强侧风条件下商用车的仿真考虑

摘要

随着对显著提高燃油经济性的需求不断增长，重型商用车辆的空气动力学测试受到越来越多的关注。必须克服影响风洞模拟保真度的各种挑战，才能充分发挥复杂空气动力学处理的潜力。首先，有限数量的风洞可用于大规模测试此类车辆。作者认为，为赛车的大型或全面测试而开发的设施可能是一项重要资源。其次，风洞中的地面模拟导致了各种类型的移动地平面（MGP，又名滚动道路（RR））系统的发展。关于具有大偏航角的车辆的 MGP/RR 系统的行为出现了问题。实际上可以推断，在风洞中完全模拟开放道路上的侧风条件可能是不切实际的。这是因为大气侧风形成了很深的边界层剖面，使得移动车辆看到的合成流入流有效地弯曲。最后，用于汽车测试的主流边界校正方法主要集中在阻力上，具有合理对称的流场。较大偏航角的相对较长的车辆会产生高度不对称的流场，因此需要开发更复杂的边界校正方法。虽然现实世界条件（即侧风）的计算模拟似乎更容易一些，但需要仔细探索各种选项以获得最佳结果。

现代商用车辆设计以及相关的空气动力学测试程序都承认，在大部分使用寿命内这些车辆中都在强侧风条件下运行。比如，SAE“风平均”阻力系数基于在来自任意方向的代表风中以代表速度运行的加权平均CD。 商用车辆，尤其是8级卡车，往往对侧风相对敏感，至少部分原因是这些车辆的长度。在±15°的偏航角范围内以典型的道路速度进行风洞测试通常足以填充SAE方程。然而，商用车的风洞测试往往会因为模型的物理尺寸、地面模拟不足或其他因素而受到影响，所有这些都会导致各种问题。

图1 采用先进空气动力学处理的现代 8 级车辆

本文将尝试解决其中的一些问题，包括合适的测试设施的可用性、边界校正对理想测试模拟的不可避免的妥协，以及最后的地面模拟。

道路侧风会形成较深的大气边界层剖面，如图2中的一般情况所示。车辆的道路速度导致车辆处的相对速度场强烈弯曲。地表的正确模拟条件对应于沿车辆中心线的轴向速度，对应于车辆的道路速度。 偏航的“Rolling Road”（RR）或“Moving Ground Plane”（MGP）将满足此条件。 在车辆和RR/MGP偏航的情况下，在地面上方的某个特定高度也建立了正确的条件，但无法正确表示流动曲率。

图2 车辆在侧风中看到的相对速度（一般情况：绿色-侧风；蓝色-轴向；红色-合成）。

侧风空气动力学的意义

SAE 风平均阻力系数由以下公式使用列表中的加权系数给出：其中 ψ 是车辆偏航角，M 是加权因子：

在阻力方面，众所周知，8级卡车往往比普通乘用车对侧风（即空气动力学偏航角或侧滑角）更敏感。 这是由于车辆长度增加，这导致在车辆的背风侧形成明显的流动分离，这往往会扩大车辆的尾流，也有助于产生涡流阻力。 例如，典型车辆的风平均阻力系数在15°偏航时可能比相应的直线前进值高 50%，如图3所示。 将此比率计入 SAE 风平均阻力系数，假设CD随偏航的代表性变化，风平均系数增加了0°和15°值之间差异的约20%。可以看出，考虑偏航时的空气动力学设计并因此在这些条件下进行空气动力学测试很重要。

图3 8类卡车阻力系数随横摆角的代表变化

需要注意的是，车辆在侧风中的稳定性问题，包括方向稳定性、转向响应和侧翻，是非常重要的，但超出了目前的工作范围。

试验设备要求

三大类风洞似乎与此特定测试要求相关：

1. “全尺寸”风洞（即 100% 比例模型）

2. “大型”风洞（即 ≈25-50% 比例模型）

3. “中等规模”风洞（即 ≈10-15% 规模）

边界干扰评估与校正

地面车辆的边界干扰评估和修正问题主要集中在对固体和尾流阻塞引起的阻力测量的修正。 由于测试部分的不均匀速度梯度引起的校正，特别是在开放式射流测试部分的情况下，是相关的。 已经开发了中等复杂程度的实用技术，例如“Hackett”方法，它使用壁压特征来确定测试模型位置中少数奇异点的强度，然后用于计算必要的更正。

在8级卡车的情况下，由于其长度，偏航的车辆表示基于投影面积的大阻塞。由于包围典型车辆的长方体可以假定为大约75 英尺（长）×13.5 英尺（高）×8.5 英尺（宽），很容易看出投影的正面面积在偏航角15°。粗略地说，车辆的前部靠近测试路段的左侧边界（正偏航，面向上游），而后部靠近右侧边界（正偏航，面向上游）。然而，重要的是要注意，任何横截面的物理阻塞实际上与基线相比几乎没有变化。也就是说，前方站点的物理阻塞向左倾斜，但在幅度上与直行的情况相似，而下游站点的物理阻塞则向右倾斜。显然，测试部分中的诱导流动，因此壁压特征，现在表现出明显的不对称性。在经典边界干扰评估中没有考虑这些影响。

经典的壁面特征方法以Hackett等人开发的方法为代表，其中使用源、汇和涡流的简单组合来表示远场压力分布（即壁面压力特征）。 一旦确定了源的强度，就可以从经典的图像方法中进行阻力校正。 涡流将用于以类似方式开发升力校正，但主要适用于飞机模型的测试。 图 4 显示了该方法的基本要素。

图4 Hackett方法的说明

应该观察到沿 x 轴对齐的源和汇会形成对称的流场。 很明显，卡车在大偏航角的情况下会产生不对称的流场，因此可能需要更精细的方法来估计边界修正。

举例来说，已经在具有代表性的实壁测试部分中对具有可变轴向长度的高度理想化的车辆几何形状进行了一些计算。 选择的车辆几何形状恰好对应于众所周知的“Ahmed”模型，尽管它滚动了90°，因此车辆变得比宽度高。 图9显示了几何形状。离地间隙设定为车辆宽度的17.4%。如图5所示，车辆在其参考长度处计算流量，并且长度增加了大约 50% 和 100%。请注意，选择的测试部分大约是模型长度的10倍（从而消除了显著的端效应），因此图 6 实际上显示了3个不同的测试段长度。

图5 修改的 Ahmed 模型几何

图6 模型长度

图7、8、9总结了经典干扰评估和校正技术中将使用的示例壁压特征。在这部分研究中，使用了商业有限体积 CFD 软件包 STAR CCM+。模型以 15° 的偏航角放置，车辆的上游端位于固定位置。 测试部分的长度逐渐增加到车辆长度的十倍。0°偏航时的阻塞率为5.7%。 网格中使用了超过500万个单元，并在车辆周围和所有实体边界附近聚集。 使用了分离的稳态 RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯方程）求解器和两方程 SST k-ω 湍流模型。

图7 显示壁压特征的 15° 偏航角的修正Ahmed模型

图8 15°偏航时加长 (+50%) Ahmed模型

图9 15°偏航时加长 (+100%) Ahmed模型

很容易看出，壁压特征的不对称分量在较长的车辆外壳中占主导地位。 如果将奇点模型用作干扰评估的基础（如在哈克特方法中），则必须引入某种形式的不对称，例如偏离中心线的源分布，或者可能是横向定向的双峰，或者通过其他一些技术。

使用 SolidWorks™ 中的 Flow Simulation 模块进行了额外的边界干涉评估。 这里的求解器设计得非常健壮且易于使用。虽然接近模型的解的精度肯定不如前面描述的Star CCM+ 解，但远场可能具有相当的代表性，因此适合通过壁压特征进行边界干扰评估。此外，易用性和非常快速的解决方案（在这种情况下，在标准笔记本电脑上只需几秒钟）使其成为边界干扰研究的潜在有用工具。

选择的模型是前面描述的修改后的Ahmed几何。 风洞被建模为具有无粘性边界条件的简单管道，大致对应于以50 m/s运行的ODU低速风洞试验段。在这种情况下，旋转轴位于模型的质心，与之前的CFD解决方案略有不同。图10和11显示了标准模型和相应的壁压特征（红色为高压，蓝色为低压）。

图10 SolidWorks 计算模型，0° 偏航

图11 壁压特征，0° 偏航

15度偏航的相应模型如图 12、13、14所示。应该注意的是，流场现在是不对称的，如本文前面所讨论的。

图12 SolidWorks 计算模型，15° 偏航

图13 壁压特征，左侧，15° 偏航

图14 壁压特征，右侧，15° 偏航

模型长度现在逐渐增加，如前所述，分别增加了大约50%和100%。如图 15、16、17、18、19、20所示，可以看出壁压特征变得高度不对称，局部低压/高速在靠近车辆前端时特别明显。

图15 加长型 (+50%)，15° 偏航

图16 壁压特征 (+50%L)，左侧，15°偏航

图17 壁压特征 (+50%L)，右侧，15°偏航

图18 加长型 (+100%)，15° 偏航

图19 壁压特征 (+100%L)，左侧，15°偏航

图20 壁压特征 (+100%L)，右侧，15°偏航 进一步的工作将通过计算与测试部分相关的不同模型尺寸来量化边界干扰。还将与Star CCM+结果进行正式比较，以验证 SolidWorks Flow Simulation在此应用程序中的使用。

公路和风洞流场的地面模拟

如参考文献1中所述，标准做法是用1/7幂律剖面近似大气侧风。 美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 的基础数据基于在地面以上32英尺处测量的风速，因此为了进行风洞测试，在测试中再现了路面上方10英尺左右高度处的侧风速度。 这导致了道路条件和传统风洞测试之间的根本差异，其中车辆的流入在风洞中或多或少是平行的（在风洞自己的地板边界层之上），但是是扭曲的 在路上的情况下。 图21说明了这个问题。

图21 实际侧风造成的扭曲流动（示意图）

如图20所示，由于侧风速度剖面符合路面无滑移条件，因此车辆与路面空气之间的相对速度与零侧风情况相比没有变化。 目前仅考虑地面边界条件，因此如果要使用 RR/MGP，则应将RR/MGP速度设置为车辆的道路速度，将风洞速度设置为稍高的值是合乎逻辑的 ，所有车辆和RR/MGP偏航。 现在建立了部分相似性，在路面和某些选定的参考高度（例如 10 英尺）处具有“正确”条件。 在这两个点之间，风洞中的速度大小和方向可能相对于道路情况不正确，因为在传统风洞中实际上不可能再现侧风速度分布和随之而来的扭曲流。

参考文献2和3报告了广泛的实验和计算工作，旨在量化不完整模拟的影响并研究计算校正的可能性。 参考几何形状是参考文献 4中描述的“戴维斯”模型，它类似于汽车。 该模型流线型良好，底部光滑，除了一个小的扩散器，因此被认为对地面模拟相对不敏感； 也许不是此类研究的最佳选择。与在适当速度和偏航角下设置的 RR/MGP 相比此处报告的其他近期工作侧重于固定地板风洞的流场差异。

图22显示了计算网格、模型几何形状和 RR/MGP 占据的矩形地板区域。 测试段很长，以避免流域上下游端的影响。 图 23 和 24分别显示了 0 度和 15 度偏航情况下模型尾流中的总压力等值线。 可以看到尾流压力分布的差异，这不可避免地与模型表面压力分布的差异有关，因此与阻力和升力系数有关。

图22 用于地面模拟研究的计算网格

图23 戴维斯模型近尾流中的总压力等值线，0°偏航。 RR/MGP（上）、固定地面（下）

图24 戴维斯模型近尾流中的总压力等值线，15°偏航。 RR/MGP（上）、固定地面（下）

参考文献 5 中介绍了具有更高偏航灵敏度的更复杂车辆的底部流动结果，并在此处进行了扩展以突出地面模拟的效果。具有参考正面区域的 6.5 英尺床皮卡车的通用几何形状为 36.7 平方英尺，使用的外部尺寸分别为 20.3 英尺、7.2 英尺和 7.5 英尺的长度、宽度和高度。面积阻塞率为 2.2%。CAD 模型捕获了通用皮卡车的基本特征，如图 25所示，但省略了侧视镜和车身曲率等次要特征，这些特征被认为对主要流动结构。带有轮子和轮腔的车身底部配置包括更广泛的细节。为每种情况生成一个非结构化网格集，在车辆表面、拐角、曲面和车身底部区域附近聚集，如图26所示。平均而言，该域中使用了大约 200 万个单元。本研究在求解器设置和湍流建模方面使用了与之前描述的类似 CFD 建模方法。

图25 通用皮卡车模式

图26 计算网格的细节

从图27和28中可以看出，这种几何形状对地面模拟表现出更大的明显敏感性，尾流中的总压力变化很大，尤其是在车辆偏航时。

图27 皮卡模型近尾流中的总压力等值线，0° 偏航。 RR/MGP（上）、固定地面（下）

图28 皮卡模型近尾流中的总压力轮廓，15° 偏航。 RR/MGP（上）、固定地面（下）

部分参考文献：

[1]SAE Recommended Practice “Wind Tunnel Test Procedure for Trucks and Buses”. SAE Standard J1252, Rev. July 1981.

[2]Chen, M., Mokhtar, W., Britcher, C., and McGarry, J., “Experimental and Computational Aspects of Ground Simulation for Vehicles in Strong Crosswind Conditions,” SAE Technical Paper 2014-01-0588, 2014, doi:10.4271/2014-01-0588.

[3]Chen, Mau-Kuo: “Use of a Rolling Road System in Crosswind Conditions”. PhD Dissertation, Old Dominion University, August 2013.

[4]Surface Vehicle Information Report “Aerodynamic Testing of Road Vehicles - Open Throat Wind Tunnel Adjustment”, SAE Standard J2071, Rev. JUN 1994.

[5]Mokhtar, W., Pervez, N.; “Underbody Drag for Pickup Trucks”, 30th AIAA Applied Aerodynamics Conference, New Orleans, LA, AIAA 2012-2231, June 2012.

文章来源：

Britcher, C., Mokhtar, W., and Way, S., "Simulation Considerations for Commercial Vehicles in Strong Crosswind Conditions," SAE Technical Paper 2014-01-2452, 2014, doi:10.4271/2014-01-2452.