摘要

隨著對顯著提高燃油經(jīng)濟(jì)性的需求不斷增長，重型商用車輛的空氣動力學(xué)測試受到越來越多的關(guān)注。必須克服影響風(fēng)洞模擬保真度的各種挑戰(zhàn)，才能充分發(fā)揮復(fù)雜空氣動力學(xué)處理的潛力。首先，有限數(shù)量的風(fēng)洞可用于大規(guī)模測試此類車輛。作者認(rèn)為，為賽車的大型或全面測試而開發(fā)的設(shè)施可能是一項重要資源。其次，風(fēng)洞中的地面模擬導(dǎo)致了各種類型的移動地平面（MGP，又名滾動道路（RR））系統(tǒng)的發(fā)展。關(guān)于具有大偏航角的車輛的 MGP/RR 系統(tǒng)的行為出現(xiàn)了問題。實際上可以推斷，在風(fēng)洞中完全模擬開放道路上的側(cè)風(fēng)條件可能是不切實際的。這是因為大氣側(cè)風(fēng)形成了很深的邊界層剖面，使得移動車輛看到的合成流入流有效地彎曲。最后，用于汽車測試的主流邊界校正方法主要集中在阻力上，具有合理對稱的流場。較大偏航角的相對較長的車輛會產(chǎn)生高度不對稱的流場，因此需要開發(fā)更復(fù)雜的邊界校正方法。雖然現(xiàn)實世界條件（即側(cè)風(fēng)）的計算模擬似乎更容易一些，但需要仔細(xì)探索各種選項以獲得最佳結(jié)果。

現(xiàn)代商用車輛設(shè)計以及相關(guān)的空氣動力學(xué)測試程序都承認(rèn)，在大部分使用壽命內(nèi)這些車輛中都在強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下運行。比如，SAE“風(fēng)平均”阻力系數(shù)基于在來自任意方向的代表風(fēng)中以代表速度運行的加權(quán)平均CD。 商用車輛，尤其是8級卡車，往往對側(cè)風(fēng)相對敏感，至少部分原因是這些車輛的長度。在±15°的偏航角范圍內(nèi)以典型的道路速度進(jìn)行風(fēng)洞測試通常足以填充SAE方程。然而，商用車的風(fēng)洞測試往往會因為模型的物理尺寸、地面模擬不足或其他因素而受到影響，所有這些都會導(dǎo)致各種問題。

圖1 采用先進(jìn)空氣動力學(xué)處理的現(xiàn)代 8 級車輛

本文將嘗試解決其中的一些問題，包括合適的測試設(shè)施的可用性、邊界校正對理想測試模擬的不可避免的妥協(xié)，以及最后的地面模擬。

道路側(cè)風(fēng)會形成較深的大氣邊界層剖面，如圖2中的一般情況所示。車輛的道路速度導(dǎo)致車輛處的相對速度場強(qiáng)烈彎曲。地表的正確模擬條件對應(yīng)于沿車輛中心線的軸向速度，對應(yīng)于車輛的道路速度。 偏航的“Rolling Road”（RR）或“Moving Ground Plane”（MGP）將滿足此條件。 在車輛和RR/MGP偏航的情況下，在地面上方的某個特定高度也建立了正確的條件，但無法正確表示流動曲率。

圖2 車輛在側(cè)風(fēng)中看到的相對速度（一般情況：綠色-側(cè)風(fēng)；藍(lán)色-軸向；紅色-合成）。

側(cè)風(fēng)空氣動力學(xué)的意義

SAE 風(fēng)平均阻力系數(shù)由以下公式使用列表中的加權(quán)系數(shù)給出：其中 ψ 是車輛偏航角，M 是加權(quán)因子：

在阻力方面，眾所周知，8級卡車往往比普通乘用車對側(cè)風(fēng)（即空氣動力學(xué)偏航角或側(cè)滑角）更敏感。 這是由于車輛長度增加，這導(dǎo)致在車輛的背風(fēng)側(cè)形成明顯的流動分離，這往往會擴(kuò)大車輛的尾流，也有助于產(chǎn)生渦流阻力。 例如，典型車輛的風(fēng)平均阻力系數(shù)在15°偏航時可能比相應(yīng)的直線前進(jìn)值高 50%，如圖3所示。 將此比率計入 SAE 風(fēng)平均阻力系數(shù)，假設(shè)CD隨偏航的代表性變化，風(fēng)平均系數(shù)增加了0°和15°值之間差異的約20%?？梢钥闯觯紤]偏航時的空氣動力學(xué)設(shè)計并因此在這些條件下進(jìn)行空氣動力學(xué)測試很重要。

圖3 8類卡車阻力系數(shù)隨橫擺角的代表變化

需要注意的是，車輛在側(cè)風(fēng)中的穩(wěn)定性問題，包括方向穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向響應(yīng)和側(cè)翻，是非常重要的，但超出了目前的工作范圍。

試驗設(shè)備要求

三大類風(fēng)洞似乎與此特定測試要求相關(guān)：

1. “全尺寸”風(fēng)洞（即 100% 比例模型）

2. “大型”風(fēng)洞（即 ≈25-50% 比例模型）

3. “中等規(guī)模”風(fēng)洞（即 ≈10-15% 規(guī)模）

邊界干擾評估與校正

地面車輛的邊界干擾評估和修正問題主要集中在對固體和尾流阻塞引起的阻力測量的修正。 由于測試部分的不均勻速度梯度引起的校正，特別是在開放式射流測試部分的情況下，是相關(guān)的。 已經(jīng)開發(fā)了中等復(fù)雜程度的實用技術(shù)，例如“Hackett”方法，它使用壁壓特征來確定測試模型位置中少數(shù)奇異點的強(qiáng)度，然后用于計算必要的更正。

在8級卡車的情況下，由于其長度，偏航的車輛表示基于投影面積的大阻塞。由于包圍典型車輛的長方體可以假定為大約75 英尺（長）×13.5 英尺（高）×8.5 英尺（寬），很容易看出投影的正面面積在偏航角15°。粗略地說，車輛的前部靠近測試路段的左側(cè)邊界（正偏航，面向上游），而后部靠近右側(cè)邊界（正偏航，面向上游）。然而，重要的是要注意，任何橫截面的物理阻塞實際上與基線相比幾乎沒有變化。也就是說，前方站點的物理阻塞向左傾斜，但在幅度上與直行的情況相似，而下游站點的物理阻塞則向右傾斜。顯然，測試部分中的誘導(dǎo)流動，因此壁壓特征，現(xiàn)在表現(xiàn)出明顯的不對稱性。在經(jīng)典邊界干擾評估中沒有考慮這些影響。

經(jīng)典的壁面特征方法以Hackett等人開發(fā)的方法為代表，其中使用源、匯和渦流的簡單組合來表示遠(yuǎn)場壓力分布（即壁面壓力特征）。 一旦確定了源的強(qiáng)度，就可以從經(jīng)典的圖像方法中進(jìn)行阻力校正。 渦流將用于以類似方式開發(fā)升力校正，但主要適用于飛機(jī)模型的測試。 圖 4 顯示了該方法的基本要素。

圖4 Hackett方法的說明

應(yīng)該觀察到沿 x 軸對齊的源和匯會形成對稱的流場。 很明顯，卡車在大偏航角的情況下會產(chǎn)生不對稱的流場，因此可能需要更精細(xì)的方法來估計邊界修正。

舉例來說，已經(jīng)在具有代表性的實壁測試部分中對具有可變軸向長度的高度理想化的車輛幾何形狀進(jìn)行了一些計算。 選擇的車輛幾何形狀恰好對應(yīng)于眾所周知的“Ahmed”模型，盡管它滾動了90°，因此車輛變得比寬度高。 圖9顯示了幾何形狀。離地間隙設(shè)定為車輛寬度的17.4%。如圖5所示，車輛在其參考長度處計算流量，并且長度增加了大約 50% 和 100%。請注意，選擇的測試部分大約是模型長度的10倍（從而消除了顯著的端效應(yīng)），因此圖 6 實際上顯示了3個不同的測試段長度。

圖5 修改的 Ahmed 模型幾何

圖6 模型長度

圖7、8、9總結(jié)了經(jīng)典干擾評估和校正技術(shù)中將使用的示例壁壓特征。在這部分研究中，使用了商業(yè)有限體積 CFD 軟件包 STAR CCM+。模型以 15° 的偏航角放置，車輛的上游端位于固定位置。 測試部分的長度逐漸增加到車輛長度的十倍。0°偏航時的阻塞率為5.7%。 網(wǎng)格中使用了超過500萬個單元，并在車輛周圍和所有實體邊界附近聚集。 使用了分離的穩(wěn)態(tài) RANS（雷諾平均納維-斯托克斯方程）求解器和兩方程 SST k-ω 湍流模型。

圖7 顯示壁壓特征的 15° 偏航角的修正Ahmed模型

圖8 15°偏航時加長 (+50%) Ahmed模型

圖9 15°偏航時加長 (+100%) Ahmed模型

很容易看出，壁壓特征的不對稱分量在較長的車輛外殼中占主導(dǎo)地位。 如果將奇點模型用作干擾評估的基礎(chǔ)（如在哈克特方法中），則必須引入某種形式的不對稱，例如偏離中心線的源分布，或者可能是橫向定向的雙峰，或者通過其他一些技術(shù)。

使用 SolidWorks? 中的 Flow Simulation 模塊進(jìn)行了額外的邊界干涉評估。 這里的求解器設(shè)計得非常健壯且易于使用。雖然接近模型的解的精度肯定不如前面描述的Star CCM+ 解，但遠(yuǎn)場可能具有相當(dāng)?shù)拇硇?，因此適合通過壁壓特征進(jìn)行邊界干擾評估。此外，易用性和非常快速的解決方案（在這種情況下，在標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦上只需幾秒鐘）使其成為邊界干擾研究的潛在有用工具。

選擇的模型是前面描述的修改后的Ahmed幾何。 風(fēng)洞被建模為具有無粘性邊界條件的簡單管道，大致對應(yīng)于以50 m/s運行的ODU低速風(fēng)洞試驗段。在這種情況下，旋轉(zhuǎn)軸位于模型的質(zhì)心，與之前的CFD解決方案略有不同。圖10和11顯示了標(biāo)準(zhǔn)模型和相應(yīng)的壁壓特征（紅色為高壓，藍(lán)色為低壓）。

圖10 SolidWorks 計算模型，0° 偏航

圖11 壁壓特征，0° 偏航

15度偏航的相應(yīng)模型如圖 12、13、14所示。應(yīng)該注意的是，流場現(xiàn)在是不對稱的，如本文前面所討論的。

圖12 SolidWorks 計算模型，15° 偏航

圖13 壁壓特征，左側(cè)，15° 偏航

圖14 壁壓特征，右側(cè)，15° 偏航

模型長度現(xiàn)在逐漸增加，如前所述，分別增加了大約50%和100%。如圖 15、16、17、18、19、20所示，可以看出壁壓特征變得高度不對稱，局部低壓/高速在靠近車輛前端時特別明顯。

圖15 加長型 (+50%)，15° 偏航

圖16 壁壓特征 (+50%L)，左側(cè)，15°偏航

圖17 壁壓特征 (+50%L)，右側(cè)，15°偏航

圖18 加長型 (+100%)，15° 偏航

圖19 壁壓特征 (+100%L)，左側(cè)，15°偏航

圖20 壁壓特征 (+100%L)，右側(cè)，15°偏航 進(jìn)一步的工作將通過計算與測試部分相關(guān)的不同模型尺寸來量化邊界干擾。還將與Star CCM+結(jié)果進(jìn)行正式比較，以驗證 SolidWorks Flow Simulation在此應(yīng)用程序中的使用。

公路和風(fēng)洞流場的地面模擬

如參考文獻(xiàn)1中所述，標(biāo)準(zhǔn)做法是用1/7冪律剖面近似大氣側(cè)風(fēng)。 美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基于在地面以上32英尺處測量的風(fēng)速，因此為了進(jìn)行風(fēng)洞測試，在測試中再現(xiàn)了路面上方10英尺左右高度處的側(cè)風(fēng)速度。 這導(dǎo)致了道路條件和傳統(tǒng)風(fēng)洞測試之間的根本差異，其中車輛的流入在風(fēng)洞中或多或少是平行的（在風(fēng)洞自己的地板邊界層之上），但是是扭曲的 在路上的情況下。 圖21說明了這個問題。

圖21 實際側(cè)風(fēng)造成的扭曲流動（示意圖）

如圖20所示，由于側(cè)風(fēng)速度剖面符合路面無滑移條件，因此車輛與路面空氣之間的相對速度與零側(cè)風(fēng)情況相比沒有變化。 目前僅考慮地面邊界條件，因此如果要使用 RR/MGP，則應(yīng)將RR/MGP速度設(shè)置為車輛的道路速度，將風(fēng)洞速度設(shè)置為稍高的值是合乎邏輯的 ，所有車輛和RR/MGP偏航。 現(xiàn)在建立了部分相似性，在路面和某些選定的參考高度（例如 10 英尺）處具有“正確”條件。 在這兩個點之間，風(fēng)洞中的速度大小和方向可能相對于道路情況不正確，因為在傳統(tǒng)風(fēng)洞中實際上不可能再現(xiàn)側(cè)風(fēng)速度分布和隨之而來的扭曲流。

參考文獻(xiàn)2和3報告了廣泛的實驗和計算工作，旨在量化不完整模擬的影響并研究計算校正的可能性。 參考幾何形狀是參考文獻(xiàn) 4中描述的“戴維斯”模型，它類似于汽車。 該模型流線型良好，底部光滑，除了一個小的擴(kuò)散器，因此被認(rèn)為對地面模擬相對不敏感； 也許不是此類研究的最佳選擇。與在適當(dāng)速度和偏航角下設(shè)置的 RR/MGP 相比此處報告的其他近期工作側(cè)重于固定地板風(fēng)洞的流場差異。

圖22顯示了計算網(wǎng)格、模型幾何形狀和 RR/MGP 占據(jù)的矩形地板區(qū)域。 測試段很長，以避免流域上下游端的影響。 圖 23 和 24分別顯示了 0 度和 15 度偏航情況下模型尾流中的總壓力等值線。 可以看到尾流壓力分布的差異，這不可避免地與模型表面壓力分布的差異有關(guān)，因此與阻力和升力系數(shù)有關(guān)。

圖22 用于地面模擬研究的計算網(wǎng)格

圖23 戴維斯模型近尾流中的總壓力等值線，0°偏航。 RR/MGP（上）、固定地面（下）

圖24 戴維斯模型近尾流中的總壓力等值線，15°偏航。 RR/MGP（上）、固定地面（下）

參考文獻(xiàn) 5 中介紹了具有更高偏航靈敏度的更復(fù)雜車輛的底部流動結(jié)果，并在此處進(jìn)行了擴(kuò)展以突出地面模擬的效果。具有參考正面區(qū)域的 6.5 英尺床皮卡車的通用幾何形狀為 36.7 平方英尺，使用的外部尺寸分別為 20.3 英尺、7.2 英尺和 7.5 英尺的長度、寬度和高度。面積阻塞率為 2.2%。CAD 模型捕獲了通用皮卡車的基本特征，如圖 25所示，但省略了側(cè)視鏡和車身曲率等次要特征，這些特征被認(rèn)為對主要流動結(jié)構(gòu)。帶有輪子和輪腔的車身底部配置包括更廣泛的細(xì)節(jié)。為每種情況生成一個非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格集，在車輛表面、拐角、曲面和車身底部區(qū)域附近聚集，如圖26所示。平均而言，該域中使用了大約 200 萬個單元。本研究在求解器設(shè)置和湍流建模方面使用了與之前描述的類似 CFD 建模方法。

圖25 通用皮卡車模式

圖26 計算網(wǎng)格的細(xì)節(jié)

從圖27和28中可以看出，這種幾何形狀對地面模擬表現(xiàn)出更大的明顯敏感性，尾流中的總壓力變化很大，尤其是在車輛偏航時。

圖27 皮卡模型近尾流中的總壓力等值線，0° 偏航。 RR/MGP（上）、固定地面（下）

圖28 皮卡模型近尾流中的總壓力輪廓，15° 偏航。 RR/MGP（上）、固定地面（下）

部分參考文獻(xiàn)：

[1]SAE Recommended Practice “Wind Tunnel Test Procedure for Trucks and Buses”. SAE Standard J1252, Rev. July 1981.

[2]Chen, M., Mokhtar, W., Britcher, C., and McGarry, J., “Experimental and Computational Aspects of Ground Simulation for Vehicles in Strong Crosswind Conditions,” SAE Technical Paper 2014-01-0588, 2014, doi:10.4271/2014-01-0588.

[3]Chen, Mau-Kuo: “Use of a Rolling Road System in Crosswind Conditions”. PhD Dissertation, Old Dominion University, August 2013.

[4]Surface Vehicle Information Report “Aerodynamic Testing of Road Vehicles - Open Throat Wind Tunnel Adjustment”, SAE Standard J2071, Rev. JUN 1994.

[5]Mokhtar, W., Pervez, N.; “Underbody Drag for Pickup Trucks”, 30th AIAA Applied Aerodynamics Conference, New Orleans, LA, AIAA 2012-2231, June 2012.

文章來源：

Britcher, C., Mokhtar, W., and Way, S., "Simulation Considerations for Commercial Vehicles in Strong Crosswind Conditions," SAE Technical Paper 2014-01-2452, 2014, doi:10.4271/2014-01-2452.