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感知型汽车空气动力学标准模型——CAERI Aero Model

2020-12-04 19:59:01·  来源：中国汽研汽车风洞技术  作者：黄滔  
　
中国汽研风洞中心和清华大学徐胜金老师团队联合研发的感知型CAERI Aero Model，不仅可以满足传统汽车标准模型支撑汽车外气动造型设计优化以及开展风洞试验对标、
中国汽研风洞中心和清华大学徐胜金老师团队联合研发的感知型CAERI Aero Model，不仅可以满足传统汽车标准模型支撑汽车外气动造型设计优化以及开展风洞试验对标、校准等功能，而且配备了多种传感器，可实现环境物理量参数实时测量以及模型、测量系统间的信息交互，并且配备了阶背、快背、方背以及皮卡四种尾部造型，创新了汽车空气动力学标准模型的概念。本期将介绍CAERI Aero Model的基本构造和功能。

1. 标准模型简介

在风洞测试中，国外研究者提出了不少特征鲜明的用于汽车空气动力学研究的标准模型，这些标准模型不仅为汽车外形设计与评价提供了优化参考方案，还可为汽车风洞试验对标、校准、测试技术开发、检验CFD计算精准度等提供对标和验证模型。此外借助标准模型，也增强了汽车空气动力学行业内的交流，成为一种交流语言。

迄今为止，国外已经发展了多种汽车空气动力学模型。以模型的气动外形的复杂程度来分类，可以划分为简化钝体模型、简单汽车模型和复杂汽车模型，模型的轮廓和表面越来越复杂、也越来越接近真车。

简化钝体模型省略了汽车上绝大部分的细节，如车轮、后视镜、进气格栅等，且对外形线条和表面也进行了高度简化，SAE和Ahmed模型是最著名的简化钝体模型之一，如图1所示。

图1  SAE和Ahmed模型
 
简单汽车模型与简化钝体模型相比，其外形与汽车更为接近，也更符合实车尺寸比例，但为了加工便利，简单汽车模型的外形通常以平面代替曲面，较著名的简单汽车模型有Chrysler模型、MIRA模型等。

图2  Chrysler模型、MIRA模型
 
随着汽车外形越来越复杂，前面提到的两类模型由于简化无法再现复杂的流动现象，比如车底部流动和车轮腔室流动。为此，慕尼黑工业大学（TUM）空气动力学与流体力学研究所开发了一个通用的汽车外气动模型（DrivAer模型），包括３种型式的尾部和２种型式的底盘结构，是最著名的复杂汽车模型之一。
 
图3   DrivAer模型
 
2. CAERI Aero Model

传统的汽车空气动力学研究在稳态或者准稳态下进行，对瞬态数据测试能力要求不高，而非稳态汽车空气动力学存在强瞬态性、流场和气动力强相关性等特征，现有的汽车风洞稳态测试技术大多不能够准确捕捉这些特征，因此为了顺利开展非稳态汽车空气动力学的研究，前期有必要对感知型空气动力学标准模型、风洞多物理量联合测量技术等基础内容开展研究，以进一步增强瞬态测试技术储备，扩充风洞测试手段，为开展非稳态汽车空气动力学研究提供基础。

鉴于此，中国汽研风洞中心和清华大学徐胜金老师团队联合研发了具有“感知”功能的“智慧型”汽车空气动力学模型——CAERI Aero Model。该模型借鉴物联网思维，实现模型、测量系统间的信息交互，创新了汽车空气动力学标准模型的概念；该模型配备了多种传感器，可实现环境物理量参数（温度、湿度及气压等）、模型姿态位置以及流场物理量的测量。

图4 CAERI Aero Model各类传感器布置示意图
 
CAERI Aero Model配备有四种尾部造型设计，包括阶背、快背、方背以及皮卡尾部造型。在底盘设计中，为了能让模型更接近实车状态，采用复杂底盘设计，包括排气系统、悬架系统、真实车轮以及各类下护板等详细结构；在发动机舱设计中，设计有接近真实的、完整的发动机系统和冷却系统，最大限度地还原了实车情况。
图5  CAERI Aero Model四种尾部造型配置示意图
 
图6  CAERI Aero Model四种尾部造型配置实物图
 
图7 CAERI Aero Model复杂底盘设计及真实发动机舱设计
 
此外，为了能够实现感知功能，对CAERI Aero Model主体骨架进行了优化设计，在标准模型的前、中、后以及内部均设计了传感器布置区域，能够满足各类环境物理量参数的测量需求，从而使得该标准模型可以用于风洞非稳态气流标定、不同风洞数据相关性研究和对标等工作，可为非稳态空气动力学研究奠定前期基础。
 
图8 CAERI Aero Model各传感器布置区域
 
3. CAERI Aero Model风洞试验
任何风洞试验，因为风洞的不同、测试手段的不同、试验者的不同等都可能增加试验结果的不确定度。利用统一的标准模型进行风洞试验，可以减小由待测模型带来的不确定性，从而更加有效的完成汽车风洞对标工作。

目前，中国汽研风洞中心已完成CAERI Aero Model的风洞对标试验（见图9）。部分试验结果，如不同背部造型的角度扫略测试结果如图10所示。

图9 风洞试验中的CAERI Aero Model
 
图10  不同背部造型的角度扫略测试结果
 
后续中国汽研风洞中心将基于CAERI Aero Model展开更多研究工作，如底盘空气动力学、轮胎空气动力学等，这将进一步提升中国汽研风洞中心的试验、仿真分析能力，进一步开拓更先进的风洞测试技术，为车企新车型空气动力学性能提升以及我国汽车空气动力学技术进步提供强大的技术支撑。
 
 
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