摘    要   

使用靜態(tài)偏航角變化進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試和數(shù)值模擬的車輛空氣動(dòng)力學(xué)評(píng)估，已成為評(píng)估車輛在各種風(fēng)況下性能的標(biāo)準(zhǔn)做法。然而，這種方法沒有考慮到動(dòng)態(tài)風(fēng)效應(yīng)，例如來自變化的風(fēng)況、經(jīng)過的其他車輛和道路障礙物的風(fēng)效應(yīng)，以及環(huán)境湍流帶來的瞬時(shí)非均勻風(fēng)況。在作者的先前工作中，展示了一種考慮動(dòng)態(tài)風(fēng)況和道路湍流的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真方法，顯示了風(fēng)況對(duì)車輛空氣動(dòng)力學(xué)的重要影響。該技術(shù)允許在一系列瞬時(shí)陣風(fēng)條件下對(duì)車輛進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)考慮來自上游車輛的風(fēng)湍流和自然環(huán)境風(fēng)波動(dòng)。通過使用湍流速度波動(dòng)的頻譜、強(qiáng)度和尺度，這些風(fēng)波動(dòng)被表示為數(shù)值仿真中的瞬時(shí)邊界條件。

本文采用該方法來確定在代表加州高速公路典型風(fēng)況下的代表性駕駛循環(huán)中，電動(dòng)汽車的空氣阻力，從而支持預(yù)測(cè)單次電池充電下的電動(dòng)車輛續(xù)航能力。進(jìn)行了一個(gè)長時(shí)間的瞬態(tài)仿真，風(fēng)況通過一個(gè)規(guī)定的循環(huán)變化，代表了主導(dǎo)風(fēng)變化、陣風(fēng)和道路湍流。為了理解風(fēng)變化對(duì)車輛空氣動(dòng)力學(xué)的重要影響，結(jié)果分別展示了每個(gè)風(fēng)況的效果，并通過使用規(guī)定的風(fēng)循環(huán)的加權(quán)平均值來呈現(xiàn)。

01  前    言 

汽車空氣動(dòng)力學(xué)的目標(biāo)是了解車輛在駕駛過程中產(chǎn)生的力和力矩。通常，工作重點(diǎn)放在設(shè)計(jì)能夠改善車輛空氣動(dòng)力學(xué)性能的組件上，包括減少阻力、保持適當(dāng)?shù)纳Υ笮『推胶?，以及偏航力和偏航力矩。此外，還必須考慮其他因素，如造型、客戶舒適度、法規(guī)要求和制造可行性，這些都是現(xiàn)代量產(chǎn)道路車輛生產(chǎn)過程的一部分。

空氣動(dòng)力學(xué)工程師有三種主要方法來評(píng)估空氣動(dòng)力學(xué)性能：風(fēng)洞測(cè)試、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬和道路測(cè)試。每種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，必須作為評(píng)估過程的一部分來理解。原則上，道路測(cè)試最具吸引力，因?yàn)樗褂昧苏鎸?shí)世界環(huán)境中的代表性車輛。然而，實(shí)際上存在一些復(fù)雜因素，這使得道路測(cè)試成為現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)中最不受歡迎的方法之一。為了與風(fēng)洞或CFD模擬的精確度相匹配，必須非常準(zhǔn)確地計(jì)算作用在車輛上的負(fù)載。此外，這種負(fù)載還包括其他寄生損失的貢獻(xiàn)，如軸承和傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦、輪胎滾動(dòng)阻力以及車輛的輔助系統(tǒng)。這些貢獻(xiàn)必須被理解、最小化并去除，以便從實(shí)際測(cè)量的道路負(fù)載中計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)負(fù)載的大小。進(jìn)一步復(fù)雜化的是，環(huán)境中的風(fēng)自然會(huì)發(fā)生變化，即使在看似靜止的日子里，通常也會(huì)有一些不穩(wěn)定的背景風(fēng)，并且預(yù)測(cè)完全靜止的條件是一個(gè)不利于廣泛、持續(xù)、可重復(fù)測(cè)試的困難過程。

目前評(píng)估阻力的行業(yè)方法是通過SAE J2263定義的滑行程序。車輛加速到高速，然后變速器掛到空擋，阻力作用下車輛減速。記錄該過程的速度-時(shí)間歷史，通過微分求得加速度，從而得到凈阻力。這種派生的阻力與速度關(guān)系被稱為道路負(fù)載曲線。對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)集應(yīng)用二次曲線擬合，其系數(shù)分別表示二階、一階和常速項(xiàng)中的相對(duì)負(fù)載比例。傳統(tǒng)上，二階項(xiàng)被認(rèn)為僅代表空氣動(dòng)力負(fù)載，但實(shí)際上很少與從風(fēng)洞測(cè)試或CFD獲得的阻力系數(shù)相匹配。雖然該方法適用于里程和續(xù)航預(yù)測(cè)，但對(duì)設(shè)計(jì)過程的分辨率還不夠。

需要為測(cè)試準(zhǔn)備好車輛，找到具有低風(fēng)的平直鋪裝地點(diǎn)，并擁有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這使得道路空氣動(dòng)力學(xué)開發(fā)變得更加復(fù)雜。

風(fēng)洞測(cè)試提供了道路測(cè)試的許多優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，能夠控制風(fēng)況?，F(xiàn)代風(fēng)洞采用單個(gè)寬的滾動(dòng)帶，以準(zhǔn)確代表地面平面的物理?xiàng)l件（Vground =Vair），并具有兩級(jí)吸力邊界層去除系統(tǒng)。車輛和道路可以相對(duì)于風(fēng)向旋轉(zhuǎn)，以模擬偏航風(fēng)況。與道路測(cè)試一樣，使用實(shí)體車輛能讓結(jié)果更有信心，并且還能非常精確地控制諸如流速、流動(dòng)角度和湍流水平等流動(dòng)參數(shù)。然而，在風(fēng)洞中產(chǎn)生中等湍流水平——這一主導(dǎo)道路環(huán)境的特征——是很困難的?？梢允褂酶咦枇υO(shè)備（如篩網(wǎng)或網(wǎng)格）來產(chǎn)生非常小尺度（并因此快速衰減）的湍流。在另一個(gè)極端，大尺度系統(tǒng)使用主動(dòng)系統(tǒng)生成大尺度湍流。研究表明，路上遇到的湍流大多介于這兩種風(fēng)洞中可生成的湍流之間。文獻(xiàn)中提到的研究已著手開發(fā)中等湍流水平的生成方法，但目前在非學(xué)術(shù)測(cè)試環(huán)境中還沒有此類系統(tǒng)。此外，滾帶系統(tǒng)與測(cè)試段的靜止地面之間的界面會(huì)產(chǎn)生不自然的流動(dòng)特征，尤其是在高偏航角下，這些特征會(huì)與車輛的流場(chǎng)相互作用。

CFD仿真方法的獨(dú)特之處在于其虛擬環(huán)境，這帶來了更大的挑戰(zhàn)，但也允許更深入的邊界條件定義和結(jié)果分析。特別是在求解器精度、幾何表示和離散化方案方面需要給予詳細(xì)關(guān)注，這些都不是簡(jiǎn)單的過程。然而，一旦建立了關(guān)聯(lián)（最好是在各種車輛配置和流動(dòng)條件下進(jìn)行關(guān)聯(lián)），CFD方法就可以靈活地定義條件以評(píng)估車輛。湍流可以以任何水平添加，也可以模擬瞬態(tài)偏航曲線，這是目前量產(chǎn)車風(fēng)洞中無法實(shí)現(xiàn)的條件。由于這種附加能力，本研究旨在更好地理解車輛行駛時(shí)可能遇到的典型路況，并將這一學(xué)習(xí)應(yīng)用于進(jìn)一步擴(kuò)展CFD仿真，以復(fù)制這些風(fēng)模式。

02  動(dòng)機(jī)

    本研究的動(dòng)機(jī)來自于多個(gè)影響車輛空氣動(dòng)力學(xué)性能以及客戶對(duì)車輛能力認(rèn)知的因素。眾所周知，阻力系數(shù)的增加會(huì)影響車輛的性能，特別是對(duì)最大速度和續(xù)航里程的影響。因此，當(dāng)下許多道路車輛空氣動(dòng)力學(xué)工程師的工作重點(diǎn)都放在減少阻力上，尤其是那些將續(xù)航或效率確定為關(guān)鍵參數(shù)的車輛。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，續(xù)航里程一直是其關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，既影響個(gè)人消費(fèi)者的購買決策，也影響電動(dòng)汽車（BEV）動(dòng)力系統(tǒng)的廣泛接受度。續(xù)航里程和效率也對(duì)BEV的經(jīng)濟(jì)可行性有重大影響，因?yàn)殡姵貎?chǔ)能系統(tǒng)是車輛中最昂貴的部件。減少阻力因此可以被視為在固定的車輛成本下增加續(xù)航里程，或是在固定的續(xù)航里程下降低成本，或者是兩者的結(jié)合。通過對(duì)車身上部表面進(jìn)行精心的塑造以及添加底部護(hù)板，可以顯著提高續(xù)航里程。由于這些改變的成本相對(duì)較低，它們對(duì)電動(dòng)車制造商來說是一種極具吸引力的非常規(guī)降低車輛成本的手段，同時(shí)還能提供客戶期望的性能。

    對(duì)于流線型車體來說，量化阻力比較直接；而對(duì)于鈍體來說，流場(chǎng)由較大的分離區(qū)域組成，這些區(qū)域具有高度的瞬態(tài)性。鈍體空氣動(dòng)力學(xué)的湍流特性意味著作用在車身周圍的壓力會(huì)隨時(shí)間變化，因此作用在車身上的力和力矩也會(huì)隨時(shí)間變化。CFD和風(fēng)洞測(cè)試的車輛測(cè)試系數(shù)歷史表明，阻力值會(huì)有10%以上的波動(dòng)。由于這種湍流特性適用于道路車輛，研究動(dòng)態(tài)效應(yīng)以及時(shí)間平均值在空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中變得越來越普遍。在這些研究中，車輛正常行駛時(shí)的非穩(wěn)定環(huán)境需要進(jìn)行量化。車輛很少在靜止空氣中行駛。此外，道路風(fēng)況的研究表明，中等程度的偏航角和湍流是常態(tài)。湍流特性主要分為三種狀態(tài)，取決于周圍環(huán)境：在沒有障礙物的情況下，湍流尺度較大且強(qiáng)度較低；在有道路邊緣障礙物（RSO）的地方，湍流尺度中等，強(qiáng)度適中；在有交通和高層建筑的城市環(huán)境中，湍流尺度較短且強(qiáng)度較高。先前的研究描述了湍流結(jié)構(gòu)的典型長度尺度，大約相當(dāng)于幾輛車的長度。這意味著高速公路上的車輛將穿越足夠大的結(jié)構(gòu)，足以使車輛周圍的流場(chǎng)被視為動(dòng)態(tài)偏航條件，而不是簡(jiǎn)單的零偏航條件疊加湍流。在先前的論文中，已經(jīng)對(duì)這輛車的動(dòng)態(tài)偏航和上游湍流進(jìn)行了研究，但主要是為了減少偏航模擬的計(jì)算成本。本研究旨在通過結(jié)合道路測(cè)試中收集的空氣動(dòng)力數(shù)據(jù)來更準(zhǔn)確地定義湍流環(huán)境，進(jìn)一步擴(kuò)展這些工作。