基于汽車實際行駛姿態的氣動力風洞試驗分析

張好運，廖思耀，范廣軍

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司（風洞中心），天津）

前言

在國家“雙碳”背景下，各類節能減排政策對汽車的能耗要求越來越嚴苛，與之息息相關的汽車空氣動力學性能現已成為汽車最為重要的性能之一。汽車風洞條件可控、重復性好，是目前作為驗證汽車空氣動力學性能的主要手段，但其測試方法與真實道路的差異將嚴重影響空氣動力學開發的真實性及降阻方案實際應用的有效程度，因此，開展基于實際汽車行駛姿態的氣動力特性測量的風洞實驗具有十分重要的現實意義。

1 汽車風洞實驗的概述

汽車風洞是一種可以人工產生和控制氣流，并通過配備的各類測量裝置來度量氣流對物體的作用以及觀察物理現象的管狀設備[1]。汽車風洞實驗是根據特定汽車設計要求在風洞中進行汽車升力、阻力和氣側傾力矩、俯仰力矩等空氣動力學特征值的測量工作。在整車研發環節中，通過運動的一致性和相似性等原理開展階段性氣動力特性優化與迭代，并最終達成汽車空氣動力學的性能指標[2]。

2 汽車風洞實驗中天平與車輛的連接方式描述

2.1 汽車風洞常用的固定模式

隨著風洞測試技術以及相關設備的不斷發展，采用五帶式道路模擬系統的整車氣動聲學風洞逐漸推廣。汽車在風洞中的連接方式主要是通過配備在天平試驗平臺上的限位裝置來實現試驗車輛的固定[3]。采用固定模式進行連接的風洞實驗可確保試驗車輛在實驗過程中自身姿態不會出現改變，圖1 為固定模式下被測車輛與天平連接的情況。然而，固定模式也存在一定缺陷，使用該模式的風洞實驗無法真實有效的模擬實際汽車道路行駛中的姿態[4]。

圖1 車輛與天平以固定模式連接

2.2 中汽中心氣動聲學風洞的浮動模式

中汽中心氣動聲學風洞配備的天平除固定模式外，還有可以釋放掉對車輛Z 方向的約束力，僅約束X、Y 方向的浮動模式連接，圖2 為分量示意圖，此方法保證實驗過程中車輛的姿態與實際道路行駛時的姿態變化是一致的。

圖2 分量示意圖

3 基于不同連接方式的汽車風洞實驗與實際道路汽車行駛的差異分析

固定模式下的風洞試驗，汽車懸架系統無法發揮作用，車輛姿態不會發生改變，進而所測得的數據與實際道路的行駛車輛便存在較大差異[5]。圖3 為通過天平試驗臺上的支撐桿對試驗車輛進行固定的試驗示意圖。

圖3 基于天平試驗臺固定模式下的汽車風洞試驗

而車輛在實際道路行駛過程中，由于空氣以一定流速流經車輛，并在車輛底盤與地面邊界層產生地面效應，使得車輛底部的空氣流速逐漸減小，從而壓力有所增加。與此同時，空氣流過車身上表面時，氣流流速加快、空氣壓力進而減小，最終使得車輛底部壓力超過上表面壓力，進而產生升力以及俯仰力矩。而且汽車輪胎在旋轉過程中，由于與地面接觸會出現轉動變形，進而對空氣流動造成疊加影響，如圖4 所示。表1 是獲取的浮動模式下的多類型車輛前后軸變化參數表，分析表1 可知，所有試驗車輛的車身姿態在不同速度下均出現上浮情況，一般車輛上浮范圍在3～4 mm，性能車輛上浮范圍在2～3 mm，這是因為離心力的產生會使輪胎半徑增加，而性能車采用扁平比較高的輪胎，進而半徑增大量相比于一般車輛而言較小。

表1 浮動模式下的車輛前后軸變化參數表

圖4 實際道路汽車行駛的氣動力學分析示意圖

4 基于汽車實際行駛姿態的風洞試驗方法優勢

目前國內唯一可模擬汽車實際行駛姿態的氣動力特性測量的風洞，可在試驗過程中釋放對車輛Z 向的約束，使車輛自身懸架系統始終處于工作狀態，達到模擬車輛在實際道路行駛時懸架系統狀態的效果。由于試驗車身姿態可伴隨車輪轉動以及氣動力/力矩等影響因素的變化而變化，在浮動模式下的氣動力風洞試驗可最大程度的保證氣動六分量的準確性和真實性。尤其是對氣動升力要求較高的性能跑車/賽車在指定配載下的實際道路車身姿態、伴隨車速不斷變化的主動裝置(即空氣懸架、主動格柵、主動尾翼等)的氣動力風洞試驗更應采用浮動模式進行測試。

5 車輛氣動力特性結果的對比與討論

5.1 汽車風阻系數的對比與討論

汽車風阻系數是判斷汽車在行駛過程抵抗風力能力的重要指標之一，其汽車風阻理論計算公式如下：

式中，Cd為氣動阻力系數；F 為氣動阻力；ρ 為空氣密度；V 為空氣流速；A 為迎風面積。通過計算公式不難發現，空氣流速越大，對氣動阻力系數影響越明顯[6]。因此本次試驗設定空氣流速為140 km/h，其試驗結果見圖5。

圖5 多類型汽車的氣動阻力系數試驗結果

分析可得采用浮動模式獲得的汽車氣動阻力系數均大于采用固定模式，且差值范圍在0.001～0.003之間。這是因為試驗車輛在浮動模式下，車身尾部整體的負壓區范圍擴增，車輛前后的壓差阻力也隨之增加，最終導致浮動模式下的整車氣動阻力系數高于固定模式。由此可見，浮動模式測得的汽車風阻系數，可為降阻方案的實際應用效果提供有力數據支撐。

5.2 汽車氣動升力系數的對比與討論

汽車氣動升力系數是指汽車在受到空氣阻力時，其自身升力與參考面積和流體壓力的乘積之比。本試驗同樣設定空氣流速為140 km/h，其試驗結果見表2和表3。

表2 多類型汽車的整車氣動升力系數試驗結果

表3 汽車的前軸與后軸氣動升力系數試驗結果

數據分析可得，根據車輛的前/后軸升力的差異，車身姿態呈現出不同的變化趨勢，并且一般車輛前軸上浮幅度大于后軸，性能車輛前后軸上浮較平均，可得如下結論：（1） 車身姿態上浮，浮動模式下的氣動升力增大；（2） 車身姿態俯沖，升力減小；（3） 車身姿態后仰，升力增大。主要原因有：（1） 一般車輛質心靠近前軸，靜止狀態下前輪受壓變形較大；（2） 性能車輛前后軸質量分布較均勻，輪胎受壓均勻；（3）試驗車輛在浮動模式下的自身尾部由于升力/力矩的影響而升高，導致車輛底盤與地面邊界層的厚度出現下降；（4） 試驗車輛在固定模式下的車身尾部高度不會受到氣動升力/力矩的影響而改變，車輛底盤與地面邊界層的厚度便基本不發生變化，車身尾部上下壓力自然相對穩定。綜上所述，針對前軸/后軸升力分布不平衡的車輛而言，通過使用浮動模式進行風洞測試可以在保證足夠安全的前提下，獲得更加準確的試驗數據。

5.3 浮動模式下汽車偏航狀態結果的分析

在浮動模式下測量的偏航狀態結果能夠反應出車輛在實際行駛過程中的道路姿態，具體數值見表4。

表4 浮動模式下的多類型汽車偏航狀態結果

經數據分析，可知偏航工況下，模擬實際道路姿態與固定姿態之間的力矩差異較大，其中側傾力矩差異在7～23 count 之間、俯仰力矩在3～12 count 之間、橫擺力矩在0～2 count 之間。因此為驗證主動格柵、主動尾翼、空氣懸架等隨車速變化的主動裝置的氣動改善效果時，應注意其會受到力矩的作用會改變車輛的姿態，進而帶來疊加或減弱的氣動效果。

6 結論

汽車空氣動力學是研究空氣流體途徑汽車表面時的運動規律及其和汽車如何相互影響的科學。汽車風洞試驗是主要的研究方法，本文通過分析國內首個基于汽車實際行駛姿態的氣動力風洞試驗原理及方法，闡述釋放車輛Z 向約束的新型浮動模式的優勢，并通過對多類型車輛風洞試驗結果的分析與論述，證明該風洞試驗的準確性與先進性，為我國后續汽車空氣動力學的研究奠定了夯實基礎。