履帶裝甲車輛空氣阻力系數試驗測定

杜明剛，張金樂，張喜明，孫亞東，毛飛鴻

(1.中國北方車輛研究所 車輛傳動重點實驗室, 北京 100072; 2.32382部隊，北京 101100)

0 引言

隨著裝甲車輛最高車速越來越高，空氣阻力對車輛最高車速和轉向特性產生的影響越來越重要。現有研究表明，裝甲車輛最高車速行駛時克服空氣阻力所消耗功率可達幾十千瓦，已成為影響動力傳動性能預測準確性的重要因素，而精確計算車輛高速行駛空氣阻力的前提是準確地獲取空氣阻力系數[1]。當前，研究人員普遍采用試驗、有限元分析、數據擬合等方法來標定民用汽車行駛中的空氣阻力系數，提出了相應車輛的空氣阻力系數表達式[2-3]。如Pikula等[4]在開放式風洞中測量了不同風速下車輛的空氣阻力，進而獲得了空氣阻力系數；田紅旗[5]利用風洞試驗研究了大風環境下的列車空氣阻力特性。然而，對于裝甲車輛，其空氣阻力測試涉及相似比例模型構建、風洞實驗、信號處理等知識，使得準確獲取空氣阻力系數值具有一定難度[6]。當前計算裝甲車輛機動性時，對于低速行駛工況，空氣阻力不大，計算中常忽略不計；而在高速工況，空氣阻力系數取值跨度較大，文獻[7]中取值0.59～0.74，缺乏針對不同類型裝甲車輛的具體指導。對于履帶裝甲車輛，相關文獻對空氣阻力系數介紹較少，對阻力系數影響因子如空氣密度、車體流線型及車體外部零部件性質等僅限定性描述[8]。

空氣阻力系數數值范圍跨度較大，對履帶裝甲車輛機動性能的研究造成了較大的困難。本文針對多種履帶裝甲車輛采用微縮比例模型，利用相似理論，開展風洞試驗，通過試驗數據分析，獲取不同類型履帶裝甲車輛的空氣阻力系數，對不同類型履帶裝甲車輛行駛空氣阻力、動力傳動性能精確計算具有指導意義。

1 基于相似理論的車輛空氣阻力測試原理

風洞模型試驗為了獲取試驗對象在原型流場內的空氣動力數據，需滿足幾何相似、運動相似、動力相似等相似條件。本文通過三維(3D)打印技術手段，建立了履帶裝甲車輛縮微模型，開展風洞試驗。試驗模型與實際戰車為等比例縮小關系，滿足幾何相似條件；試驗環境與實際戰車行駛環境近似相同；試驗為低速風洞試驗，空氣流體介質可近似認為處于定常狀態，滿足其他相似條件，保證了試驗能夠模擬真實戰車實際運動中空氣的流動過程[9-10]。根據文獻[11]，對于典型的低速附著流，當風洞雷諾數Re大于臨界雷諾數Rec時，Re變化幾乎不影響流場性質。利用這種現象的自模性，可以解決試驗Re比車輛實際行駛Re小的問題，只需保持試驗中Re>Rec即可，沒有必要花十分高昂代價使模型Re與實物Re相同。通常汽車模型長度方向的Rec取值不小于0.7×106，具體取值可根據試驗空氣阻力系數隨速度變化曲線來確定。

2 履帶車輛空氣阻力測試方法

2.1 測試模型構建

采用數字化建模方法，用計算機輔助設計(CAD)軟件構建典型履帶裝甲車輛三維立體微縮模型，然后利用3D打印技術打印模型部件，并打磨組裝，得到風洞試驗模型，如表1所示。試驗縮微模型外部附件應最大程度完整，以反映車輛真實表面特征[12]。

2.2 測試系統組成

測試系統主要包括風洞、試驗臺和測力系統。試驗風洞主要功能為產生并且控制氣流、模擬車輛周圍氣體流動情況。本試驗風洞的可用試驗風速最大值為50 m/s，在小于此風速范圍內，可以連續調節，并可以在任一風速點維持穩定。試驗臺置于風洞吹風口，用于模擬地面，由表面噴漆處理且與大地固定的平板組成。平板中心位置開有窗口，用于穿過測力系統的方位調整盤以固定模型。為方便測試，定義方位調整盤中心為原點；吹風方向為x軸方向，與風向相同為正，即試驗模型的空氣阻力方向；垂直于x軸、豎直向上為y軸正向，即試驗模型的升力方向；z軸由右手定則確定，即垂直于Oxy面向左為z軸正向，如圖1所示。

圖1 空氣阻力測試試驗臺

測力系統由方位調整盤、測力天平和支架組成，主要功能為固定并調整模型相對位置、測試模型所受阻力，如圖2所示。試驗模型安裝在與試驗臺平板平行的方位調整盤上，方位調整盤與測力天平連接，測力天平固定在下方支架上，支架相對地面固定。為了準確模擬車輛與地面的相對關系，通過調整方位調整盤的位置和高度，使試驗模型處于平板中心且底部履帶下表面與平板保持一定間隙(約為0.3～0.5 cm)。測力天平能夠實時同步測試模型所受空氣阻力的3個方向(如圖1)分力Fx、Fy、Fz，并存儲、傳輸和顯示測量數據。測力天平每個方向量程為70 kg，精度為±0.000 1 kg，采樣頻率500 Hz.

圖2 空氣阻力試驗測力系統結構

2.3 測試方案

試驗選取傘兵戰車、自行高炮等9種不同型號履帶裝甲車輛作為研究對象，分別制作1∶8比例模型(依次記作模型A～模型I)開展風洞測試，如表1所示。每種模型設置5.0 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s共7個風速工況，記作工況1～工況7.試驗過程中，模型縱軸線與風洞吹風方向平行，如圖3所示，依次測試9種試驗模型(模型A～模型Ⅰ)7種風速工況下，風速穩定時3個方向所受的阻力，試驗流程如圖4所示。

表1 試驗模型信息

圖3 模型擺放位置

圖4 試驗流程圖

試驗前測試風洞吹風口大氣環境信息如表2所示。

表2 試驗大氣環境信息

3 空氣阻力測試結果

3.1 空氣阻力計算

試驗中，每種工況均進行3次重復測試，每次測試采集1 s時長的模型受力數據。圖5是模型F在風速30 m/s工況所受的空氣阻力測試數據。由圖5可以看出，空氣阻力存在一定范圍的波動，這是因為模型附近空氣流動存在氣壓波動。本文取各工況所測1 s時長阻力數據的均方根值，作為該工況的空氣阻力。車輛行駛過程中的空氣阻力主要考慮迎風阻力，9種車輛模型在7種風速工況下的空氣阻力如表3所示。

圖5 模型F工況6力響應曲線

表3 測試的模型迎風阻力

3.2 空氣阻力系數計算

由試驗數據可計算模型的空氣阻力系數，計算公式[10]為

(1)

式中：ρ為空氣密度；v為來流速度(m/s)；S為模型迎風面積(m2)。

履帶車輛迎風面積與車輛外形流線型、風力相對方位等相關。計算試驗模型阻力系數需要確定其迎風面積，如直接測量實際模型迎風面積，容易忽略一些細節部位面積，導致測量的迎風面積精確度降低。為此，在CAD軟件環境中，在車輛行駛方向對微縮模型進行平面投影，計算出相應的投影面積即試驗模型迎風面積，經過等比例放大即可得到真實車輛迎風面積[13]。

圖6是計算得到的9種試驗模型、7種不同風速工況對應的空氣阻力系數，從圖中可以看出，空氣阻力系數一開始隨著風速增加呈波動狀態，當風速超過30 m/s后，隨速度變化波動很小。同時，通過計算可知，風速30 m/s對應的雷諾數為1.35×106，大于第1節所述0.7×106.以上條件說明此時的試驗條件滿足自模性要求，即風速大于等于30 m/s時試驗進入自模區，此速度對應的雷諾數為臨界雷諾數(Rec=1.35×106)[14-15]。根據相似性原理，風速30 m/s和35 m/s工況對應的試驗模型空氣阻力系數可作為真實車輛空氣阻力系數。

圖6 不同車輛空氣阻力系數曲線

由圖6可以看出：在滿足自模性要求的風速工況內，自行高炮類型車輛空氣阻力系數最大，在0.97～1.03之間；主戰坦克空氣阻力系數次之，在0.89～0.95之間；兩棲突擊車、步兵戰車等類型車輛空氣阻力系數最小，在0.80～0.86之間。這與車輛外部形貌特征有關。根據流體力學知識，物體形狀越接近流線型，其空氣阻力系數越小。自行高炮類車輛帶有雷達和較高炮塔的特征影響空氣阻力系數較為突出；主戰坦克外部形體一般比兩棲突擊車、步兵戰車類車輛高大且復雜，所以主戰坦克空氣阻力系數大于后者。

綜合所有車輛模型，取試驗結果平均值，自行高炮類型車輛、主戰坦克、兩棲突擊車和步兵戰車類車輛空氣阻力系數設計選值依次為0.99、0.92、0.83.

3.3 實車功率損耗計算

根據相似理論，7種工況模型試驗風速等效的真實車速為18 km/h、36 km/h、54 km/h、72 km/h、90 km/h、108 km/h、126 km/h，結合空氣阻力系數定義和圖6中數據，可反向計算出模型對應的全尺寸車輛實際行駛空氣阻力，進而計算出對應的功率損耗，如圖7所示。

圖7 全尺寸車輛行駛空氣阻力功耗

由圖7可以看出，對于履帶裝甲車輛：行駛車速大于72 km/h時，用于克服空氣阻力所消耗的功率急劇增加；高速(126 km/h)行駛時，用于克服空氣阻力消耗的功率損失為20～30 kW.

4 結論

采用相似理論，開展多種履帶裝甲車輛微縮比例模型風洞試驗，測試7種風速工況的模型迎風空氣阻力，獲取了履帶裝甲車輛空氣阻力系數，結果表明：

1)采用基于風洞試驗的履帶裝甲車輛空氣阻力測試方法能夠有效獲取車輛空氣阻力系數。

2)自行高炮類型車輛帶有雷達和較高炮塔的特征，影響空氣阻力系數較為突出，空氣阻力系數最大，在0.97～1.03之間，設計可取0.99；主戰坦克空氣阻力系數次之，在0.89～0.94之間，設計可取0.92；兩棲突擊車、步兵戰車等類型車輛空氣阻力系數最小，在0.80～0.86之間，設計可取0.83.

3)當履帶裝甲車輛行駛車速大于72 km/h時，用于克服空氣阻力所消耗的功率急劇增加。