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乘用車與相鄰車道車輛氣動相互作用的風載和表面壓力測量

2024-11-12 07:42:36·  來源：AutoAero  
　

摘    要   

已知，道路車輛在近距離的相互氣動影響會顯著改變車輛的阻力性能。本文對兩種開放道路車輛形狀( DrivAer Notchback 模型和AeroSUV Estateback 模型）在彼此近距離橫向鄰近或與其他車輛形狀鄰近的情況進行了擴展分析。在橫擺角度范圍為±10°、橫向距離分別為典型高速公路車道間距的75%、100%和125%以及縱向距離前后最多為兩個車輛長度的條件下進行了風洞測量。之前對數(shù)據(jù)進行分析的結(jié)果僅考慮了氣動力測量，結(jié)果顯示阻力系數(shù)的變化比率在±20%或更多，具體取決于相對位置和風況。本文重新審視了力系數(shù)結(jié)果，并引入了表面壓力測量來研究性能變化的來源。研究結(jié)果表明，車輛在近距離側(cè)向接近時的空氣動力性能變化是由三種機制引起的：1）由于兩輛車的組合阻塞效應(yīng)對局部流場的影響，導(dǎo)致局部靜壓降低；2）局部流動角度的變化改變了每輛車的有效橫擺角度；3）尾跡-車身相互作用。結(jié)果還表明，當引入一個近似的艾哈邁德體時，接近效應(yīng)略有增加，這可能是由于其內(nèi)部體積較大，但趨勢與 DrivAer/AeroSUV 的結(jié)果一致。接近引起的載荷和壓力隨著距離的縮短和相鄰車身尺寸的增大而增加。

01  前    言 

乘用車和商用車的空氣動力效率量化主要集中在車輛與均勻風場的相互作用上，這種風場代表了車輛在孤立狀態(tài)下行駛的情況。在本研究的第一個階段，研究結(jié)果顯示，車輛在相鄰車道內(nèi)近距離縱向接近時，其空氣阻力會發(fā)生顯著變化，具有代表性的交通狀況下的阻力系數(shù)變化與孤立狀態(tài)相比可達到±20%或更多。這些結(jié)果反映了其他研究的結(jié)果，主要是關(guān)于超車的空氣動力學研究，這些研究表明，當車輛與另一輛車近距離接近時，空氣載荷會發(fā)生顯著變化。超車研究通常在較短持續(xù)時間瞬態(tài)事件的背景下進行（盡管大多數(shù)評估都是從準穩(wěn)態(tài)的角度進行的），很少從多輛車組合系統(tǒng)的角度進行。在研究日常駕駛中典型多車道動脈道路和高速公路上的交通時，車輛最常與相鄰車道車輛以及以相對較慢的速度（相對于車輛速度）進行超車/超車。這些觀察結(jié)果表明，典型運行車輛的空氣動力學狀態(tài)很少代表評估和改進空氣動力學性能時所考慮的孤立、均勻風場條件。對這些空氣動力學相互作用現(xiàn)象的全面理解可能會為通過形狀或流動控制來改善道路車輛的實際空氣動力學性能帶來機會。這也可能為聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛車輛（CAV）系統(tǒng)提供框架，以便在不依賴于為實現(xiàn)此類目的而提出的車隊概念等極端近距離跟隨的情況下，控制車輛之間的相對位置以最小化能源使用。相鄰移動車輛之間的空氣動力學相互作用可能被賽車運動行業(yè)很好地理解，但這種知識是傳聞性的，很少發(fā)表。在20世紀70年代初的一項研究中，羅姆伯格等人記錄了當時美國國家汽車比賽（NASCAR）中使用的車輛形狀的力系數(shù)在跟隨和超車場景中的準定常變化，他們的側(cè)向偏移結(jié)果與本文所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)有相似之處。最近的一項計算流體動力學（CFD）研究強調(diào)了一些側(cè)向吸氣的結(jié)果，其中包括關(guān)于導(dǎo)致推拉效應(yīng)的流動機制，這些機制可被利用來超越競爭對手。正如甘等人及全美汽車比賽（NASCAR）的解說員（通過在線新聞文章和視頻）解釋的那樣，側(cè)向誘導(dǎo)是一種手段，通過它，跟隨車輛將自身放置在領(lǐng)先車輛的尾翼附近，這會導(dǎo)致空氣被重新導(dǎo)向，越過領(lǐng)先車輛的后部上方，沖擊其擾流板并產(chǎn)生更大的阻力。由于阻力的差異，這種現(xiàn)象為跟隨車輛提供了超越領(lǐng)先車輛的機會。然而，甘等人所描述的這個概念并沒有解釋對后部車輛的阻力減少，盡管他們論文中的表面壓力圖提供了一些跡象，表明其前表面的壓力有所降低，但作者未作評論。此外，僅這個概念無法解釋羅姆伯格等人和當前數(shù)據(jù)集中觀察到的益處，對于有和沒有后甲板（轎車和SUV形狀）以及沒有擾流板的車輛，這表明還有其他空氣動力相互作用現(xiàn)象也發(fā)揮了作用。一些研究已經(jīng)研究了側(cè)壁接近的影響，這可能提供一些關(guān)于相鄰車道車輛接近效應(yīng)的指示。一般來說，隨著側(cè)壁的接近，局部壓力分布會被放大，車輛兩側(cè)的壓力較低，前角處壓力停滯較大，側(cè)壁上的壓力模式類似。這會導(dǎo)致車輛阻力增加和側(cè)向力（朝向側(cè)壁）增加。

本文所討論的風洞研究旨在對相鄰車道近距離車輛對乘用車氣動性能的影響進行初步研究，重點關(guān)注氣動阻力，在典型交通場景中展開。與本研究之前的論文主要關(guān)注力系數(shù)的變化不同，本文的分析擴展到包括表面壓力測量，以解釋觀察到的多車輛系統(tǒng)整體風荷載的變化。測試是在封閉測試段風洞中進行的，使用兩個15%比例的車輛模型（一個裝有儀器，另一個沒有），以研究對縱向位置、橫向間距、鄰近車輛大小/形狀的敏感性，以及對橫風條件的敏感性。本文的目的是確定鄰近相互作用導(dǎo)致氣動性能變化的原因。

02  實驗方法

風洞設(shè)置

這些實驗是在加拿大國家研究委員會（NRC）2 米×3 米的風洞設(shè)施中進行的，采用了表面車輛地面板安裝方式（圖 1），其細節(jié)由麥考利夫和巴伯提供。地面板系統(tǒng)包括車輛模型上游的分布式邊界層吸力以及一個轉(zhuǎn)盤。測試過程選擇使用NRC道路湍流系統(tǒng)（Road Turbulence System, RTS），該系統(tǒng)提供了具有4%強度的道路代表性自由流湍流條件，長度尺度約為0.2米（≈1米全尺度）。圖1展示了15%尺度的測試設(shè)置和地面板的安裝。帶有內(nèi)部負載傳感器的車輛模型安裝在轉(zhuǎn)盤的中心，而被動接近模型則安裝在主模型的一側(cè)。圖1還展示了一個尾跡生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于中記錄的部分測試，但這些測試在本文中未予呈現(xiàn)。

圖片

圖 1 加拿大國家研究委員會 2 米×3 米風洞中表面車輛地面板的布置（頂部 - 上風視圖；底部 - 下風視圖）

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