中国汽研（CAERI）气动风洞对标及修正研究

中国汽车工程研究院股份有限公司（简称：中国汽研、CAERI）整车气动-声学风洞已于2019年6月落成，并投入使用至今。为更好的为国内外主机厂提供优质风洞试验服务，助力各大车企的新车型研发、标准认证、产品对标等工作，同时，为了让国内广大汽车气动性能开发人员了解国内外风洞差异，使国际上优秀车型的风洞试验结果与国内风洞测试结果具有可比性，中国汽研与德国FKFS风洞展开合作，与国际风洞修正研究权威，FKFS高级专家Merker博士联合进行中国汽研整车气动风洞的对标与修正研究工作。FKFS（德国斯图加特内燃机与车辆研究所）作为世界上最著名的汽车技术研究机构之一，在风洞测试及研发领域处于世界最前沿水平，这次合作也促进CAERI风洞研究技术的提高与进步。

1.  风洞对标

本次整车气动风洞对标及修正研究工作基于两辆对标车辆（1辆轿车及1辆SUV），由CAERI工作人员分别于德国FKFS风洞及重庆CAERI风洞根据标准测试工况进行相同工况的风洞测试。整个测试过程中，未对车辆进行任何拆解或破坏工作，保持车辆在两风洞中测试状态不变。


图1 风洞测试对标车辆

两辆对标车辆风阻系数CD测试结果及工况贡献量结果汇总如下：

表1 风洞对标CD系数测试结果



图2 不同工况方案贡献量对比（上：轿车 下：SUV 贡献量ΔCD=Case X-base）

根据对标测试结果，无论轿车或SUV，FKFS风洞CD系数测试结果均大于CAERI风洞测试结果，轿车平均相差约9个counts，SUV平均相差约8个counts。但在不同工况方案的贡献量对比中，轿车及SUV的工况贡献量在FKFS及CAERI风洞中均呈现相同的变化趋势，且变化量基本一致，测试结果具有可比性，由此在CAERI风洞与FKFS风洞之间进行进一步的相关性分析，并拟合出两风洞之间的CD系数相关性函数，如图3。


图3 FKFS与CAERI风洞CD系数相关性

根据拟合的CD系数相关性函数关系式可知，相关性系数R2=0.99763，接近于1，拟合关系较好。通过相关性函数关系式，FKFS或者CAERI风洞中测试数据能够直接换算成另一座风洞中的测试值，而不需要额外测试，换算值与风洞实际测试值基本一致，有着较高的可信度。通过相关性函数关系式，能够极大的拓宽各风洞之间的数据交流，使得彼此之间的数据具有可比性。同时，能够提高汽车空气动力学性能开发过程中的风洞协同开发能力，使得新车开发可以在更广的风洞群范围内开展，缩短试验周期，节约成本，提高研发效率。

2.  CD系数修正

由风洞对标测试的工况差异比较、贡献量分析、相关性函数分析结果可知：两风洞之间CD系数测量值存在一定差距，但差异值相对固定；且两风洞之间能够建立良好的风洞相关性关系，形成相关性函数。由此推测FKFS风洞与CAERI风洞之间CD系数差异属于系统性差异，可以进行进一步CD系数修正，减小或者消除差异。

CAERI与FKFS风洞均属于典型的开口式（3/4喷口）风洞。对于此类风洞，国际上广泛采用Merker修正法进行修正。以FKFS与CAERI风洞对标测试车辆基础状态为例，修正结果如表2。

表2 对标车辆基础状态修正结果


根据对标车辆基础状态修正结果，修正前，FKFS风洞与CAERI风洞中轿车与SUV的CD系数分别差7、6个counts，修正后，FKFS风洞与CAERI风洞的CD系数分别差2.2、0.5个counts，修正效果明显。FKFS风洞中轿车与SUV总修正量分别为-6、-6.8个counts，CAERI风洞中轿车与SUV总修正量则是-1.2、-1.3个counts，且CAERI风洞无论轿车或SUV各项修正量均小于FKFS风洞中的各项修正量，表明CAERI风洞受到各种风洞修正因素的影响更小。本文中CD系数修正主要对风洞结构、风洞参数的影响进行修正，工况变化对于修正结果影响不大，不同测试工况修正量基本一致，可达到与基础状态修正类似效果。

综上，通过修正能够减小风洞之间的测试结果差异，减小由于风洞结构（如：喷口、收集口、有限流场范围）、物理参数（如：静压梯度）差异造成的影响，使得风洞测试环境尽可能的贴近真实道路环境。建议在风洞测试结果应用过程中（如：风洞法计算、油耗评估），须将风洞测试结果进行修正，排除风洞自身因素造成的干扰。此外，国内的空气动力学性能开发环境目前以CFD仿真为主，CFD仿真开发基于一个理想的、无干扰的流场计算域，与风洞测试环境有着较大差异，需要事先将风洞测试结果进行修正，尽量消除风洞的物理条件限制，才能进行CFD仿真结果与风洞测试结果之间的对标分析。

3.  结论

根据两车辆在两座风洞中的对标结果可知，不同风洞中同一工况测试值存在一定差异，但在工况贡献量上，其变化趋势一致，变化量基本相差不大，同时两座风洞之间能建立良好的风洞相关性关系，形成相关性函数。

通过CD系数修正，可以减小由不同风洞结构、风洞参数造成的测试影响，修正后能够明显减小两风洞之间CD系数的测试差异。CD系数修正值更合适应用于CFD对标、风洞法、排放、油耗等研究工作。

研究表明，相比FKFS风洞，CAERI风洞风阻系数测试值受到风洞修正因素的影响更小，现有CAERI风洞测试车辆总修正量均在1个count左右，数据更加真实。根据FKFS风洞Merker博士建议，目前CAERI风洞测试结果及报告中，未应用任何修正方法进行修正，如客户需要，CAERI风洞可在后续报告中提供修正结果。客户亦可参照本文CAERI风洞对标车辆的总修正量进行修正。

4.  附录 整车气动风洞CD测试值修正影响因素