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感知型汽車空氣動力學標準模型——CAERI Aero Model

2020-12-04 19:59:01·  來源：中國汽研汽車風洞技術(shù)  作者：黃滔  
　
中國汽研風洞中心和清華大學徐勝金老師團隊聯(lián)合研發(fā)的感知型CAERI Aero Model，不僅可以滿足傳統(tǒng)汽車標準模型支撐汽車外氣動造型設(shè)計優(yōu)化以及開展風洞試驗對標、
中國汽研風洞中心和清華大學徐勝金老師團隊聯(lián)合研發(fā)的感知型CAERI Aero Model，不僅可以滿足傳統(tǒng)汽車標準模型支撐汽車外氣動造型設(shè)計優(yōu)化以及開展風洞試驗對標、校準等功能，而且配備了多種傳感器，可實現(xiàn)環(huán)境物理量參數(shù)實時測量以及模型、測量系統(tǒng)間的信息交互，并且配備了階背、快背、方背以及皮卡四種尾部造型，創(chuàng)新了汽車空氣動力學標準模型的概念。本期將介紹CAERI Aero Model的基本構(gòu)造和功能。

1. 標準模型簡介

在風洞測試中，國外研究者提出了不少特征鮮明的用于汽車空氣動力學研究的標準模型，這些標準模型不僅為汽車外形設(shè)計與評價提供了優(yōu)化參考方案，還可為汽車風洞試驗對標、校準、測試技術(shù)開發(fā)、檢驗CFD計算精準度等提供對標和驗證模型。此外借助標準模型，也增強了汽車空氣動力學行業(yè)內(nèi)的交流，成為一種交流語言。

迄今為止，國外已經(jīng)發(fā)展了多種汽車空氣動力學模型。以模型的氣動外形的復(fù)雜程度來分類，可以劃分為簡化鈍體模型、簡單汽車模型和復(fù)雜汽車模型，模型的輪廓和表面越來越復(fù)雜、也越來越接近真車。

簡化鈍體模型省略了汽車上絕大部分的細節(jié)，如車輪、后視鏡、進氣格柵等，且對外形線條和表面也進行了高度簡化，SAE和Ahmed模型是最著名的簡化鈍體模型之一，如圖1所示。

圖1  SAE和Ahmed模型
 
簡單汽車模型與簡化鈍體模型相比，其外形與汽車更為接近，也更符合實車尺寸比例，但為了加工便利，簡單汽車模型的外形通常以平面代替曲面，較著名的簡單汽車模型有Chrysler模型、MIRA模型等。

圖2  Chrysler模型、MIRA模型
 
隨著汽車外形越來越復(fù)雜，前面提到的兩類模型由于簡化無法再現(xiàn)復(fù)雜的流動現(xiàn)象，比如車底部流動和車輪腔室流動。為此，慕尼黑工業(yè)大學（TUM）空氣動力學與流體力學研究所開發(fā)了一個通用的汽車外氣動模型（DrivAer模型），包括３種型式的尾部和２種型式的底盤結(jié)構(gòu)，是最著名的復(fù)雜汽車模型之一。
 
圖3   DrivAer模型
 
2. CAERI Aero Model

傳統(tǒng)的汽車空氣動力學研究在穩(wěn)態(tài)或者準穩(wěn)態(tài)下進行，對瞬態(tài)數(shù)據(jù)測試能力要求不高，而非穩(wěn)態(tài)汽車空氣動力學存在強瞬態(tài)性、流場和氣動力強相關(guān)性等特征，現(xiàn)有的汽車風洞穩(wěn)態(tài)測試技術(shù)大多不能夠準確捕捉這些特征，因此為了順利開展非穩(wěn)態(tài)汽車空氣動力學的研究，前期有必要對感知型空氣動力學標準模型、風洞多物理量聯(lián)合測量技術(shù)等基礎(chǔ)內(nèi)容開展研究，以進一步增強瞬態(tài)測試技術(shù)儲備，擴充風洞測試手段，為開展非穩(wěn)態(tài)汽車空氣動力學研究提供基礎(chǔ)。

鑒于此，中國汽研風洞中心和清華大學徐勝金老師團隊聯(lián)合研發(fā)了具有“感知”功能的“智慧型”汽車空氣動力學模型——CAERI Aero Model。該模型借鑒物聯(lián)網(wǎng)思維，實現(xiàn)模型、測量系統(tǒng)間的信息交互，創(chuàng)新了汽車空氣動力學標準模型的概念；該模型配備了多種傳感器，可實現(xiàn)環(huán)境物理量參數(shù)（溫度、濕度及氣壓等）、模型姿態(tài)位置以及流場物理量的測量。

圖4 CAERI Aero Model各類傳感器布置示意圖
 
CAERI Aero Model配備有四種尾部造型設(shè)計，包括階背、快背、方背以及皮卡尾部造型。在底盤設(shè)計中，為了能讓模型更接近實車狀態(tài)，采用復(fù)雜底盤設(shè)計，包括排氣系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、真實車輪以及各類下護板等詳細結(jié)構(gòu)；在發(fā)動機艙設(shè)計中，設(shè)計有接近真實的、完整的發(fā)動機系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，最大限度地還原了實車情況。
圖5  CAERI Aero Model四種尾部造型配置示意圖
 
圖6  CAERI Aero Model四種尾部造型配置實物圖
 
圖7 CAERI Aero Model復(fù)雜底盤設(shè)計及真實發(fā)動機艙設(shè)計
 
此外，為了能夠?qū)崿F(xiàn)感知功能，對CAERI Aero Model主體骨架進行了優(yōu)化設(shè)計，在標準模型的前、中、后以及內(nèi)部均設(shè)計了傳感器布置區(qū)域，能夠滿足各類環(huán)境物理量參數(shù)的測量需求，從而使得該標準模型可以用于風洞非穩(wěn)態(tài)氣流標定、不同風洞數(shù)據(jù)相關(guān)性研究和對標等工作，可為非穩(wěn)態(tài)空氣動力學研究奠定前期基礎(chǔ)。
 
圖8 CAERI Aero Model各傳感器布置區(qū)域
 
3. CAERI Aero Model風洞試驗
任何風洞試驗，因為風洞的不同、測試手段的不同、試驗者的不同等都可能增加試驗結(jié)果的不確定度。利用統(tǒng)一的標準模型進行風洞試驗，可以減小由待測模型帶來的不確定性，從而更加有效的完成汽車風洞對標工作。

目前，中國汽研風洞中心已完成CAERI Aero Model的風洞對標試驗（見圖9）。部分試驗結(jié)果，如不同背部造型的角度掃略測試結(jié)果如圖10所示。

圖9 風洞試驗中的CAERI Aero Model
 
圖10  不同背部造型的角度掃略測試結(jié)果
 
后續(xù)中國汽研風洞中心將基于CAERI Aero Model展開更多研究工作，如底盤空氣動力學、輪胎空氣動力學等，這將進一步提升中國汽研風洞中心的試驗、仿真分析能力，進一步開拓更先進的風洞測試技術(shù)，為車企新車型空氣動力學性能提升以及我國汽車空氣動力學技術(shù)進步提供強大的技術(shù)支撐。
 
 
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