使用工具 : Simcenter STAR-CCM+

前言

       美國某州對機車行車安全顧慮的建議「在強風的干擾下，不建議機車與卡車共行。」探討側風是以極端情況下進行分析，斜風基本上其實也只是正向與側向的分力作用，所以僅考慮最嚴重的狀態側風的影響。
       一開始我們採用的網格如圖1顯示，一個長的計算空間，然後機車在卡車後方，機車與卡車都是採用重疊網格鑲嵌在計算區域內，卡車以22 m/s、機車則以 3 5m/s 的車速前進，然後我們車子行進的方向的左右各給予15 m/s的側風進行分析，也就是機車以 126 公里的時速對前方約以近 80 公里的卡車進行超車，而此時有大概平均七級的側風發生。不過此網格最終被放棄，兩個不同網格尺度的重疊網格容易發生發散現象，且此網格不需要的計算區域過多，因此我們重新修正運算區域。

Figure 1 初步使用的網格

模型建立

       最終我們採用的網格是把卡車與計算區域整合，對 STAR-CCM+ 的動態分析來說，此方式會是整個區域往前行進，因為計算區域中只有卡車為障礙物，所以該處會影響流場，但其餘空曠區域不會因為計算區域往前運動而影響流場變化，然後後方的機車因為要進行超車，所以採用重疊網格進行，如此一來把原先整個長條狀的計算區域變成較為寬的短區域分析，減少了將近一半的網格數目並可以更有效的觀察出流場的變化。而機車與卡車的相對距離大概是前後差距約80公尺不到、左右中心線的差異為4公尺(大概機車離卡車最近的寬度約在2.5~2.7公尺間)，也就是縮短超車的相隔距離，因為這樣可以有效增加兩車的相互影響。

Figure 2 最終的計算區域

Figure 3 最終網格示意圖

結果分析

       -Vx 是指側風的方向會先經過卡車再到機車，而 +Vx 則剛好相反，我們可以清楚看到來自於行進方向的左側 (-Vx) 的風對機車受力的影響變化較大，是因為機車需要穿過卡車的尾流影響區域，這部分的變化較為劇烈，若側風來自於另一側的時候，因為卡車對風的阻抗影響，反而通過該區域的相對速度較小，使得此時的受力因為卡車的庇護反而變小，事實上安全性不是看值的大小，而是看變化量的大小，當變化量較小時表示機車在超車過程中受到卡車及側風的雙重影響較小，因此變化較小，也就是行駛中較不需要調整重心位置，而來回震盪就表示在此過程中機車會有左右的偏擺效應產生，需要較細心的控制自己的行進方向。從受力分布來看就可以清楚看出，若真要超車的時候，超車的位置應該是在順著側風的方位進行超車。從圖 5 顯示一樣的趨勢，轉動力矩的轉動中心我們簡化在輪胎的中心，基本上真正的轉動力矩的中心應該設定在轉動的內側與地面的接觸線上，但因為機車輪胎相對較窄，此變化影響有限，所以我們不進行修正。

Figure 4 側風對機車受力的影響分布

Figure 5 側風對機車的轉動力矩之影響

動態結果呈現

結論

       本分析基本上並沒有針對側風影響運動狀態進行分析，僅是以動態分析從觀測的力與力矩的變化進行觀察，在與網友討論中多數人都有盲點，認為機車較小受外力的影響較小，卡車才容易翻覆，在阻力上的確阻力與(截面積X速度平方)成正比關係，在相同的速度下，卡車受力的截面積較大，但卻忽略了受力後對物件的影響我們可以直接分為移動跟轉動兩個變化，對抗移動來自於地面的摩擦力，摩擦力正比於與(地面的接觸面積X重量)，在相同的速度下，的確機車的受風面小於卡車，問題是此部分的差異不會高於兩者的重量差異，更不用討論卡車的輪胎與地面接觸面積的倍數差距；而對於轉動上，更不用思考卡車具有左右對稱的多輪胎的穩定性。
       此分析我們沒有探討因為側風引起的自由度位移與轉動，不過我們已經在進行側浪造成的船體翻覆分析進行測試，另外附上動畫圖，對於如何進行相對運動造成的變化分析，有興趣的朋友可以與本公司討論，流體力學其實可以微觀與巨觀的看到非常多實驗無法達成的結果分析。

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