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真实风条件评估空气动力阻力在道路距离预测中的应用

2024-09-24 07:46:47·  来源：AutoAero  
　
将有效的数据点平均，得出了长途驾驶的代表值。贝克斯菲尔德数据集的平均偏航角为1.84度，圣奥诺弗雷数据集的平均偏航角为0.49度，标准偏差值分别为2.03度和2.59度。这与之前的经验一致，即基于美国的气象数据推算到地面的任意车辆行驶的平均偏航角在1.5至3.0度之间。此外，先前在文献【6】中对同一测试车辆和统计湍流长度尺度进行的分析也与这些数值相符。图3中展示了偏航角的直方图，以及根据湍流频谱预测的偏航角分布。贝克斯菲尔德部分的分布与偏航角的统计预测相似，低偏航角的概率略高，高角度的概率较低。圣奥诺弗雷数据表明，偏航角峰值较低，如平均值所量化的那样，这可能是由于当地地形屏蔽了更多的高速公路，而贝克斯菲尔德段则没有。未来将继续进行更多的延长驾驶数据收集，但这些结果表明湍流频谱预测的偏航角分布确实能代表现实条件。这些结果表明，设计优化时应优先考虑小偏航角（1到3度），而不是零度。

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图3. 统计湍流和两个长途驱动的概率与偏航角

短途驾驶


    除了进行长途驾驶以了解广泛的风况分布外，还确定了一个短途驾驶循环，以便可以多次重复行驶。这段路线位于加利福尼亚州普拉亚德尔雷的Dockweiler海滩旁边的Vista del Mar（图2）。该道路直接位于海洋旁边，通常会有稳定且较高的风况。道路大约三英里（五公里）长，笔直且平坦，进一步方便了数据采集。特别注意不包括因必要的转向或靠近交通而被破坏的数据集，虽然公共道路的性质意味着路边障碍物的变化（如停放的车辆、标志和山丘）会增加某种程度的变化。所有数据都在恒定车辆速度下采集，使用了巡航控制。作为后期处理的一部分，仅包含那些车辆速度、偏航角、功率输出和海拔保持相对稳定的（即均值变化较小）的数据集。合格的数据被进一步划分为两秒的时间段，以便更全面地填充结果，而不至于不公平地偏重较短的片段。最后，所有数据集的功率值被调整为标准化的25米/秒的纵向速度。这与CFD创建偏航流动的方法相一致，其中在固定的纵向速度上叠加了侧风分量，而不是通常的风洞测试中的固定合成速度。

    图4显示了原始数据集，作为驱动逆变器功率与偏航角的关系。虽然出现了两个明显的簇，但原因并不立即显现，而不是表现出单一趋势。进一步分析表明，数据簇根据行驶方向区分。南行时采集的数据偏向右侧（偏航角较大）且功率水平较低，而北行时采集的数据功率水平较高。为了纠正这种偏差，后处理时进行了两个修正。

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图4. 未经校正的数据中功率与偏航角的关系，按行驶方向标记

    首先注意到探头安装时并没有完全平行于车辆中心线，这导致了轻微的入射角。遗憾的是，无法在本文的时间范围内对探头在车辆上的安装进行风洞测试校准。相同的安装方式在一个静风日（根据气象数据和采集数据时的主观判断）被用来提供一个偏移量，计算出的偏移量为1.91度，并且调整    了图4中数据的左右位置，此修正也应用于长途驾驶数据。第二个修正是为了校正道路上存在的轻微坡度。这一修正使两个数据集更为一致，如图5所示。

    尽管这些修正有助于创建一个一致的趋势，但数据中仍然存在显著的离散性，使得从这些数据中估算阻力系数成为一种统计练习，而不是实际近似车辆空气动力学效率的方式。使用公共道路带来了许多未知因素，其中一些可以在数据处理时解决（如道路坡度），但另一些则很难预测和考虑。道路表面质量的变化、交通条件的变化以及路边障碍物（如停放的汽车、标志和山丘）增加了探头或车辆数据采集系统中信号的噪声。未来，这些数据可以用于证明在更受控条件下的测试，减少外界影响。通过赛道测试实现可重复的高风条件是一个关注点。

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图5. 功率与偏航角的关系，按湍流强度区分，并带有线性回归

    然而，对数据的进一步分析揭示了有关数据离散性的信息。数据还根据湍流水平进行了排序。按湍流强度（TI = sigma/V）划分的数据，结合每组的线性回归，显示了湍流对阻力的影响，除了偏航角。较低的湍流强度显示出更高的斜率，因此其偏航对阻力的敏感性更高，且Y轴截距较低，这表明在相关偏航角范围内，较低的湍流强度带来较低的阻力值。相反，高湍流强度的数据斜率较小，Y轴截距较高。这表明增加的湍流总体上减少了偏航对阻力的敏感性，但仍然会增加特定偏航角下的阻力。

    数据表明，湍流强度与功率消耗之间存在线性趋势。在更加受控的环境中进行进一步的测试，将有助于更精确地控制影响湍流生成的变量。还需要评估是否能够在物理测试（风洞或道路测试）中实现所需的湍流生成频谱。然而，更加受控的测试环境有助于减少数据离散性，更准确地定义偏航、湍流和阻力之间的关系。

    这一过程的最终目标是能够计算车辆的实际道路阻力系数。基于这些结果进行了第一次尝试，但仍需要非常详细地了解非空气动力学的功率消耗源（如轮胎滚动阻力和传动系统损失）。未来在专用赛道上进行进一步测试，如前所述，将有助于更好地控制这些变量。然而，可以设想，现有过程可用于未来的设计变更的背靠背测量。

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