近距离横向行驶道路车辆的气动阻力

 摘    要   

道路上车辆之间的空气动力学相互作用可以改变车辆在孤立、均匀风条件下的燃料使用和温室气体排放。对此进行了一项全面的风洞研究，以检查邻近车道上车辆所经历的空气动力阻力的变化。对两种一般配置进行了风荷载测量：轻型车辆（LDV）模型的15%比例测试，重型车辆（HDV）模型为6.7%比例测试。对于轻型车辆研究，DrivAer模型与邻近的AeroSUV模型或Ahmed模型在横向距离下进行了测试，横向距离分别为典型公路车道间距的75%、100%和125%，纵向距离为前后2个车辆长度。对AeroSUV车型与DrivAer或Ahmed车型相近。对于HDV研究，半挂车模型与单个或相邻车道模型的组合进行了测试。在一系列偏航角上进行了测量，从而可以进行风平均阻力评估。

相对于孤立的车辆条件，观察到阻力系数的变化约为25%或更多。相邻车道接近车辆效应会增加或减少车辆的阻力，当车辆模型并排或HDV后端与另一辆车重合时，效果最强。LDV模型配对表明，对于两辆车的布置，一辆车增加的阻力可以通过另一辆车减少的阻力来抵消，并且应在整体车辆系统性能的背景下检查邻近车辆的影响。

01  前    言 

对超车事件的研究表明，超车和被超车车辆的气动载荷都发生了可测量的变化，许多此类研究表明，在相邻车辆之间没有相对运动的情况下也存在这种影响。Howell等人回顾并总结了研究超车事件的历史重要性。20世纪60年代至80年代的空气动力学研究部分是为了检查必要的发动机功率要求，但主要是为了检查小型轻型汽车通过大型卡车时的空气动力学稳定性问题。他们指出，车辆重量的增加和动态稳定性的增强消除了在车辆设计中考虑特定超车事件的需要，但目前车辆轻量化以满足更严格的温室气体排放法规的趋势再次引发了人们对空气动力学稳定性的担忧。Howell等人还讨论了许多稳态的结果以及动态测试，表明准稳态近似值适用于中等超车速度，而这种近似值高估了更高超车速度的动态载荷，尽管没有对准稳态方法有效的差速范围进行严格限制。然而，这些数据表明，基于静态模型评估的准稳态建模方法为中等公路通过速度（高达行驶速度的20%左右）提供了可靠的结果，对于较高的速度差则较为保守。在他们对汽车超车大型卡车所经历的风荷载的实验研究中，Howell等人得出结论，超车过程中的气动荷载将超过汽车单独承受的风荷载。Schröck和Wagner强调，当按被超越车辆的速度缩放时，被超越车辆上的动态载荷可能是准稳态假设的两倍多。Howell等人的总结表明，如果按超车车辆的速度进行缩放，动态载荷相对于准稳态假设会有所衰减，从而提出一个重要的点是，为了建模而进行缩放需要仔细考虑缩放数据的适当速度。Jakirlic等人通过时间分辨模拟方法研究了超越中型车辆形状时DrivAer Notchback模型上的瞬态载荷。他们的结果表明，对于阻力系数等性能载荷，准稳态方法是合理的，但使用准稳态方法可能会略微低估基于稳定性的载荷（侧向力和偏航力矩）。很少有研究从能源支出和温室气体排放的角度研究邻近效应，而这是当前工作的主要重点。Shimizu等人也注意到了同样的观察结果。他们试图研究超车场景中产生阻力的流动机制，试图将这些影响纳入车辆的形状优化中。他们主要通过邻近模型对基础压力变化的影响来检查阻力变化，并展示了C柱形状的变化，这些变化在超车事件中提高了阻力性能。Dasarathan等人研究了半挂车组合在相反方向上相互通过时的瞬态气动载荷。在他们的工作中，当车辆靠近时，由相对车辆的尾流引起的瞬态载荷（其作用类似于射流）比压力场引起的载荷引起的阻力、侧向力和升力系数的增加要大得多。在上述同向超车研究中，尾流效应引起的气动载荷变化通常与峰值近距离值相等或更小。上述大多数研究以及其中包含的参考文献表明，与超车事件相关的车辆阻力发生了可测量的变化，一些相对的车辆位置导致阻力降低，一些导致阻力增加。这些研究通常也关注两辆车中的一辆车上的载荷，或单独检查每辆车的动态载荷。没有找到关于多车系统净载荷以及增加和减少载荷的组合如何相互抵消或放大的直接信息。许多研究指出，作为许多道路上因素之一，近距离车辆载荷的重要性，而其他工作显示了尾流和湍流效应的重要性，但没有一个研究考察了两者的综合影响。本研究旨在初步探讨在典型交通场景下，相邻车道接近车辆对静态风荷载（主要是气动阻力）的影响。测试使用三个15%比例的轻型车辆（LDV）模型彼此接近，并使用一个6.7%比例的重型车辆（HDV）模型与轻型车辆（LDV）和中型车辆（MDV）模型接近。进行这些测试是为了检查对纵向位置、横向间距、临近车辆尺寸/形状以及侧风和尾流条件的敏感性。目标是确定这种影响的重要性，相对于其他因素，并确定这些调查是否对量化真正的道路空气动力学性能很重要。

02  实验方法

风洞设置

      实验在NRC 2米× 3米风洞设施中进行，采用地面-车辆接地板装置。接地板用于测试移动的表面物体，如车辆，因为它允许风洞底板上的边界层通过两种机制被移除：从接地板前部开始的新边界层，位于转盘中心上游2.82米；而吸力系统，通过位于唱盘中心上游1.75米至0.94米之间的一系列穿孔板，将这个新的边界层吸过地板。图1显示了15%比例的LDV测试设置和接地板安装。

图1    NRC 2 m ×3 m 风洞中的地面车辆地面板设置（顶部 - 逆风视图。Bottom - 顺风视图）

      在目前的研究中，带有内部负载传感器的车辆模型安装在转台的中心，而被动接近模型安装在主模型的侧面，如图1所示。      尾迹导线系统安装在接地板表面，如图1所示，但没有用于本文的实验。      为了提供具有道路代表性的风力条件，说明大气湍流和影响在远场交通和道路侧障碍物中，NRC道路湍流系统（RTS）用于2米× 3米风洞的整个测试活动。RTS是一种被动湍流产生系统概念，它利用安装在风洞沉降室中的大型障碍物。RTS的部分可以在图1的顶部照片中看到。      图1还显示了当前研究中用于测试子集的尾流发生器系统。该原型版本的道路交通和湍流系统（RT2S）在其他地方有详细描述，它由多孔网格和垂直安装的叶片与RTS结合组成，以提供代表道路交通状况的风速赤字和气流角分布。该系统安装在接地板系统的前端。

汽车模型

      15%比例尺LDV接近试验采用4种车辆模型进行15%比例尺试验。对其中两款车型（DrivAer和AeroSUV）进行了测量，而另外两款车型（Ahmed和HDV）严格用作接近模型。如图2所示，三个研究模型（DrivAer， AeroSUV和Ahmed）是使用选择性激光烧结（SLS）进行3D打印的，而HDV模型则是由硬质泡沫雕刻而成。模型描述如下：      DrivAer车型：DrivAer车型是由Technische Universität München开发的，是当时宝马3系和奥迪4系的混搭车型，于2012年推出，有两厢车、快背车和旅行车三种车型。最初的车型提供了光滑和详细的车身下方选项，后来又推出了一个带有发动机舱和冷却流道的版本。该车型的两厢型用于本次研究。如图2左栏所示，包括详细的底盘和发动机舱/冷却流道。      AeroSUV模型：FKFS与Röchling Automotive合作，于2019年推出了Aero-SUV模型，该模型是对驾驶员形状的改编，具有适用于常见SUV形状的约束和尺寸。AeroSUV的标准配置包括一个带冷却通道的发动机舱和一个详细的底盘。为了进行这项研究，AeroSUV车型在设计上出现了一个疏忽，导致从发动机舱到前轮舱之间没有冷却气流通道，因此所有的冷却气流都排放到了车身下方区域。本研究使用了Estateback变体，如图2的中间栏所示。      Ahmed模型：如图2右栏所示的这种简化形状是Ahmed在20世纪80年代引入的，目的是提供一种与典型道路车辆相似的崖体特征的形状。几何图形使用圆形的前边缘和所有其他边缘的尖角。常见的配置包括各种斜背角，具有确定的流动分离特性，从而导致不同类型的阻力和升力特性。本研究采用25°的斜背角。      HDV模型：一个简单的重型卡车模型也被用作接近模型，如下所示。这个模型的尺寸按15%的比例代表一辆较大的中型车辆或一辆公共汽车。

 图2    15% 比例 LDV 车型：DrivAer 槽背模型（左）、AeroSUV estateback 模型（中）、Ahmed 25° 斜背模型（右）

     DrivAer和AeroSUV车型都在前格栅后面模拟了散热器系统，以表示对冷却流量的适当阻力。使用了两层多孔筛网材料，为通过模型这部分的预期风速提供了约为12的压降系数。Zhang等定义的Aero-SUV散热器的尺寸压降特性转化为试验风速下的压降系数约为11，因此认为在目前的研究中，冷却流量应该是合适的。对于这两个模型，一些测量是在封闭的冷却通道（用胶带封住）下进行的，以检查邻近车辆对冷却阻力的影响。为了在临近车辆存在的情况下对空气动力学变化进行额外的检查，一些测量移除了反射镜。      主要车型（DrivAer或AeroSUV）使用单一流线型支柱安装在转盘中心的接地板表面。车轮是垂直可调的，从表面被提高约2毫米。对于LDV接近模型，在转盘表面安装了一个13毫米高的低轮廓纵向导轨。邻近模型通过3d打印的流线型支柱安装到该导轨上，类似于主模型支柱。对于轮式近似车辆模型，车轮被定位为接触地面以保持稳定性。对于Ahmed模型，小的泡沫块被用在角落以提供稳定性。接近模型可以沿着轨道的长度放置在任何地方。使用了两条轨道。在转台的前部和后部使用了一根短轨，使转台能够旋转整个近似模型设置，使风在纵向位置吹到主模型的一个车辆长度的前方和一个车辆长度的后方。短轨的三个横向位置代表一个典型车道宽度（3.7米）±该车道宽度的25%，以表示车道内真实交通的转移。图3显示了Ahmed模型与AeroSUV模型相邻的这三个位置。较长的轨道用于定位接近模型和额外的模型长度向前或向后（±2长度）的标准车道宽度位置。如图4所示，AeroSUV车型在DrivAer车型前后的极端位置。对每一个只安装了接近轨的主要模型的初步测量表明，轨对风荷载测量没有可测量的影响。

图3    LDV接近模型横向配置：0.75车道宽度（左），1车道宽度（中），1.25车道宽度（右）

图4    LDV接近模型纵向配置：2.0车长后（左）和2.0车长前（右）

      在标准车道宽度处，仅使用了近似LDV模型的一个位置，即以主要LDV模型为纵向中心。HDV接近模型如图5所示，与DrivAer模型相邻。

图5    LDV与HDV接近模型

      由于高偏航角的各种限制，包括自动偏航定位和接近模型振动，这些测试的偏航角范围被限制在±10°。偏航增量为2.5°用于±1辆车的长度范围，5°用于更远距离的测试。      表1的顶部提供了四个模型的基本维度。      为研究近距离车辆对HDV气动性能的影响，采用了较小的比例尺。6.7%比例（1/15比例）的HDV模型代表了一辆短枕式驾驶室高顶半挂车与一辆53英尺的干式货车拖车配对，这在之前的研究中有记录。所测试的该模型的两种变体，包括标准拖车和低阻力拖车（带有拖车裙摆和尾部），如图6所示。半挂车模型由一个安装在铝框架上的3D打印外壳组成，同时连接着一个轻型铝制拖车箱。所有的车轮和底盘细节都是使用SLS 3D打印的。该模型连接到安装柱，该安装柱通过拖车模型的前下表面插入到拖拉机车架的驱动桥区域之间。

图6    HDV模型：半挂车前视图（左），标准拖车后视图（中），带侧裙和船尾的拖车后视图（右）

     在近距离车辆研究中，定义了一个单一的横向偏移，代表一个典型的车道宽度为3.7 m（比例尺为0.247 m）。本研究使用了短轨，将接近模型定位限制在HDV模型前后约一个LDV长度。HDV研究中使用的接近模型也是先前研究中的现有模型，包括轿车模型（CAR模型）、SUV模型和中型卡车（MDV）模型。它们的维度列在表1的下半部分。图7显示了汽车和SUV车型的相对尺寸，与HDV车型相比，汽车和SUV车型的尺寸也显示了使用的标准横向间距。在HDV接近性研究中选择了6个纵向位置，接近模型位于HDV模型鼻后的以下位置：-0.26、0、+0.26、+0.52、+0.78、+1.04 HDV长度。对于CAR模型，这些位置如图8所示。CAR和SUV车型分别和一起进行了测试。图7显示了测试的两种多距离车辆配置，其中一种是CAR模型领先于SUV，另一种是SUV模型领先于CAR模型。为MDV模型选择了两个邻近位置，代表MDV和HDV模型之间的基座鼻部重合的场景，如图9所示。

图7    CAR和SUV车型接近的HDV模型

图8    HDV模型与相邻CAR模型在所有纵向测试位置

图9    HDV模型与接近MDV模型

表1   车型尺寸，由（prox）确定的邻近模型

仪器

       用内部六分量天平测量了传递给试验模型的风荷载和力矩。LDV型号使用ATI Gamma系列称重传感器，额定阻力和侧力为±130牛，升力为±400牛，三个力矩为±10牛。HDV模型使用了JR3型号E5E15A4M63J-EF称重传感器，额定阻力和升力为±400 N，侧向力为±1000 N，三个力矩为±125 Nm。测压元件信号以3,125 Hz的速率采集，并以200 Hz的截止频率进行低通滤波。本研究中使用的其他仪器也需要高采样率，但本文未对此进行讨论。       根据预先标定的风洞流动条件（收缩压力、静压、温度）计算试验段的流动条件，这就解释了地面板上方和下方通道之间的气流分裂。在每个测试条件下，所有数据的采集时间为10秒。为了模拟横风场景，测量在转台偏航位置±15°范围内进行，增量为2.5°。

数据处理

力和力矩的测量：本文用力系数来表示汽车模型的气动性能。

式中，Qref为参考动压力，A为表1中模型的锋面面积。力和力矩是通过负载传感器的六个输出信号（测量持续时间内的平均值）来计算的，这些信号通过校准矩阵组合在一起，以提供传感器坐标系中的六个单独的力/力矩值。为了限制研究结果的冗余性，本文没有给出力矩系数数据。横摇力矩和偏航力矩系数的变化趋势与侧力系数的变化趋势相似，俯仰力矩的变化趋势与升力的变化趋势相似。

      在大多数单车辆试验条件下，模型堵塞约为1%，因此不对力系数进行堵塞修正。邻近模型试验在测试段中具有较高水平的堵塞，因此可能需要对堵塞进行修正才能获得真正具有代表性的结果。然而，在多体系统中的应用并不简单，因此这里没有尝试。目前的接近模型测试的目的是检查影响的趋势和相对程度。虽然提出了力系数的大小，但这些受堵塞影响但未经修正的结果预计不会改变研究的结论。      不确定性的估计: 根据SAE J1252中定义的方法，结合偏误差和随机误差估计计算力系数结果的不确定性估计。孤立的DrivAer Notchback模型被用作样本案例，以估计LDV模型测试的随机不确定性大小，因为它具有最多的重复测试运行次数（6次重复）。基于a的最多三次重复运行，独立评估了基于给定模型配置中HDV模型的随机不确定性估计。这些随机不确定性通常随着偏航角的增加而增加。偏差-误差不确定度根据仪器供应商指定的不确定度进行评估。测量不确定性的主要组成部分是运行-运行随机变异性，通过在整个测试过程中重复六次DrivAer Notchback隔离模型测试（包括完全拆卸和重新安装模型）来评估。因此，这导致与测量差异（例如）相关的不确定度与主要测量的不确定度(例如)。本报告中提供的测量包含误差条，以确定估计不确定性水平的95%置信区间。以LDV模型为例，在0°偏航角时阻力系数的不确定度为0.0025，在10°偏航角时阻力系数的不确定度为0.0045，其不确定度为1% ~ 1.5%。平均风阻系数：除了在每个偏航角计算单个阻力系数值外，还计算了所有偏航掠角的风平均阻力系数（WACD），这是HDV气动研究中常见的。在这项研究中，这些数据是假设地面速度（Ug）为105 km/h来计算的。代替典型的SAE定义的计算风平均阻力系数的方法，采用了更精确的一般形式。作者首先将该方法引入到与两辆卡车排风洞研究相关的其他HDV近距离车辆结果中，在交通中HDV测量中，两种方法之间的差异超过1%。这种通用方法更适合于在阻力系数中具有强烈偏航不对称性的车辆性能测量，例如本研究中进行的接近模型测试。      虽然这种方法需要更大的偏航角（大约±15°，而不是SAE方法的±7°），但数据收集可以限制在±10°左右，而不会产生大的误差。这最初是对限制在±10°偏航角范围内的接近模型测试的关注，但需要提高这种计算WACD的一般方法的精度。基于对偏航角超过±10°的情况应用的低权重，可以假设任何超出该范围的CD值等于对应的10°偏航角（正或负）的值，根据对一些隔离车辆±15°数据集的检查，在使用全偏航范围值时，WACD值在该值的0.5%以内。风速平均阻力系数的不确定性估计为ldv模式测量值为δWACD =±0.003，hdv模式测量值为δWACD =±0.006，计算差值估计相似（）。

流动条件

             在本次试验活动中，在6.7%和15%的模型比例尺下，大多数试验条件都选择了50 m/s的自由流风速。在底板表面形成的附面层通过一堆皮托管探针测量。根据这些测量，计算出ldv模型前缘的边界层厚度为3.6mm，后缘的边界层厚度为4.7 mm。虽然本文没有给出边界层厚度影响的数据，但我们观察到了车辆模型气动性能的差异。在没有吸力的情况下，模型的阻力系数降低了约2-3%，这是由于冲击模型下部和底体的流速降低了。      NRC道路湍流系统（RTS）旨在提供代表车辆在现实世界中所经历的风的尺度湍流谱。McAuliffe和D 'Auteuil记录了RTS的发展，包括在NRC 2米× 3米风洞中使用的中等规模版本。湍流强度的纵向、横向和垂直分量分别为2.9%、4.3%和4.0%，对应的长度尺度分别为0.09 m、0.41 m和0.34 m。这些测量值代表了从接地板表面上方150mm到600mm，距离中心线±600mm范围内的平均流动情况。

测试矩阵

             通过三组实验研究了相邻车道的接近效应。前两个是LDV模型的15%比例，而第三个是HDV模型的6.7%比例。LDV研究选择的接近位置范围为纵向±2个车辆长度，横向定位为±25%的车道宽度。在HDV研究中，仅检测了一个横向位置（单车道宽度），接近模型的末端在卡车机头前方或卡车基座后方突出约1乘用车长度。      对于LDV模型测试，对于距离主模型在±1辆车长度范围内的接近模型，可以在±10°范围内进行自动偏航扫描，增量为2.5°。对于较大的纵向间距，达到±2辆车的长度，较长的安装轨道可以防止测试期间的偏航运动，并且要求在每个测试状态之间关闭风。对于这些较大的距离，在相同的±10°偏航角范围内获取数据，但由于数据收集时间较长，数据增量为5°（而不是2.5°）。如表2所示，DrivAer和AeroSUV主要车型的测试程序是相同的，唯一的区别是主要接近模型，因为只有一种DrivAer车型和一种AeroSUV车型可用。正L位置表示初级模型后面的接近模型，负L位置表示初级模型前面的接近模型。驾驶员的大部分接近模型测试都是在靠近车道的位置使用AeroSUV进行的，反之亦然。对每种发动机进行了选择数量的附加测试，以检查尾流效应对组件阻力变化（阻塞冷却或去除反射镜）的影响。Ahmed模型被用作每个数据集的次要接近模型，以提供两个数据集之间的共同参考。每个车型（DrivAer和AeroSUV）还在相邻车道上使用简化的HDV/MDV模型进行了测试。各种距离模型配置如图3到5所示，图10提供了总体布局和位置命名法。

表2    采用邻接车道接近模型对DrivAer模型和AeroSUV模型进行调查的测试矩阵（车辆长度相对纵向位置L，以及车道宽度相对横向位置WL，邻近模型中心相对于主要模型）

图10    邻近模型相对于初级模型的位置示意图

      对于HDV模型测试，使用了三种接近模型形状，包括轿车（CAR）形状，SUV形状和MDV形状（见图7至9）。CAR和SUV的组合也进行了检查。根据HDV模型鼻部到接近模型鼻部的距离，定义了6个纵向位置。测试如表3所示，对卡车模型的两种配置进行了复制：一种是标准拖车，另一种是拖车侧裙和拖车尾。

表3使用邻接车道接近模型的HDV模型调查的测试矩阵（车辆长度的相对纵向位置，LHDV在接近模型的前缘和HDV模型之间）

*在单一接近模型和SUV/CAR（相反形状）的测试中，也以0.78 X/LHDV进行测试。

*使用单一接近模型和SUV/CAR（相反形状）也在0 X/LHDV下进行测试

      将AeroSUV与DrivAer模型相结合，以及将DrivAer模型与AeroSUV模型相结合，可以提供一组数据，用于研究两车组合系统的接近度对风荷载的影响。假设两种车辆模型在偏航角方面表现对称（基于即将呈现的均匀流动结果是合理的），并且接近模型的配置与其主要测试模型的配置相同（接近，除了安装轨道和降低车轮接触地面），数据可以缩放/重新定向并组合以检查两种车辆系统。例如，在-5°偏航角下，AeroSUV车型位于driver车型前面1个车长的位置，相当于在+5°偏航角下，driver车型位于AeroSUV车型后面1个车长的位置。在合并系数之前，需要更改接近模型的偏航-反对称力/力矩系数的符号（此处针对AeroSUV模型数据）。

03 LDV靠近案例的结果

单个车辆结果

      如图11所示，是DrivAer模型与AeroSUV模型的偏航变化结果子集。隔离车辆的结果用橙色圆圈表示，接近模型的结果用蓝色三角形表示。从该图中可以立即看出，当接近模型在附近时阻力系数的显著变化（与孤立模型条件相差20%以上）。在极端位置（±2个车辆长度），观察到阻力系数的微小变化（两个极端的CD都较低），而在±1个车辆长度范围内观察到较大变化。这些变化对偏航角也表现出很强的敏感性，与正偏航角（测试模型在其前方位置被邻近模型屏蔽的条件下）时的隔离车辆性能相比，变化更大。在接近模型存在的情况下，侧力和升力系数的变化要小得多，但变化主要是在±1车辆长度范围内观察到的。采用驾驶员接近度模型的Aero-SUV模型等效数据如图12所示。对于孤立的模型情况，两种结构的趋势几乎是相同的。

图11    在Y/WL = 1.00时，AeroSUV Estateback接近模型在不同纵向位置下DrivAer Notchback的力系数测量结果

图12    在Y/WL = 1.00时，DrivAer Notchback不同纵向位置下的AeroSUV Estateback的力系数测量结果

      接近模型形状对driver和AeroSUV车型受力系数的影响分别如图13和图14所示。图13和图14分别显示了两款车型并排行驶和相距1车道宽条件下的数据。在隔离车辆性能方面，两种主要车型的趋势相似，尤其是Ahmed和HDV车型。AeroSUV对驱动车型的影响大于驱动车型对AeroSUV的影响，这可能是由于AeroSUV的尺寸更大。尽管总体尺寸相同，但在这种并排配置下，Ahmed车型的效果却截然不同，其主要车型的阻力低于驾驶员/AeroSUV或HDV车型在几乎所有的偏航角下。对于侧力和升力系数，HDV模型的存在改变了隔振车性能的变化趋势。在整个测试的偏航角范围内，观察到侧力系数对偏航角的敏感性显著降低，而升力系数仅在正偏航角时受到影响。在朝向风的正偏航方向中，HDV模型位于主模型的迎风侧，HDV模型屏蔽了主模型。在负偏航角下，CD值更高，CS值更低，CL值相似，表明初级模型周围的流场发生了明显的变化。

图13    在X/L = 0和Y/WL = 1.00时，三种不同接近度模型下DrivAer Notchback车型的力系数测量结果

图14    在X/L = 0和Y/ WL = 1.00时，三种接近度模型下AeroSUV Estateback车型的力系数测量结果

      驾驶员行为和道路系统结构的差异导致车辆相对于道路上其他车辆的横向位置的范围。横向间距对DrivAer车型性能的影响，以及邻近的AeroSUV车型，如图15所示。一般来说，结果表明，车辆之间的距离越近，影响越大。在最负偏航角为-10°时，最接近侧距的阻力系数增加了约30%。这三个间距代表1±0.25个典型车道宽度，中心到中心距离分别为2.8 m、3.7 m和4.6 m。这些对应于平均车型宽度的54%，105%和156%的车际距离。搭载靠近DrivAer模型的AeroSUV的相应结果也显示了类似的趋势，因此不在这里展示。

图15    X/L = 0时，AeroSUV Estateback接近模型不同侧向位置下DrivAer型两厢车的力系数测量结果

      为了研究纵向位置对车辆阻力变化的影响，DrivAer模型与邻近AeroSUV模型在隔离条件下的阻力差异如图16所示。左图显示了在五种不同偏航角度下，对于标准车道宽度，DCD随纵向间距的变化。右图显示了风平均阻力系数的相应变化，ΔWACD。这些数据表明，当接近车辆分别在主模型稍微向前或稍微向后时，最小和最大阻力增量的接近位置分别为-0.5和+0.5车长。虽然在测试的偏航角范围内观察到最大和最小CD位置的一些变化，但无论偏航角如何，总体趋势都是不变的，因此在风平均阻力系数结果中也出现了相同的趋势。当接近模型位于主模型的尾部（+X/L）时，所有偏航角的数据似乎在更大的距离上外推为零, 根据典型的车辆队列化趋势，这是可以预期的。当原始模型向前推进时，效果似乎在某些偏航角收敛为零，但并非全部。在正偏航角下，特别是在+10°时，阻力减小的效果可以持续到更远的距离。这可能是前方汽车在这种偏航条件下的尾迹效应，接近模型在较大距离上屏蔽了主模型。

图16    在Y/WL= 1.00时，AeroSUV Estateback接近模型在不同纵向位置下DrivAer Notchback车型的拖拽变化测量值

在相反的情况下，以AeroSUV为主要模型，DrivAer为邻近模型，趋势相似，如图17所示，尽管DrivAer对AeroSUV的影响略小于第一个案例。然而，在非零纵向位置，Ahmed接近度模型对DrivAer和AeroSUV车型的影响都大于它们对彼此的影响。图18显示了Ahmed模型对DrivAer模型的影响。在这里，数据仅适用于Ahmed接近模型，距离为±1车辆长度，但是，尽管可能由于其整体体积较大而比其他模型具有更大的影响，但数据中的趋势相似，在数据的0.5L分辨率范围内，风平均阻力系数的最小值和最大值分别在-0.5L和+0.5L左右。这种趋势上的相似性表明，Ahmed接近度结果在较大距离上的表现可能与其他两个模型相似，因此这些数据可能适合于支持开发各种接近体形状影响的预测模型。

图17    在Y/WL= 1.00时，DrivAer Notchback接近模型在不同纵向位置下的AeroSUV Estateback车型的拖拽变化测量结果

组件减阻效果

      为了检验接近模型效应对组件减阻性能的潜在影响，我们在三个纵向接近模型位置测试了DrivAer和AeroSUV的阻塞冷却和移除后视镜配置。表4给出了在这些配置下测得的风平均阻力系数与原始模型值（分别有冷却流和反射镜）的变化。虽然在孤立模型值和三个接近模型位置之间观察到细微的差异，减阻变化在实验不确定度之内，因此在测量中没有观察到接近模型的影响。

表4    在同一车道宽横向间距（Y/WL=1）下，相邻车型不同纵向位置下DrivAer和AeroSUV车型阻塞冷却和后视镜拆除风平均阻力系数变化情况。ΔWACD值的不确定度为±0.003

综合多车辆结果

      将驾驶员与AeroSUV以及AeroSUV与驾驶员接近度模型的结果结合起来，可以检验两车交通场景的净影响。作为初步调查，对每组数据的风平均阻力系数结果进行了前文所述的纵向和横向对应间距位置的条件化和相加，如图19所示。左图显示联合系统的风平均阻力大小，右图显示相同的数据，减去联合隔离车辆的风平均阻力系数（0.598）以检查变化。在这里，负纵向分离代表了AeroSUV在DrivAer车型上的进步。综合数据显示，当两款车型并排行驶时，阻力最大，而当一辆车在另一辆车前方或后方1.5L时，净阻力最小。这些综合数据的趋势与纵向位置相比，在检查单个车辆模型时更为对称。这是由于数据的反向配对，即驾驶员测试的-X/L数据与AeroSUV测试的+X/L数据配对。

图19    DrivAer notchback和AeroSUV Estateback组合系统在不同纵向间距下的风平均阻力系数测量结果AeroSUV在-X位置领先DrivAer

      使用相同的车型应该引入一个关于X/L=0的对称模式，但正如前面所讨论的，Aero-SUV对驾驶员车型的影响更大，导致最大净阻力配置介于0和+0.5L之间，正如数据之间的趋势线所示。在标准车道宽度为3.7 m时，并排行驶时的最大阻力增幅约为8%，而距离较近（Y/WL=0.75）时阻力增幅约为13%，距离较远（Y/WL=1.25）时阻力增幅仅为5%左右。最小风平均阻力比隔离车辆低3-4%。

尾流中的邻近效应

      在两种尾流发生器配置下，测试了近似模型配置的子集，提供了六种尾流效应条件，以与均匀流动结果进行比较。McAuliffe和Barber记录的这些条件，代表了单LDV或多LDV交通条件的尾迹特征，导致初级模型前方的视风速降低6%至11%。在所有测试的尾流条件下，总的阻力系数值都比基线湍流均匀流动条件下的阻力系数值要小（在这些特定条件下降低了12%到26%）。采用AeroSUV接近模型的DrivAer模型的阻力系数结果如图20、21和22所示，分别为偏航角为0°、-5°和-10°时与隔离车辆对应尾迹条件的差异，从而严格量化了接近模型在各个流动条件下的影响。除了在某些情况下与实验不确定性大小相似的小偏差外，数据在所有偏航角和纵距上都显示出良好的一致性。这表明邻近效应不受尾流条件的显著影响。类似的结果在驾驶员接近模型和尾流条件下的AeroSUV结果中观察到，但在这里没有显示。

图20    在Y/WL=1.00和0°偏航角下，不同纵向位置的AeroSUV Estateback接近模型在自由流和尾流中的阻力变化测量

图21    在Y/WL =1.00和-5°偏航角下，不同纵向位置的AeroSUV Estateback接近模型在自由流和尾流中的阻力变化测量

图22    在Y/WL = 1.00和-10°偏航角下，不同纵向位置的AeroSUV Estateback接近模型在自由流和尾流中的阻力变化测量

   04  HDV邻近案例的结果   

      6.7%比例HDV模型的两种配置在一系列邻近模型位置上进行了测试，如前所述，参考表3。其中一种配置是带有标准53英尺干式货车拖车的卧铺驾驶室牵引车，而第二种配置包括拖车侧裙和牵引车技术。图23和24给出了CAR和SUV车型在不同接近位置下的每一种HDV配置的阻力系数结果子集，图25给出了MDV接近模型的相应结果。在这里，由于车模长度的差异，纵向位置（X/L）表示接近模型的机头相对于HDV模型的机头位置，并根据HDV模型长度进行归一化。      尽管两种HDV模型配置在阻力系数大小和偏航角趋势上存在差异（比较图23和图24之间的孤立模型结果），但相邻车道上近距离车辆的影响在两种卡车配置中是相似的。在正偏航角下观察到更大的影响，这是因为风向，接近模型位于车辆的迎风侧，有效地屏蔽了HDV模型。在负偏航角下，HDV模型屏蔽了接近模型，阻力系数变化较小。在图23和24中，单个CAR或SUV接近模型的结果显示，当与HDV模型（X/L=0）机头对机头定位时，HDV在最负偏航角处观察到阻力略有增加，但在整个正偏航角范围内观察到阻力大幅减少。当接近模型与HDV模型尾对尾时（X/L=0.78）， HDV模型在几乎所有测试的横摆角范围内都经历了更高的阻力。在MDV接近模型中也观察到类似的趋势（图25），但更大程度上是由于与CAR和SUV模型相比，MDV模型的尺寸增加了。在+15°的偏航角下，HDV模型的阻力减少超过50%，而在偏航角的另一端（-15°），MDV接近模型的阻力增加约30%。      对于两种近似的LDV模型，一种是机头对机头，另一种是机尾对机尾（图23和图24中的右图），在头对头的减少阻力和尾对尾的增加阻力之间似乎存在一种平衡。在正偏航角度下，SUV在前方，CAR在后方显然是更好的选择。虽然这里没有明确计算，但两个邻近车辆的结果似乎与左侧和中间图中相应的单个邻近车辆结果的平均值相似。这表明，HDV阻力变化的方式局限于接近模型附近车辆的区域，并可能提供一个可能，通过单个接近模型ΔCD测量值的简单线性叠加（相对于孤立HDV结果）来模拟多个接近车辆的影响。这超出了当前工作的范围，可能会在项目的未来阶段进行调查。      为了检验近距离-车辆效应随纵向距离的变化，图26展示了所有测试的近距离模型配置的平均风阻系数的变化。对于两个接近模型的情况，位于X/L为0和0.78处的符号表示接近模型的两个同时位置，每个位置显示相同的ΔWACc值，目的是允许与相应的单个模型情况进行比较。图26的结果突出了一个在前面的图中已经看到的总体趋势，即当临近车辆位于其前端或附近时，HDV模型的阻力较低，而当临近车辆位于其尾部或附近时，其阻力增加。这与LDV接近性研究的结果相似，即当近似模型稍微向前时阻力较低，而当近似模型稍微向后时阻力增加。值得注意的是WACD随纵向位置的交错增加，这进一步表明近似LDV模型的阻力变化定位于接近模型相邻的HDV模型区域。

图23    在Y/WL = 1时，CAR车型（左图）、SUV车型（中图）、CAR与SUV车型组合不同纵向位置下HDVN车型（拖车配置）的力系数测量结果

图24    在Y/WL = 1时，CAR模型（左图）、SUV模型（中图）和CAR与SUV组合不同纵向位置下HDVC模型（带拖车侧裙和尾部）的力系数测量结果

图25    Y/WL = 1时MDV模型不同纵向位置下HDVN（左）和HDVC（右）模型的力系数测量结果

图26    在Y/WL = 1时，HDV车型（左标准挂车车型、右带裙尾挂车车型）在CAR、SUV、MDV接近车型不同纵向位置时的风平均阻力系数变化CAR+SUV和SUV+CAR条件下的多个相同数据点分别代表两种车型的位置。MDV数据点之间的线是为了引导读者，不代表测量趋势

05  结论

       基于模型尺度风洞试验，本文的研究结果表明，临近车辆对道路车辆的气动性能有显著影响。已经观察到阻力系数在25%或更多数量级上的变化。相邻车道接近车辆效应可以增加或减少车辆的阻力，当低阻车并排行驶或高阻车尾部与另一辆车重合时，影响最大。DrivAer和AeroSUV的配对表明，对于两辆车的安排，一辆车的阻力增加可以被另一辆车的阻力减少所抵消，并且应该在整体车辆系统性能的背景下检查近距离车辆效应。这些类型的调查将有利于整体车辆或交通系统的性能，而本研究的结果表明，部件性能，如通过减少冷却流量策略或通过移除后视镜来减少阻力，可能无需考虑近距离效应就可以进行检查。尾流中邻近模型的影响与均匀流中相似，这证明尾流和邻近模型效应可以独立评估，它们的联合效应不一定需要同时引入两种效应的专门评估方法。       与近距离相邻车道驾驶模式相关的空气动力学阻力的显著变化表明，在未来的联网和自动驾驶汽车（CAV）系统中，存在着交通模式优化的机会。虽然LDV的最低净阻力（减少3-4%）与传统队列行驶方式的纵向间距（减少>5%的净阻力）相比显得微不足道，但相邻车道队列行驶的好处可能会放宽对标准队列行驶中同车道近距离跟随的严格安全要求。传统的自适应巡航控制技术可以为这类交通优化提供基础。此外，这种系统可以更多地用于避免高阻力配置（并排），而不是匹配低阻力情况，因为不利条件的阻力增加比有利位置的阻力减少要大得多。这种控制也可以基于环境风条件（偏航角）和尾流效应，如果这样的环境条件可以被感知。另一个减少交通系统阻力的机会是优化车辆形状来利用连排的好处。这不仅适用于同车道队列条件的优势，也适用于相邻车道的接近优势。在这些接近模型测试中测量的表面压力分布的研究可能会为这种潜在的优化提供一些见解。在本研究的后续阶段检查地表压力数据时，将考虑这一背景。