模型过程：
[0062]
汽车行驶动力学方程如下所示：
[0063][0064][0065]
其中，f
t
是车辆驱动力，fw是空气阻力，ff是滚动阻力，m是车辆质量，g 是空气加速度，f是滚动阻力系数，cd是空气阻力系数，a是车辆迎风面积，ρ是空气密度，vr是行驶速度；
[0066]
cfd仿真试验中忽略自然风对行驶和单位速度变化的影响(vr转换为va)，通过下式表示行驶车辆的空气阻力：
[0067]
车辆发动机功率为：
[0068][0069]
其中，η
t
是传动系统机械功率；
[0070]
汽车在恒定速度下每百公里的燃油消耗量由以下公式计算得出：
[0071][0072]
其中，m是燃料消耗总量，ρ是燃油密度；
[0073]
通过下面两式定义空气阻力系数的降低率δcd和燃料节省率δqs：
[0074][0075][0076]
在公式(16)和(17)中，c
d0
是单车阻力系数，cd是车队平均阻力系数，q
s0
是一辆汽车的百公里油耗；
[0077]
从公式(12)-(17)中，推导出油耗节省率与气动阻力系数减少率之间的关系如公式(18)所示，其中
[0078][0079]
有益效果：本发明利用cfd仿真模拟带有横向偏移距离的车辆队列行驶，通过得到队列内单车阻力系数以及队列平均阻力系数，并利用汽车空气动力学构建阻力系数与油耗节省率之间的函数关系，能够更方便、更快捷的通过车辆的行驶状态找到所对应的阻力系数，并得到车辆的油耗节省率，同时也为道路上车辆行驶时如何才能节省燃油消耗量提供合适的车辆编队拓扑结构。
附图说明
[0080]
图1是本发明实施案例中的三车队列行驶以及外流场示意图；
[0081]
图2是本发明的cfd仿真整体流程图；
[0082]
图3是本发明所获得单车的阻力系数；
[0083]
图4是实施例所获得的不同车间距参数下车辆的空气阻力系数变化图；
[0084]
图5是实施例所获得的不同车速参数下车辆的空气阻力系数变化图；
[0085]
图4(a)是指领头车空气阻力系数变化图，图4(b)是指中间车空气阻力系数变化图，图4(c)是指尾车空气阻力系数变化图，图5(a)是指领头车空气阻力系数变化图，图5(b)是指中间车空气阻力系数变化图，图5(c).是指尾车空气阻力系数变化图。
具体实施方式
[0086]
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0087]
本实施例的基于拓扑结构及动态特性的车辆队列油耗节省率计算方法，包括以下步骤：
[0088]
步骤(1)、进行单车cfd仿真实验；
[0089]
步骤(1.1)、建立单辆mira阶背式三维模型以及相应的外流场模型，对单辆mira阶背式模型进行预处理，进行网格划分以及网格质量优化处理，得到单车的车辆网格模型；
[0090]
步骤(1.2)、将步骤(1.1)所得车辆网格模型导入cfd求解器，并进行相关设置进而得到单辆mira模型cfd仿真实验的气动阻力系数，包括边界条件设置、湍流模型选取、雷诺数设置、初始条件设置等；
[0091]
步骤(1.3)、将步骤(1.2)所得单辆mira模型cfd仿真实验的气动阻力系数与已有mira模型风洞实验数据进行对比，验证单车仿真实验数据的准确性；
[0092]
步骤(2)、建立车辆外流场模型和队列流体动力学模型；
[0093]
步骤(2.1)、选取三辆mira模型进行队列分布排得到车辆编队模型，然后构建多车辆mira队列模型以及相应的外流场模型，对车辆编队模型进行网格划分以及网格质量优化处理，得到多车的车辆网格模型；
[0094]
步骤(2.2)、将步骤(2.1)的车辆网格模型导入cfd求解器软件，首先进行相关设置，包括边界条件设置、湍流模型选取、雷诺数设置、初始条件设置等；
[0095]
然后，在车队中设置不同的横向偏移距离，并依次改变车辆纵向车间距以及车速，得到车队中各个车辆的阻力系数以及车队的平均阻力系数；
[0096]
最后，对所得数据进行处理分析，得到在不同横向偏移距离的基础上，改变纵向车间距和车速对车队气动阻力系数的影响规律，并确定车辆队列气动阻力系数与纵向车间距、车速、横向偏移距离之间的拟合函数关系；
[0097]
步骤(3)、根据步骤(2)所得车辆队列气动阻力系数与纵向车间距、车速、横向偏移距离之间的拟合函数关系，利用车辆队列行驶的油耗节省率数学分析模型，确定车辆队列气动阻力系数与油耗节省率之间的函数关系。
[0098]
本发明所涉及的气动力系数包括空气阻力(fw)、空气阻力系数(cd)、气动升力系数(c
l
)：
[0099][0100][0101][0102]
如图1和图2所示，本实施例在构建三维车辆模型以及车队的外流场模型时，并对模型进行前处理；
[0103]
网格划分时参照以下标准：长方体外流场网格尺寸设置为0-100mm，车辆的网格尺寸设置为5-20mm，网格增长率为1.2，所设置的密度盒尺寸为 0-100mm。
[0104]
在网格划分结束后，导入cfd求解器中进行相关设置和外流场求解处理。设置边界条件，将外流场入口设为速度入口，外流场出口设为压力出口，壁面为可滑移壁面，地面为不可滑移壁面。
[0105]
本次发明在选择湍流模型为标准的k-ε模型，此模型能够对边界层得出满意的结果，提高流场域计算的高效性和准确性。
[0106]
设置雷诺数，其是判断粘性流体流动状态的一个无因次数群，实验中需设置合适的雷诺数。
[0107]
由于本发明研究的是车队拓扑结构对空气阻力系数的影响，取队列中间车辆横向偏移距离为0w、1/6w、1/3w、1/2w、1w的多种拓扑分布结构。
[0108]
在上述车队拓扑结构分布情况下，研究纵向车间距对车队气动特性参数的影响，纵向车间距取值依次为0.1l、0.5l、1l、1.5l、2l、2.5l、3l，分别得到不同纵向车间距下车队中三辆车辆的空气阻力系数值，并将单车状态下的空气阻力系数与车队内各车辆的阻力系数值做比对，得到纵向车间距的变化对头车、中间车以及尾车的空气阻力系数影响规律，如图四所示车队内三辆车的阻力系数数值。
[0109]
其中单车阻力系数值如图3所示，
[0110]
其次，在上述车队拓扑结构分布情况下，对车辆行驶速度对气动特性的影响进行分析，车速取值为：50km/h、60km/h、70km/h、80km/h、90km/h，依次得到不同车速下车队中三辆车分别的空气阻力系数值，同样将单车状态下的空气阻力系数与车队内各车辆的系数值做比值，分别得到车辆速度的变化对头车、中间车以及尾车的空气阻力系数影响规律，如图5所示，车队内三辆车的阻力系数数值。
[0111]
通过以上一系列不同工况下的仿真实验，通过多项式拟合方法，确定车辆队列气动阻力系数和纵向车间距、车速、横向偏移距离之间的函数关系。
[0112]
横向偏移距离和纵向车间距影响下，构建车辆队列气动阻力系数(c
d1
)与纵向车间距(l)及横向偏移量(w1)的函数关系分别如下：
[0113][0114]
其中a1的取值范围为[-0.036，0.012]，b1的取值范围为[-0.0278，0.008]，c1的取值范围为[-0.05，0.0752]，d1的取值范围为[-0.002，0.126]，e1的取值范围为[-0.068， 0.236]，f1的取值范围为[0.180，0.276]；
[0115]
横向偏移距离和车速影响下，构建车辆队列气动阻力系数(c
d2
)与车速(v)及横向偏移量(w2)的函数关系分别如下：
[0116][0117]
其中a2的取值范围为[3.126，7.557]，b2的取值范围为[-2.86，10]，c2的取值范围为[-0.01，0.5]；d2的取值范围为[-0.0056，0]，e2的取值范围为[-0.018，0.10]， f2的取值范围为[0.3，0.4]。
[0118]
最后，通过所取得数据对车辆能源经济性进行分析，需要建立车辆的空气阻力系数与油耗节省率的数学模型，主要表达式方程如下：
[0119]
根据汽车理论，汽车行驶方程如下所示：
[0120][0121]
其中，f
t
是车辆驱动力，fw是空气阻力，ff是滚动阻力，m是车辆质量，g 是空气加速度，f是滚动阻力系数，cd是空气阻力系数，a是车辆迎风面积，ρ是空气密度，vr是行驶速度。
[0122]
在本次cfd仿真试验中，忽略自然风对行驶和单位速度变化的影响(vr转换为va)。通过以下三个参数来分别表达驾驶车辆的空气阻力fw、发动机功率p以及在恒定速度下每百公里的燃油消耗量qs：
[0123][0124]
[0125][0126]
其中，η
t
是传动系统机械功率，m是燃料消耗总量，ρ是燃油密度。
[0127]
通过下面两式定义空气阻力系数的降低率δcd和燃料节省率δqs。
[0128][0129][0130]
在公式(12)和(13)中，c
d0
是单车阻力系数，cd是车队平均阻力系数，q
s0
是一辆汽车的百公里油耗。
[0131]
从公式(9)-(13)中，推导出油耗节省率与气动阻力系数减少率之间的关系如公式(14)所示，其中
[0132]
此时，
[0133]
根据以上推导以及车辆队列气动阻力系数与纵向车间距、车辆横向偏移距离及车速的函数关系，通过多项式拟合方法，进一步确定车辆队列气动阻力系数与油耗节省率之间的函数关系，如公式(15)、(16)所示。
[0134]
横向偏移距离和纵向车间距影响下，建立车辆队列气动阻力系数(c
d1
)与油耗节省率(q1)的函数关系如下：
[0135][0136]
其中a3的取值范围为[-0.0037，-0.0026]，b3的取值范围为[-0.0008，0.0192]，c3的取值范围为[0.0364，0.1357]。
[0137]
横向偏移距离和车速影响下，建立车辆队列气动阻力系数(c
d2
)与油耗节省率(q2)的函数关系如下：
[0138][0139]
其中a4的取值范围为[-0.0096，-0.0045]，b4的取值范围为[0.0192，0.0248]，c4的取值范围为[0.0599，0.2475]。
[0140]
如图4所示，在增加中间车横向偏移距离后，随着车间距的增大，可以看出领头车和中间车的阻力系数在逐渐增大，中间车辆在横向偏移距离达到1/2w和 1w时，阻力系数超过领头车阻力系数，而尾车的阻力系数先减小后增大。
[0141]
如图5所示，随着车速的增大，领头车阻力系数在横向距离取0w-1w之间先减小后增大，在1/6w处阻力系数最小，在横向距离取1w时，领头车阻力系数趋近单车阻力系数；中间车的阻力系数随着横向距离的变化先减小后增大，并在横向距离达到1/2w时，中间车的阻力系数超过领头车的阻力系数，并接近单车阻力系数；尾车的阻力系数随着车速的增大阻力系数一直处于增大趋势。
[0142]
在进行风洞实验前，将车辆模型进行等比例缩小，3d打印得到车辆模型；在车身表面需要测量的表面进行测量点标记；并对等比例缩放的车辆模型进行等雷诺数分析，确保风洞实验测量情况与实际情况保持一致。最后将所得风洞实验的数据，与cfd仿真数据对
比，保证数据在允许误差范围内。