行駛中的汽車受到周圍環境風的影響，其運動狀態會發生改變，產生側滑或橫擺運動，影響汽車行駛穩定性，造成行車安全問題。
數值仿真計算方法較風洞實驗更為靈活，既能考慮汽車在側風作用下產生的側滑或橫擺等運動狀態，更能分析該運動狀態給汽車周圍流場帶來的反饋影響，實現空氣動力學與系統動力學之間的雙向耦合。為了更準確地分析出汽車的側風穩定性，在耦合方法的基礎上，實現高速汽車側風下的動態耦合模擬分析，真實地模擬汽車受側風環境的幹擾是十分必要的。針對上述問題，基於已有的研究，介紹一種動態耦合方法，實現了側風條件下汽車的動態模擬分析以及汽車空氣動力學與系統動力學的動態耦合。
耦合方法介紹
耦合仿真方法分為流體計算與系統動力學計算兩部分，分別通過FLUENT與MATLAB實現。仿真過程中FLUENT與MATLAB均存在兩個狀態，即計算狀態與掃描狀態，計算狀態進行正常的仿真計算，而掃描狀態則是通過監控程序對共享文件夾進行循環掃描，監控等待另一軟體上一步仿真的結果。FLUENT通過函數UDF來讀取共享文件夾中的側向速度ｖ和橫擺角速度ωｒ，並將該步仿真得到的側向力F和橫擺力矩Ｍ寫入共享文件夾，而MATLAB則通過ｍ文件從共享文件夾讀取側向力F和橫擺力矩Ｍ，並且將計算得到的ｖ和ωｒ寫入共享文件夾從而實現兩者的數據交換。
雙向耦合仿真流程
兩者在循環仿真的過程中分別讀取對方上一步計算所得的結果作為該時間步仿真的激勵，以此來實現車身運動狀態與流場的耦合作用，即空氣動力學與系統動力學的耦合，其迭代仿真步驟如下圖所示。
雙向耦合迭代步驟
對於汽車側風條件行駛下的工況，提出了一種動態耦合方法，使汽車在計算域內以實際車速行駛，將車速與側風獨立開來，實現汽車側風下的動態分析。模擬方案如下右圖所示。
側風下汽車行駛路線示意圖 動態耦合模擬方案
域盒介紹
該方案中車身壁面的運動由FLUENT動網格技術實現，但是由於車身表面較為複雜，附近網格尺寸較小，故壁面邊界的運動勢必會導致網格數量迅速增加，同時網格畸變率過大，甚至出現負體積，無法進行計算。對於該情況，通常是將時間步長縮小，而這又將耗費大量的計算資源與時間，顯然也不可取。針對這一問題，採用一種適合於模擬複雜運動邊界大尺度運動的域盒動網格策略，即將汽車模型通過一長方體包裹，其內外兩側各建立網格區域，該長方體即為域盒。邊界條件設為Interior，在計算過程中，域盒內部的網格隨汽車模型一起運動。該方法的最大優點是將網格更新的位置轉移至域盒外面的大尺寸網格，而其內部小尺寸網格不再更新。
域盒示意圖 動態模擬網格
針對汽車側風穩定性動態耦合的問題，該方法將車速與側風進行解耦處理，實現了側風條件下汽車的動態模擬分析以及汽車空氣動力學與系統動力學的動態耦合。
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