真实风条件评估空气动力阻力在道路距离预测中的应用

摘    要   

使用静态偏航角变化进行风洞测试和数值模拟的车辆空气动力学评估，已成为评估车辆在各种风况下性能的标准做法。然而，这种方法没有考虑到动态风效应，例如来自变化的风况、经过的其他车辆和道路障碍物的风效应，以及环境湍流带来的瞬时非均匀风况。在作者的先前工作中，展示了一种考虑动态风况和道路湍流的计算流体动力学（CFD）仿真方法，显示了风况对车辆空气动力学的重要影响。该技术允许在一系列瞬时阵风条件下对车辆进行测试，同时考虑来自上游车辆的风湍流和自然环境风波动。通过使用湍流速度波动的频谱、强度和尺度，这些风波动被表示为数值仿真中的瞬时边界条件。

本文采用该方法来确定在代表加州高速公路典型风况下的代表性驾驶循环中，电动汽车的空气阻力，从而支持预测单次电池充电下的电动车辆续航能力。进行了一个长时间的瞬态仿真，风况通过一个规定的循环变化，代表了主导风变化、阵风和道路湍流。为了理解风变化对车辆空气动力学的重要影响，结果分别展示了每个风况的效果，并通过使用规定的风循环的加权平均值来呈现。

01  前    言 

汽车空气动力学的目标是了解车辆在驾驶过程中产生的力和力矩。通常，工作重点放在设计能够改善车辆空气动力学性能的组件上，包括减少阻力、保持适当的升力大小和平衡，以及偏航力和偏航力矩。此外，还必须考虑其他因素，如造型、客户舒适度、法规要求和制造可行性，这些都是现代量产道路车辆生产过程的一部分。

空气动力学工程师有三种主要方法来评估空气动力学性能：风洞测试、计算流体动力学（CFD）模拟和道路测试。每种方法都有其独特的优势和劣势，必须作为评估过程的一部分来理解。原则上，道路测试最具吸引力，因为它使用了真实世界环境中的代表性车辆。然而，实际上存在一些复杂因素，这使得道路测试成为现代空气动力学中最不受欢迎的方法之一。为了与风洞或CFD模拟的精确度相匹配，必须非常准确地计算作用在车辆上的负载。此外，这种负载还包括其他寄生损失的贡献，如轴承和传动系统摩擦、轮胎滚动阻力以及车辆的辅助系统。这些贡献必须被理解、最小化并去除，以便从实际测量的道路负载中计算空气动力学负载的大小。进一步复杂化的是，环境中的风自然会发生变化，即使在看似静止的日子里，通常也会有一些不稳定的背景风，并且预测完全静止的条件是一个不利于广泛、持续、可重复测试的困难过程。

目前评估阻力的行业方法是通过SAE J2263定义的滑行程序。车辆加速到高速，然后变速器挂到空挡，阻力作用下车辆减速。记录该过程的速度-时间历史，通过微分求得加速度，从而得到净阻力。这种派生的阻力与速度关系被称为道路负载曲线。对结果数据集应用二次曲线拟合，其系数分别表示二阶、一阶和常速项中的相对负载比例。传统上，二阶项被认为仅代表空气动力负载，但实际上很少与从风洞测试或CFD获得的阻力系数相匹配。虽然该方法适用于里程和续航预测，但对设计过程的分辨率还不够。

需要为测试准备好车辆，找到具有低风的平直铺装地点，并拥有数据采集系统，这使得道路空气动力学开发变得更加复杂。

风洞测试提供了道路测试的许多优点，但是在实验室环境中，能够控制风况。现代风洞采用单个宽的滚动带，以准确代表地面平面的物理条件（Vground =Vair），并具有两级吸力边界层去除系统。车辆和道路可以相对于风向旋转，以模拟偏航风况。与道路测试一样，使用实体车辆能让结果更有信心，并且还能非常精确地控制诸如流速、流动角度和湍流水平等流动参数。然而，在风洞中产生中等湍流水平——这一主导道路环境的特征——是很困难的。可以使用高阻力设备（如筛网或网格）来产生非常小尺度（并因此快速衰减）的湍流。在另一个极端，大尺度系统使用主动系统生成大尺度湍流。研究表明，路上遇到的湍流大多介于这两种风洞中可生成的湍流之间。文献中提到的研究已着手开发中等湍流水平的生成方法，但目前在非学术测试环境中还没有此类系统。此外，滚带系统与测试段的静止地面之间的界面会产生不自然的流动特征，尤其是在高偏航角下，这些特征会与车辆的流场相互作用。

CFD仿真方法的独特之处在于其虚拟环境，这带来了更大的挑战，但也允许更深入的边界条件定义和结果分析。特别是在求解器精度、几何表示和离散化方案方面需要给予详细关注，这些都不是简单的过程。然而，一旦建立了关联（最好是在各种车辆配置和流动条件下进行关联），CFD方法就可以灵活地定义条件以评估车辆。湍流可以以任何水平添加，也可以模拟瞬态偏航曲线，这是目前量产车风洞中无法实现的条件。由于这种附加能力，本研究旨在更好地理解车辆行驶时可能遇到的典型路况，并将这一学习应用于进一步扩展CFD仿真，以复制这些风模式。

02  动机

    本研究的动机来自于多个影响车辆空气动力学性能以及客户对车辆能力认知的因素。众所周知，阻力系数的增加会影响车辆的性能，特别是对最大速度和续航里程的影响。因此，当下许多道路车辆空气动力学工程师的工作重点都放在减少阻力上，尤其是那些将续航或效率确定为关键参数的车辆。对于电动汽车而言，续航里程一直是其关键性能指标之一，既影响个人消费者的购买决策，也影响电动汽车（BEV）动力系统的广泛接受度。续航里程和效率也对BEV的经济可行性有重大影响，因为电池储能系统是车辆中最昂贵的部件。减少阻力因此可以被视为在固定的车辆成本下增加续航里程，或是在固定的续航里程下降低成本，或者是两者的结合。通过对车身上部表面进行精心的塑造以及添加底部护板，可以显著提高续航里程。由于这些改变的成本相对较低，它们对电动车制造商来说是一种极具吸引力的非常规降低车辆成本的手段，同时还能提供客户期望的性能。

    对于流线型车体来说，量化阻力比较直接；而对于钝体来说，流场由较大的分离区域组成，这些区域具有高度的瞬态性。钝体空气动力学的湍流特性意味着作用在车身周围的压力会随时间变化，因此作用在车身上的力和力矩也会随时间变化。CFD和风洞测试的车辆测试系数历史表明，阻力值会有10%以上的波动。由于这种湍流特性适用于道路车辆，研究动态效应以及时间平均值在空气动力学领域中变得越来越普遍。在这些研究中，车辆正常行驶时的非稳定环境需要进行量化。车辆很少在静止空气中行驶。此外，道路风况的研究表明，中等程度的偏航角和湍流是常态。湍流特性主要分为三种状态，取决于周围环境：在没有障碍物的情况下，湍流尺度较大且强度较低；在有道路边缘障碍物（RSO）的地方，湍流尺度中等，强度适中；在有交通和高层建筑的城市环境中，湍流尺度较短且强度较高。先前的研究描述了湍流结构的典型长度尺度，大约相当于几辆车的长度。这意味着高速公路上的车辆将穿越足够大的结构，足以使车辆周围的流场被视为动态偏航条件，而不是简单的零偏航条件叠加湍流。在先前的论文中，已经对这辆车的动态偏航和上游湍流进行了研究，但主要是为了减少偏航模拟的计算成本。本研究旨在通过结合道路测试中收集的空气动力数据来更准确地定义湍流环境，进一步扩展这些工作。