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乘用车与相邻车道车辆气动相互作用的风载和表面压力测量

2024-11-12 07:42:36·  来源：AutoAero  
　

摘    要   

已知，道路车辆在近距离的相互气动影响会显著改变车辆的阻力性能。本文对两种开放道路车辆形状( DrivAer Notchback 模型和AeroSUV Estateback 模型）在彼此近距离横向邻近或与其他车辆形状邻近的情况进行了扩展分析。在横摆角度范围为±10°、横向距离分别为典型高速公路车道间距的75%、100%和125%以及纵向距离前后最多为两个车辆长度的条件下进行了风洞测量。之前对数据进行分析的结果仅考虑了气动力测量，结果显示阻力系数的变化比率在±20%或更多，具体取决于相对位置和风况。本文重新审视了力系数结果，并引入了表面压力测量来研究性能变化的来源。研究结果表明，车辆在近距离侧向接近时的空气动力性能变化是由三种机制引起的：1）由于两辆车的组合阻塞效应对局部流场的影响，导致局部静压降低；2）局部流动角度的变化改变了每辆车的有效横摆角度；3）尾迹-车身相互作用。结果还表明，当引入一个近似的艾哈迈德体时，接近效应略有增加，这可能是由于其内部体积较大，但趋势与 DrivAer/AeroSUV 的结果一致。接近引起的载荷和压力随着距离的缩短和相邻车身尺寸的增大而增加。

01  前    言 

乘用车和商用车的空气动力效率量化主要集中在车辆与均匀风场的相互作用上，这种风场代表了车辆在孤立状态下行驶的情况。在本研究的第一个阶段，研究结果显示，车辆在相邻车道内近距离纵向接近时，其空气阻力会发生显著变化，具有代表性的交通状况下的阻力系数变化与孤立状态相比可达到±20%或更多。这些结果反映了其他研究的结果，主要是关于超车的空气动力学研究，这些研究表明，当车辆与另一辆车近距离接近时，空气载荷会发生显著变化。超车研究通常在较短持续时间瞬态事件的背景下进行（尽管大多数评估都是从准稳态的角度进行的），很少从多辆车组合系统的角度进行。在研究日常驾驶中典型多车道动脉道路和高速公路上的交通时，车辆最常与相邻车道车辆以及以相对较慢的速度（相对于车辆速度）进行超车/超车。这些观察结果表明，典型运行车辆的空气动力学状态很少代表评估和改进空气动力学性能时所考虑的孤立、均匀风场条件。对这些空气动力学相互作用现象的全面理解可能会为通过形状或流动控制来改善道路车辆的实际空气动力学性能带来机会。这也可能为联网和自动驾驶车辆（CAV）系统提供框架，以便在不依赖于为实现此类目的而提出的车队概念等极端近距离跟随的情况下，控制车辆之间的相对位置以最小化能源使用。相邻移动车辆之间的空气动力学相互作用可能被赛车运动行业很好地理解，但这种知识是传闻性的，很少发表。在20世纪70年代初的一项研究中，罗姆伯格等人记录了当时美国国家汽车比赛（NASCAR）中使用的车辆形状的力系数在跟随和超车场景中的准定常变化，他们的侧向偏移结果与本文所呈现的数据有相似之处。最近的一项计算流体动力学（CFD）研究强调了一些侧向吸气的结果，其中包括关于导致推拉效应的流动机制，这些机制可被利用来超越竞争对手。正如甘等人及全美汽车比赛（NASCAR）的解说员（通过在线新闻文章和视频）解释的那样，侧向诱导是一种手段，通过它，跟随车辆将自身放置在领先车辆的尾翼附近，这会导致空气被重新导向，越过领先车辆的后部上方，冲击其扰流板并产生更大的阻力。由于阻力的差异，这种现象为跟随车辆提供了超越领先车辆的机会。然而，甘等人所描述的这个概念并没有解释对后部车辆的阻力减少，尽管他们论文中的表面压力图提供了一些迹象，表明其前表面的压力有所降低，但作者未作评论。此外，仅这个概念无法解释罗姆伯格等人和当前数据集中观察到的益处，对于有和没有后甲板（轿车和SUV形状）以及没有扰流板的车辆，这表明还有其他空气动力相互作用现象也发挥了作用。一些研究已经研究了侧壁接近的影响，这可能提供一些关于相邻车道车辆接近效应的指示。一般来说，随着侧壁的接近，局部压力分布会被放大，车辆两侧的压力较低，前角处压力停滞较大，侧壁上的压力模式类似。这会导致车辆阻力增加和侧向力（朝向侧壁）增加。

本文所讨论的风洞研究旨在对相邻车道近距离车辆对乘用车气动性能的影响进行初步研究，重点关注气动阻力，在典型交通场景中展开。与本研究之前的论文主要关注力系数的变化不同，本文的分析扩展到包括表面压力测量，以解释观察到的多车辆系统整体风荷载的变化。测试是在封闭测试段风洞中进行的，使用两个15%比例的车辆模型（一个装有仪器，另一个没有），以研究对纵向位置、横向间距、邻近车辆大小/形状的敏感性，以及对横风条件的敏感性。本文的目的是确定邻近相互作用导致气动性能变化的原因。

02  实验方法

风洞设置

这些实验是在加拿大国家研究委员会（NRC）2 米×3 米的风洞设施中进行的，采用了表面车辆地面板安装方式（图 1），其细节由麦考利夫和巴伯提供。地面板系统包括车辆模型上游的分布式边界层吸力以及一个转盘。测试过程选择使用NRC道路湍流系统（Road Turbulence System, RTS），该系统提供了具有4%强度的道路代表性自由流湍流条件，长度尺度约为0.2米（≈1米全尺度）。图1展示了15%尺度的测试设置和地面板的安装。带有内部负载传感器的车辆模型安装在转盘的中心，而被动接近模型则安装在主模型的一侧。图1还展示了一个尾迹生成系统，该系统用于中记录的部分测试，但这些测试在本文中未予呈现。

图片

图 1 加拿大国家研究委员会 2 米×3 米风洞中表面车辆地面板的布置（顶部 - 上风视图；底部 - 下风视图）

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