試驗場瞬態風環境氣流特性研究

【摘要】為研究試驗場實際道路瞬態風環境氣流特性，在實車和道路側安裝風環境參數采集設備，采集了瓊海試驗場、鹽城試驗場直線性能路風環境參數，包括風速、偏航角、湍流強度、湍流積分尺度等，分析結果表明，試驗場氣流特性與仿真環境和風洞實驗室的氣流特性存在明顯差異，試驗場風速波動范圍為±4 m/s、偏航角波動范圍為±5°，滿足標準正態分布，湍流強度為2%～10%，湍流積分尺度為2～20 m，脈動風速譜基本滿足馮·卡門（von Kármán）湍流譜。

關鍵詞：瞬態風環境 偏航角 湍流強度 湍流積分尺度 脈動風速譜

中圖分類號：U467.5" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240372

Study on Transient Wind Characteristics in Test Sites

Liu Man， Chen Long， Huang Xianbo， Luo Zemin， Hu Zhengquan

（GAC Ramp;D Center， 510000）

【Abstract】By installing the four-hole probe on the hood of a vehicle and some pressure taps on the surface of the vehicle to collect the wind flow parameters such as velocity， yaw angle， turbulent intensity， turbulent length scale， spectra etc.. In this study， transient wind characteristics on two test sites （Hainan Automobile Proving Ground and Yancheng Automobile Proving Ground） are investigated. The results showed that there are significant differences in the wind flow characteristics between the test site and wind tunnel experiments and numerical simulations. The wind velocity in the test site fluctuates within the range of ±4 m/s， the yaw angle fluctuates between -5° and 5°， and the yaw angle distribution follows the standard normal distribution， the turbulence intensity is almost in the range of 2%～10%， the turbulent length scale is 2～20 m， and the measured spectra show a good correlation to the empirical von Kármán spectra.

Key words： Transient wind characteristics， Yaw angle， Turbulent intensity， Turbulent length scale， Spectra

【引用格式】 劉漫， 陳龍， 黃憲波， 等. 試驗場瞬態風環境氣流特性研究[J]. 汽車工程師， 2025（2）： 30-34.

LIU M， CHEN L， HUANG X N， et al. Study on Transient Wind Characteristics in Test Sites[J]. Automotive Engineer， 2025（2）： 30-34.

1 前言

汽車空氣動力學的研究逐漸從穩態向瞬態轉變，從僅關注零偏角到關注多角度側風工況，開發工況越來越接近汽車真實行駛風環境。

近年來，通過在實車上安裝測量設備進行道路試驗以獲得實際道路瞬態風環境工況的研究較多，并有研究人員通過在風洞實驗室增加裝置模擬實際道路瞬態風環境工況。2007年，Lindener等[1]通過道路試驗獲取了汽車行駛時的風環境參數，包括湍流強度、積分尺度等，并在風洞實驗室模擬了道路瞬態風環境工況。2008年，Lawson等[2]在道路上測量某掀背式汽車的側窗玻璃風壓系數，發現測得的表面壓力對氣流偏角的平均靈敏度約為穩態風洞試驗中測量數值的一半。2016年，Stoll等[3]分別在斯圖加特大學風洞實驗室模型風洞和全尺寸風洞噴口位置加裝翼型裝置，模擬的實際道路瞬態強風工況和弱風工況與實際道路采集工況吻合相對較好。2017年，Yamashita等[4]在豐田全尺寸風洞噴口上部和下部分別安裝可調節頻率的阻尼板和三維翼型裝置，模擬實際道路瞬態風環境工況。2020年，Jessing等[5]在德國高速公路上對某轎車進行了氣動效應測量，結果表明，風洞試驗和數值仿真需要考慮道路瞬態風環境工況。

基于上述背景，本文針對試驗場滑行路段風環境開展研究，通過在2款實車上安裝眼鏡蛇四孔探針，并在道路側安裝三維超聲風速儀，采集試驗場滑行路段風環境氣流特性，包括風速、偏航角、湍流強度、湍流積分尺度、風速譜等，以期為車輛氣動減阻降噪附件的開發提供支撐。

2 道路試驗準備

2.1 車輛整備

本文針對瓊海試驗場和鹽城試驗場直線性能路風環境特性數據進行采集。測試車輛如圖1所示，瓊海試驗場測試車輛在發動機罩和車頂安裝眼鏡蛇四孔探針，鹽城試驗場測試車輛在發動機罩距車輛前端約2/3位置處安裝眼鏡蛇四孔探針。為獲取試驗場完整風環境參數，在測試道路側布置Gill WindMaster Pro三維超聲風速儀，試驗用傳感器及其布置情況如圖2所示。

2.2 測試設備風洞標定

本文路試設備標定在全尺寸整車風洞中進行，該風洞為回流式整車風洞，噴口尺寸為6.4 m×3.25 m，試驗段長度為17.2 m，來流湍流度小于0.1%，氣流偏角小于0.2°。四孔眼鏡蛇探針可測量最大風速為40 m/s，精度為±0.5 m/s，風向測量角范圍為±45°，最高采樣頻率為8 000 Hz。

2.3 參數定義

根據汽車行駛氣流方向定義坐標系，設汽車行駛方向的反方向為X軸正向，順時針旋轉90°為Y軸正向，垂直車頂平面向上方向為Z軸正向，如圖3所示。

根據四孔探針測得的X、Y、Z向風速時程，可計算出風速、偏航角時程變化、平均風速、平均偏航角以及湍流強度、湍流積分尺度等，其中湍流強度、偏航角計算方式如下：

[I=I2u+I2v+I2w] （1）

[θ=arctanVU×180/π] （2）

式中：Iu=σu/[U]、Iv=σv/[U]、Iw=σw/[U]分別為X、Y、Z方向的湍流強度，σu、σv、σw分別為X、Y、Z方向的脈動速度均方根值，[U]為來流平均速度，[θ]為偏航角時程，V為Y向風速時程，U為X向風速時程。

3 道路試驗風洞標定

本文道路試驗的目的是獲取實際道路風環境參數，為消除車身對測試結果的影響，路試前在風洞實驗室對設備安裝位置及方式進行標定。根據文獻[5]，選取在發動機罩距車輛前端約2/3位置處安裝眼鏡蛇探針，通過實驗室激光初步調整探針水平位置和垂直位置，然后通過采集數據分析結果微調探針，最終使探針偏航角和俯仰角變化與空氣動力學天平變化基本一致。

表1所示為眼鏡蛇探針偏航角標定結果，隨著空氣動力學天平角度變化，偏航角誤差隨角度增加而增大，當偏航角為5°時，最大誤差為2.982 0°，該誤差一部分來自眼鏡蛇設備的中軸線與空氣動力學天平中軸線之間的偏差，另一部分可能來自車身對流場的干擾。眼鏡蛇探針偏航角變化趨勢與天平轉角的變化趨勢基本一致，如圖4所示，基本滿足預期。俯仰角一致性較好，3次測量最大誤差為-1.307 6°，滿足工程誤差要求，如表2所示。

4 道路風環境

本文主要針對瓊海試驗場和鹽城試驗場直線性能路風環境氣流特性進行研究，瓊海試驗場的數據為連續7天（2023年11月11～17日）采集獲得，包含晴天、陰天、早間、午間、晚間工況，共獲取324組有效數據。在鹽城試驗場采集了2個晴天（2024年4月23～24日）早間、午間、晚間的風環境數據，共提取72組有效數據。

圖5、圖6所示分別為瓊海試驗場120 km/h勻速行駛條件下的風速和偏航角的時程曲線，受道路環境風的影響，汽車來流方向的氣流并非勻速，風速和風偏角均存在明顯的脈動現象。雖然鹽城試驗場和瓊海試驗場的風速、偏航角變化曲線不同，但脈動幅值基本一致，風速均在±4 m/s范圍內波動，偏航角在±5°范圍內波動。

對鹽城試驗場72組偏航角數據及瓊海試驗場324組偏航角數據進行概率統計分析，得到偏航角分布情況如圖7所示。由圖7可知，鹽城試驗場和瓊海試驗場偏航角均滿足正態分布，鹽城試驗場偏航角分布均值μ=0°、方差σ=2.178 1 （°）2，瓊海試驗場偏航角分布均值μ=-0.072 8°、方差σ=1.076 8 （°）2。由于鹽城試驗場數據量相對較少，其偏航角分布相對瓊海試驗場略顯分散。試驗結果表明，樣本數量越大，試驗場偏航角分布情況越趨近標準正態分布。

圖8所示為偏航角與湍流的關系，由圖8可知，鹽城試驗場和瓊海試驗場的湍流強度基本分布在相同區間，即2%～10%。

圖9、圖10所示分別為鹽城試驗場和瓊海試驗場采集的其中一組數據的X、Y、Z方向的風速譜，與馮·卡門（von Kármán）湍流譜相比，在低頻部分，道路采集數據略高，在高頻部分略低，整體吻合較好。通過譜函數分析統計，鹽城試驗場和瓊海試驗場湍流積分尺度在2～20 m范圍內。

5 結束語

本文通過在試驗車輛和試驗場路測安裝風環境參數采集設備獲取試驗場瞬態風環境參數，對試驗場風速、偏航角、湍流強度、湍流積分尺度等進行研究，分析結果表明，試驗場氣流特性與風洞實驗室穩態試驗環境存在明顯差異，試驗場風速在±4 m/s范圍內波動，偏航角在±5°范圍內波動，滿足標準正態分布，湍流強度為2%～10%，湍流積分尺度為2～20 m，脈動風速譜基本滿足馮·卡門湍流譜。

試驗場瞬態風與仿真環境、風洞實驗室穩態風不同，故在實車氣動性能開發過程中應考慮瞬態風的影響。在車型開發階段，可通過在仿真算法中增加實際道路風環境工況參數作為計算邊界條件，應用于氣動外造型開發，亦可在車型驗證階段通過在風洞實驗室增加用于模擬實際道路風環境工況的裝置，用于實車氣動附件的開發。

參考文獻

[1] LINDENER N， MIEHLING H， COGOTTI A， et al. Aeroacoustic Measurements in Turbulent Flow on the Road and in the Wind Tunnel[J]. SAE Transactions， 2007， 116： 1481-1500.

[2] ANDREW A， LAWSON D B， WILLIAMS S， et al. Effects of on-Road Turbulence on Vehicle Surface Pressures in the A-Pillar Region[J]. SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems， 2008， 1（1）： 333-340.

[3] STOLL D， SCHOENLEBER C， WITTMEIER F， et al. Investigation of Aerodynamic Drag in Turbulent Flow Conditions[J]. SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems， 2016， 9（2）： 733-742.

[4] YAMASHITA T， MAKIHARA T， MAEDA K， et al. Unsteady Aerodynamic Response of a Vehicle by Natural Wind Generator of a Full-Scale Wind Tunnel[J]. SAE International Journal of Passenger Cars - Mechanical Systems， 2017， 10（1）： 358-368.

[5] JESSING C， WILHELMI H， WITTMEIER F， et al. Investigation of Transient Aerodynamic Effects on Public Roads in Comparison to Individual Driving Situations on a Test Site[J]. SAE International Journal of Advances and Current Practices in Mobility， 2020， 2（5）： 2585-2595.

（責任編輯 弦 歌）

修改稿收到日期為2025年1月3日。