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道路湍流及其對汽車空氣動力學(xué)性能的影響

2019-12-14 09:02:30·  來源：中汽中心空氣動力學(xué)實驗室  
　
點擊藍(lán)字關(guān)注，中汽中心空氣動力學(xué)實驗室!風(fēng)洞實驗是汽車空氣動力學(xué)的重要研究手段，在風(fēng)洞實驗室中通過設(shè)定特定的實驗環(huán)境，定量控制實驗條件，從而模擬汽車在
風(fēng)洞實驗是汽車空氣動力學(xué)的重要研究手段，在風(fēng)洞實驗室中通過設(shè)定特定的實驗環(huán)境，定量控制實驗條件，從而模擬汽車在路上行駛的狀態(tài)，然而，風(fēng)洞試驗環(huán)境和真實道路環(huán)境是存在差距的。SAE J2071標(biāo)準(zhǔn)推薦的風(fēng)洞實驗室的湍流度要小于0.5%[1]，而真實道路上的湍流度一般大于2%，平均5%，最大為10-20%。真實道路環(huán)境和風(fēng)洞環(huán)境的差異有多少？這種差異對汽車空氣動力學(xué)性能有多大的影響？在風(fēng)洞環(huán)境下進行的空氣動力學(xué)設(shè)計在真實道路環(huán)境下表現(xiàn)如何？這些問題將在下文進行討論。
 
首先從地面車輛的角度考慮近地面大氣湍流的特征。近地面大氣湍流的大量結(jié)論和數(shù)據(jù)來自氣象和風(fēng)工程領(lǐng)域，氣象和風(fēng)工程領(lǐng)域數(shù)據(jù)多采集于10 m以上高度，經(jīng)過數(shù)學(xué)推理用來描述近地面區(qū)域的大氣湍流特征。汽車行駛環(huán)境通常處在小于10 m的大氣邊界層內(nèi)，這一區(qū)域?qū)儆诖髿膺吔鐚拥牡讓?，受路邊障礙物、地形和交通環(huán)境等因素影響，因此，這一區(qū)域的大氣環(huán)境非常復(fù)雜。最簡單的情況是無風(fēng)的天氣，路邊沒有障礙物，地形平坦，并且路上沒有其他車輛，這種就是通常在風(fēng)洞試驗和CFD中模擬的情況，然而這種情況卻是極少出現(xiàn)的，近地面的時間平均風(fēng)速的概率分布通常用威布爾分布擬合描述[2],如圖1所示。
圖1 典型的平均風(fēng)分布特征[2]
圖2 汽車行駛的真實道路環(huán)境[3]
由于空氣的粘性，會在大氣邊界層內(nèi)產(chǎn)生不同尺度的湍流以及產(chǎn)生湍流耗散的現(xiàn)象。在風(fēng)工程領(lǐng)域，對于大氣邊界層內(nèi)的湍流特征有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述，可以參考ESDU(engineering sciences data unit)數(shù)據(jù)，圖3顯示了100米高度的湍流能譜，可以看到大氣中存在很寬尺度范圍的湍流。
圖3 100米高度的湍流能譜[4]
泰勒凍結(jié)假設(shè)描述為：湍流脈動速度遠(yuǎn)小于平均速度，湍流好像凍結(jié)在空氣中并隨空氣運動，在靜止的一點和與平均速度同步的點測得相同的湍流脈動。近地面的大氣湍流特征主要是用多孔壓力探頭測量道路上的湍流強度和尺度，以及地形、路邊障礙物、交通狀況和風(fēng)速等條件的影響，圖4顯示了道路湍流的測量實驗。
圖4 道路湍流的測量及道路環(huán)境[5,6]
通過對測量結(jié)果的分析可知，道路湍流中縱向和橫向湍流強度相當(dāng)，垂向湍流強明顯小于前兩者，前車尾跡明顯增大湍流強度。
(a) 不同道路環(huán)境的影響
(b) 不同方向湍流對比
圖5 道路湍流強度[5,6]
道路湍流對空氣動力學(xué)的許多方面都存在影響，這些方面包括：氣動噪聲、氣動阻力、氣動特性的動態(tài)響應(yīng)、極限工況、散熱以及造型優(yōu)化等。道路測量和風(fēng)洞試驗結(jié)果對比表明：道路湍流對迎風(fēng)側(cè)氣動噪聲沒有太大的影響，但隨著湍流度的增加，背風(fēng)側(cè)氣動噪聲差距明顯增大，道路測量的聲壓級低于風(fēng)洞試驗結(jié)果，這是由于實際道路上的瞬態(tài)流場受道路湍流的影響，在背風(fēng)側(cè)沒有及時建立起來，沒有達(dá)到風(fēng)洞穩(wěn)態(tài)試驗的結(jié)果，從而導(dǎo)致聲壓級低于風(fēng)洞實驗結(jié)果。汽車車身不同的造型特征對道路湍流的敏感度不同。10-20Hz以上的道路湍流能量比較小，在這個頻率范圍車窗部分的非定常流動特征主要是自激振動。車內(nèi)噪聲對2-5 Hz以下的道路湍流的響應(yīng)表現(xiàn)為準(zhǔn)定常特性，更高頻率的湍流對車內(nèi)噪聲影響不大。準(zhǔn)定常和非定常的風(fēng)洞試驗表明：湍流對車內(nèi)噪聲平均聲壓級影響不大，但從室內(nèi)乘員的主觀感受來評價，湍流對噪聲的調(diào)制作用比較明顯，見圖6。
(a) 右前內(nèi)耳
 (b) 右前外耳
圖6 道路湍流對車內(nèi)總聲壓級的影響[7]
道路測量和風(fēng)洞試驗結(jié)果均表明：道路湍流增大了汽車氣動阻力；降低了氣動阻力對偏航角的敏感度，如圖7所示。
圖7 道路湍流度對車輛輸出功率的影響[8]
許多文獻研究了對于非定常來流下，汽車的氣動特性響應(yīng)，結(jié)果表明：在低頻率大尺度湍流下表現(xiàn)為準(zhǔn)定常特性，在高頻小尺度湍流下表現(xiàn)為非定常特性；在2 Hz、3?的動態(tài)擺動工況下，準(zhǔn)定常結(jié)果高估了側(cè)向力和翻滾力矩，低估了偏航力矩；與準(zhǔn)定常結(jié)果相比，動態(tài)試驗下側(cè)向力和翻滾力矩有明顯的延時，而偏航力矩表現(xiàn)為小的負(fù)延時。車身表面壓力測量表明：與準(zhǔn)定常結(jié)果相比動態(tài)試驗中，車身前部壓力基本相同，后部壓力存在明顯的幅值和相位的差距，從而導(dǎo)致側(cè)向力減小，偏航力矩增大，如圖8所示。
圖8 準(zhǔn)定常和非定常實驗條件對迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓力差的影響[9]
超車、會車、跟車和轉(zhuǎn)彎等極限工況下，車輛之間的相互作用容易導(dǎo)致舒適性、操縱性和安全性，因此需要研究這些工況下汽車的氣動性能。從道路試驗和CFD中可以得到超車會車過程中車輛之間有強烈的空氣動力學(xué)相互作用，造成車身表面壓力，側(cè)向力，橫擺力矩的變化，因此對穩(wěn)定性造成影響，相互作用隨著兩車之間的距離減小而增強，如圖9所示。
圖9 會車過程中車身周圍的壓力分布[10]
       
道路湍流對整車熱管理也有重要影響，研究表明，側(cè)風(fēng)可以明顯減弱發(fā)動機冷卻性能，偏航角越大越明顯，道路試驗與風(fēng)洞試驗結(jié)果一致；在進風(fēng)量一定的情況下，散熱器的散熱性能隨著進風(fēng)湍流度的增加而增強；汽車許多流體區(qū)域散熱性能受來流湍流度影響不大，因為本身這些區(qū)域就有充分的湍流；來流湍流增強空氣與各個部件的熱交換，湍流尺度影響不大，尾部風(fēng)嚴(yán)重影響各個部件的散熱，側(cè)風(fēng)不影響散熱器的散熱，但對底盤部件有較大影響。
圖10 動力總成溫度分布[11]
許多文獻表明：是否考慮道路湍流分析獲得的減阻優(yōu)化的結(jié)果不同，通常在風(fēng)洞試驗中，低湍流度的條件下高估了一些減阻方法或氣動部件的效果。
圖11 卡車減阻量的道路與風(fēng)洞測量結(jié)果對比[12]
風(fēng)洞中湍流的模擬方式有主動與被動之分，被動系統(tǒng)主要是利用鈍頭體尾部的分離流動產(chǎn)生的湍流，基于阻力的系統(tǒng)，而主動系統(tǒng)包括基于阻力的和基于升力的系統(tǒng)。被動的TGS主要是利用網(wǎng)、柱或平板等鈍頭體尾跡分離特性產(chǎn)生湍流，所獲得的湍流尺寸一半與這些鈍體的尺寸相當(dāng)或者更小，因此很難獲得大尺度的湍流結(jié)構(gòu)；讓基于阻力的被動TGS按照一定頻率振蕩就能獲得較大尺度的湍流，同時本來的小尺度高頻湍流仍然存在，基于阻力的TGS很難獲得低頻的湍流；主動的基于升力的TGS通常是垂向擺動的翼型，能夠獲得大尺度的湍流，同時避免了鈍體尾跡中高頻小尺度湍流；track-side cross wind generator用于模擬側(cè)風(fēng)。典型的道路湍流產(chǎn)生裝置如圖12所示。
(a) TGS in Pininfarina [13]  
(b) FKFS swing® system [14]
圖12 道路湍流的產(chǎn)生裝置
 
參考文獻：
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