2020年10月，本公眾號介紹了中國汽研和廣汽研究院聯(lián)合課題組共同開發(fā)的真實道路來流參數(shù)采集測量系統(tǒng)的集成以及風洞標定結(jié)果：

汽車非穩(wěn)態(tài)氣動特性技術(shù)研究成果——真實道路來流參數(shù)采集測量系統(tǒng)

本期特邀中國汽車工程學(xué)會汽車空氣動力學(xué)分會顧問委員，廣汽研究院肖凌先生繼續(xù)介紹該系統(tǒng)在真實道路上的應(yīng)用情況。

作者簡介

肖凌：
現(xiàn)任廣汽研究院空氣動力學(xué)主任工程師，10年汽車空氣動力學(xué)和熱管理開發(fā)經(jīng)驗，曾主導(dǎo)或參與多款賽車（F1,Le Mans GT）及高性能量產(chǎn)車（FCA,GM）空氣動力學(xué)研發(fā)。2017年加入廣汽研究院，力爭建設(shè)國際水平的開發(fā)能力與體系，推動汽車空氣動力學(xué)前沿技術(shù)，并打造性能優(yōu)秀的產(chǎn)品。


引 言

為了使路試數(shù)據(jù)更加有普適性，本研究利用氣象數(shù)據(jù)和車輛密度提出了適用于全國道路的應(yīng)用建議。影響風阻的來流參數(shù)有很多，包括橫擺角度β，湍流強度，湍流尺度等。本文僅對橫擺角度進行統(tǒng)計和分析。關(guān)于湍流強度和尺度的研究分析待后續(xù)工作完善后分享。

1. 研究目的 - 從零偏角Cd0到綜合風阻Cdw

在常規(guī)的空氣動力學(xué)風阻開發(fā)過程中，評價標準通常是0°偏角，低湍流度下的風阻。然而，用戶在實際使用過程中，受到自然風，周邊環(huán)境以及交通的影響，來流的角度和湍流強度與理想條件有一定差異。

這個現(xiàn)實造成兩個主要問題：第一，在當前的評價標準下，通常是汽車風阻最低的狀態(tài)。任何基于此風阻計算的排放，能耗都將低估風阻的貢獻量；第二，在開發(fā)中由于僅關(guān)注一個角度的流場，優(yōu)化出的車輛有很高的側(cè)風敏感性，然而實際使用過程中風阻未必更優(yōu)，誤導(dǎo)設(shè)計決策。特別是第二個問題，筆者認為是關(guān)系到大量開發(fā)資源是否得到最有效利用，達到節(jié)能減排效果的關(guān)鍵問題。

在國內(nèi)，與實際道路來流參數(shù)的相關(guān)研究還比較缺乏。由于中國氣候多樣，道路，車輛分布也非常不均勻，不適合使用氣象數(shù)據(jù)和大氣邊界層進行理論計算。本研究采用了實車道路采集的方法，在國內(nèi)典型的高速公路以及用于測量滑行阻力的跑道上，進行了數(shù)據(jù)采集。為了使數(shù)據(jù)更加有普適性，本研究根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和車輛密度提出了適用于全國道路的應(yīng)用建議。

2. 道路選擇

道路的選擇需綜合參考地貌和路況的因素，確保常見的場景如橋梁、隧洞、海拔、會車、超車等因素在測試路線中都能覆蓋。課題組在重慶、海口以及廣州的典型高速公路進行了數(shù)據(jù)采集。在海南期間，同時在瓊海汽車試驗場性能道做了采集?？偣哺采w2377km，平均車速75km/h。圖1為路試位置概況，圖2為海南瓊海汽車試驗場路試場景，圖3為三個城市周邊道路實際測試時的錄像圖。


圖1 實測道路分布


圖2 瓊海汽車試驗場


圖3 重慶、?？?、廣州路試錄像圖

3. 數(shù)據(jù)分析

道路測試數(shù)據(jù)采樣頻率1000Hz，但考慮到巨大的樣本量，以及目前研究專注于統(tǒng)計概論平均分布，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析過程中采用了1Hz平均值。由于低速下測量橫擺角度誤差較大，數(shù)據(jù)處理過程中去除了40km/h速度以下的數(shù)據(jù)。由此處理后，有效樣本量達到10.2萬條，累積時長31小時。測試數(shù)據(jù)GPS速度分布如圖4所示。


圖4 路試中GPS速度分布
（縱坐標為樣本量，每個樣本1秒）

橫擺角分布在0°左右，呈正態(tài)分布狀，如圖5所示。測試結(jié)果符合預(yù)期，分布在0°～1°的比例占比61%。


圖5 橫擺角分布

具體拆分每日的測量數(shù)據(jù)，雖然0～1°的占比最多，但不同地區(qū)、不同地點的差異仍然較大，見表1。

表1 不同地區(qū)橫擺角分布


經(jīng)過分析，基本能排除測試路段地貌以及交通繁忙度（與前車距離）帶來的差異，而環(huán)境風帶來的影響非常顯著。為了系統(tǒng)地研究環(huán)境風帶來的影響，需要為每條數(shù)據(jù)匹配時間和位置的氣象信息。ERA5是歐盟主導(dǎo)的國際氣象預(yù)報數(shù)據(jù)庫，它實時收集并處理全球共享氣象站測量的數(shù)據(jù)。整理數(shù)據(jù)后可以明顯地看出環(huán)境風與橫擺角的關(guān)系，如圖6所示。在較小環(huán)境風速下，小橫擺角比例較多；隨著環(huán)境風風速增加，小橫擺角比例逐步減少，大橫擺角占比增加。雖然關(guān)聯(lián)性不具有嚴格的單向性，但趨勢性較為明顯。如果樣本量繼續(xù)增多，這個關(guān)系會更加明確。


圖6 橫擺角β與環(huán)境風（氣象數(shù)據(jù)V@10m）關(guān)聯(lián)
(測量地表風速的氣象標準為10m高度）

測量數(shù)據(jù)有區(qū)域和時間維度上的局限性。為了得到適用于汽車開發(fā)的全國的參數(shù)，橫擺角分布需要考慮全國汽車保有量分布和全國自然風分布的權(quán)重。數(shù)據(jù)處理邏輯如圖7：


圖7 橫擺角分布參數(shù)處理邏輯

這里需要說明的是，全國地理范圍內(nèi)的平均風速并不適用，由于風速的分布隨著地理位置有顯著差異，而車輛密度分布主要在城市及周邊。例如，平均風速最大的地區(qū)包括內(nèi)蒙古北部，青藏高原等，顯然這些地區(qū)并不是車輛人口密集的局域。如果使用簡單的全國平均風速計算會造成較大誤差。

對于不同地區(qū)的風速分布，使用同樣數(shù)據(jù)源獲得全國汽車保有量最高的30個城市及周邊2017-2020年的全年平均風速。通過各個城市的風速分布可以看出較大差異，沿海以及東北地區(qū)風速明顯較大，如上海，深圳，沈陽。而中原和四川地區(qū)風速明顯較小，如成都，重慶，西安等。其余城市風速分布處于中間，這與表1的實車道路測試結(jié)果是一致的，重慶地區(qū)一般風速較低，那么小角度（0°~1°）橫擺角概率較高，而廣州地區(qū)一般風速較高，小角度橫擺角占比降低。

從汽車保有量來看，主要分布在一線、二線城市以及周邊地區(qū)。汽車保有量與銷量并非有嚴格的對應(yīng)關(guān)系，但前30名的城市汽車保有量分布比較具有代表性，可作為自然風速的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)地區(qū)。

綜上數(shù)據(jù)和計算方法去除了區(qū)域性和時間上的敏感性，得到適用于全國的橫擺角度分布參數(shù)構(gòu)成的綜合風阻系數(shù)，這里展示間隔為1°的統(tǒng)計結(jié)果。其中Cdw代表綜合風阻系數(shù)，Cdx代表在x度橫擺角下的風阻系數(shù)。（這里假設(shè)車輛風阻系數(shù)對稱，如果不對稱則需要將橫擺角度參數(shù)除以2處理，此外由于5°以上橫擺角占比小于2%，這里忽略并重新分布使權(quán)重之和為1。）
Cdw=0.614Cd0+ 0.246Cd1+ 0.080Cd2+ 0.031Cd3+ 0.018Cd4+0.011Cd5

4.應(yīng)用價值

根據(jù)上述的綜合風阻的計算公式，可以綜合考慮橫擺角帶來的影響，在車型開發(fā)中降低實際風阻。

圖8統(tǒng)計了部分過往開發(fā)車型的綜合風阻，可以看出綜合風阻在大部分車型中都較0°偏角風阻增加。側(cè)風敏感性較高的車型超過4%以上。如果按照Cd=0.3估算，是12 Count的增加量。這對于油耗或續(xù)航里程的計算有較大的影響。


圖8 綜合風阻分析

在一個車型開發(fā)過程中，在風洞試驗中測試底護板的效果。加裝底護板在0偏角沒有起到減阻作用，然而在有偏航角度時效果明顯（圖9）。很顯然，如果評價指標僅僅是Cd0, 底護板應(yīng)該去除，然而，從綜合風阻角度來看，護板的作用明顯。


圖9 某車型底護板在不同橫擺角下的降阻效果

5. 總結(jié)

為了更好使研發(fā)工作貼近用戶使用場景，廣汽研究院會持續(xù)關(guān)注空氣動力學(xué)開發(fā)中的評價工況，最合理的利用開發(fā)資源使得產(chǎn)品在空氣動力學(xué)性能方面更加有競爭力。

后續(xù)將對該研究進行進一步挖掘。主要研究以下幾方面的內(nèi)容：湍流強度分布、風洞的道路流場復(fù)現(xiàn)、前車尾流對來流參數(shù)的影響、強側(cè)風以及高速下車輛的穩(wěn)定性等。