2020年10月，本公眾號(hào)介紹了中國(guó)汽研和廣汽研究院聯(lián)合課題組共同開(kāi)發(fā)的真實(shí)道路來(lái)流參數(shù)采集測(cè)量系統(tǒng)的集成以及風(fēng)洞標(biāo)定結(jié)果：

汽車(chē)非穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)特性技術(shù)研究成果——真實(shí)道路來(lái)流參數(shù)采集測(cè)量系統(tǒng)

本期特邀中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)顧問(wèn)委員，廣汽研究院肖凌先生繼續(xù)介紹該系統(tǒng)在真實(shí)道路上的應(yīng)用情況。

作者簡(jiǎn)介

肖凌：
現(xiàn)任廣汽研究院空氣動(dòng)力學(xué)主任工程師，10年汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)和熱管理開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，曾主導(dǎo)或參與多款賽車(chē)（F1,Le Mans GT）及高性能量產(chǎn)車(chē)（FCA,GM）空氣動(dòng)力學(xué)研發(fā)。2017年加入廣汽研究院，力爭(zhēng)建設(shè)國(guó)際水平的開(kāi)發(fā)能力與體系，推動(dòng)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)前沿技術(shù)，并打造性能優(yōu)秀的產(chǎn)品。


引 言

為了使路試數(shù)據(jù)更加有普適性，本研究利用氣象數(shù)據(jù)和車(chē)輛密度提出了適用于全國(guó)道路的應(yīng)用建議。影響風(fēng)阻的來(lái)流參數(shù)有很多，包括橫擺角度β，湍流強(qiáng)度，湍流尺度等。本文僅對(duì)橫擺角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。關(guān)于湍流強(qiáng)度和尺度的研究分析待后續(xù)工作完善后分享。

1. 研究目的 - 從零偏角Cd0到綜合風(fēng)阻Cdw

在常規(guī)的空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)阻開(kāi)發(fā)過(guò)程中，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)通常是0°偏角，低湍流度下的風(fēng)阻。然而，用戶在實(shí)際使用過(guò)程中，受到自然風(fēng)，周邊環(huán)境以及交通的影響，來(lái)流的角度和湍流強(qiáng)度與理想條件有一定差異。

這個(gè)現(xiàn)實(shí)造成兩個(gè)主要問(wèn)題：第一，在當(dāng)前的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下，通常是汽車(chē)風(fēng)阻最低的狀態(tài)。任何基于此風(fēng)阻計(jì)算的排放，能耗都將低估風(fēng)阻的貢獻(xiàn)量；第二，在開(kāi)發(fā)中由于僅關(guān)注一個(gè)角度的流場(chǎng)，優(yōu)化出的車(chē)輛有很高的側(cè)風(fēng)敏感性，然而實(shí)際使用過(guò)程中風(fēng)阻未必更優(yōu)，誤導(dǎo)設(shè)計(jì)決策。特別是第二個(gè)問(wèn)題，筆者認(rèn)為是關(guān)系到大量開(kāi)發(fā)資源是否得到最有效利用，達(dá)到節(jié)能減排效果的關(guān)鍵問(wèn)題。

在國(guó)內(nèi)，與實(shí)際道路來(lái)流參數(shù)的相關(guān)研究還比較缺乏。由于中國(guó)氣候多樣，道路，車(chē)輛分布也非常不均勻，不適合使用氣象數(shù)據(jù)和大氣邊界層進(jìn)行理論計(jì)算。本研究采用了實(shí)車(chē)道路采集的方法，在國(guó)內(nèi)典型的高速公路以及用于測(cè)量滑行阻力的跑道上，進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。為了使數(shù)據(jù)更加有普適性，本研究根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和車(chē)輛密度提出了適用于全國(guó)道路的應(yīng)用建議。

2. 道路選擇

道路的選擇需綜合參考地貌和路況的因素，確保常見(jiàn)的場(chǎng)景如橋梁、隧洞、海拔、會(huì)車(chē)、超車(chē)等因素在測(cè)試路線中都能覆蓋。課題組在重慶、?？谝约皬V州的典型高速公路進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。在海南期間，同時(shí)在瓊海汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)性能道做了采集?？偣哺采w2377km，平均車(chē)速75km/h。圖1為路試位置概況，圖2為海南瓊海汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)路試場(chǎng)景，圖3為三個(gè)城市周邊道路實(shí)際測(cè)試時(shí)的錄像圖。


圖1 實(shí)測(cè)道路分布


圖2 瓊海汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)


圖3 重慶、?？?、廣州路試錄像圖

3. 數(shù)據(jù)分析

道路測(cè)試數(shù)據(jù)采樣頻率1000Hz，但考慮到巨大的樣本量，以及目前研究專(zhuān)注于統(tǒng)計(jì)概論平均分布，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程中采用了1Hz平均值。由于低速下測(cè)量橫擺角度誤差較大，數(shù)據(jù)處理過(guò)程中去除了40km/h速度以下的數(shù)據(jù)。由此處理后，有效樣本量達(dá)到10.2萬(wàn)條，累積時(shí)長(zhǎng)31小時(shí)。測(cè)試數(shù)據(jù)GPS速度分布如圖4所示。


圖4 路試中GPS速度分布
（縱坐標(biāo)為樣本量，每個(gè)樣本1秒）

橫擺角分布在0°左右，呈正態(tài)分布狀，如圖5所示。測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期，分布在0°～1°的比例占比61%。


圖5 橫擺角分布

具體拆分每日的測(cè)量數(shù)據(jù)，雖然0～1°的占比最多，但不同地區(qū)、不同地點(diǎn)的差異仍然較大，見(jiàn)表1。

表1 不同地區(qū)橫擺角分布


經(jīng)過(guò)分析，基本能排除測(cè)試路段地貌以及交通繁忙度（與前車(chē)距離）帶來(lái)的差異，而環(huán)境風(fēng)帶來(lái)的影響非常顯著。為了系統(tǒng)地研究環(huán)境風(fēng)帶來(lái)的影響，需要為每條數(shù)據(jù)匹配時(shí)間和位置的氣象信息。ERA5是歐盟主導(dǎo)的國(guó)際氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)，它實(shí)時(shí)收集并處理全球共享氣象站測(cè)量的數(shù)據(jù)。整理數(shù)據(jù)后可以明顯地看出環(huán)境風(fēng)與橫擺角的關(guān)系，如圖6所示。在較小環(huán)境風(fēng)速下，小橫擺角比例較多；隨著環(huán)境風(fēng)風(fēng)速增加，小橫擺角比例逐步減少，大橫擺角占比增加。雖然關(guān)聯(lián)性不具有嚴(yán)格的單向性，但趨勢(shì)性較為明顯。如果樣本量繼續(xù)增多，這個(gè)關(guān)系會(huì)更加明確。


圖6 橫擺角β與環(huán)境風(fēng)（氣象數(shù)據(jù)V@10m）關(guān)聯(lián)
(測(cè)量地表風(fēng)速的氣象標(biāo)準(zhǔn)為10m高度）

測(cè)量數(shù)據(jù)有區(qū)域和時(shí)間維度上的局限性。為了得到適用于汽車(chē)開(kāi)發(fā)的全國(guó)的參數(shù)，橫擺角分布需要考慮全國(guó)汽車(chē)保有量分布和全國(guó)自然風(fēng)分布的權(quán)重。數(shù)據(jù)處理邏輯如圖7：


圖7 橫擺角分布參數(shù)處理邏輯

這里需要說(shuō)明的是，全國(guó)地理范圍內(nèi)的平均風(fēng)速并不適用，由于風(fēng)速的分布隨著地理位置有顯著差異，而車(chē)輛密度分布主要在城市及周邊。例如，平均風(fēng)速最大的地區(qū)包括內(nèi)蒙古北部，青藏高原等，顯然這些地區(qū)并不是車(chē)輛人口密集的局域。如果使用簡(jiǎn)單的全國(guó)平均風(fēng)速計(jì)算會(huì)造成較大誤差。

對(duì)于不同地區(qū)的風(fēng)速分布，使用同樣數(shù)據(jù)源獲得全國(guó)汽車(chē)保有量最高的30個(gè)城市及周邊2017-2020年的全年平均風(fēng)速。通過(guò)各個(gè)城市的風(fēng)速分布可以看出較大差異，沿海以及東北地區(qū)風(fēng)速明顯較大，如上海，深圳，沈陽(yáng)。而中原和四川地區(qū)風(fēng)速明顯較小，如成都，重慶，西安等。其余城市風(fēng)速分布處于中間，這與表1的實(shí)車(chē)道路測(cè)試結(jié)果是一致的，重慶地區(qū)一般風(fēng)速較低，那么小角度（0°~1°）橫擺角概率較高，而廣州地區(qū)一般風(fēng)速較高，小角度橫擺角占比降低。

從汽車(chē)保有量來(lái)看，主要分布在一線、二線城市以及周邊地區(qū)。汽車(chē)保有量與銷(xiāo)量并非有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但前30名的城市汽車(chē)保有量分布比較具有代表性，可作為自然風(fēng)速的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)地區(qū)。

綜上數(shù)據(jù)和計(jì)算方法去除了區(qū)域性和時(shí)間上的敏感性，得到適用于全國(guó)的橫擺角度分布參數(shù)構(gòu)成的綜合風(fēng)阻系數(shù)，這里展示間隔為1°的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其中Cdw代表綜合風(fēng)阻系數(shù)，Cdx代表在x度橫擺角下的風(fēng)阻系數(shù)。（這里假設(shè)車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)對(duì)稱(chēng)，如果不對(duì)稱(chēng)則需要將橫擺角度參數(shù)除以2處理，此外由于5°以上橫擺角占比小于2%，這里忽略并重新分布使權(quán)重之和為1。）
Cdw=0.614Cd0+ 0.246Cd1+ 0.080Cd2+ 0.031Cd3+ 0.018Cd4+0.011Cd5

4.應(yīng)用價(jià)值

根據(jù)上述的綜合風(fēng)阻的計(jì)算公式，可以綜合考慮橫擺角帶來(lái)的影響，在車(chē)型開(kāi)發(fā)中降低實(shí)際風(fēng)阻。

圖8統(tǒng)計(jì)了部分過(guò)往開(kāi)發(fā)車(chē)型的綜合風(fēng)阻，可以看出綜合風(fēng)阻在大部分車(chē)型中都較0°偏角風(fēng)阻增加。側(cè)風(fēng)敏感性較高的車(chē)型超過(guò)4%以上。如果按照Cd=0.3估算，是12 Count的增加量。這對(duì)于油耗或續(xù)航里程的計(jì)算有較大的影響。


圖8 綜合風(fēng)阻分析

在一個(gè)車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在風(fēng)洞試驗(yàn)中測(cè)試底護(hù)板的效果。加裝底護(hù)板在0偏角沒(méi)有起到減阻作用，然而在有偏航角度時(shí)效果明顯（圖9）。很顯然，如果評(píng)價(jià)指標(biāo)僅僅是Cd0, 底護(hù)板應(yīng)該去除，然而，從綜合風(fēng)阻角度來(lái)看，護(hù)板的作用明顯。


圖9 某車(chē)型底護(hù)板在不同橫擺角下的降阻效果

5. 總結(jié)

為了更好使研發(fā)工作貼近用戶使用場(chǎng)景，廣汽研究院會(huì)持續(xù)關(guān)注空氣動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)中的評(píng)價(jià)工況，最合理的利用開(kāi)發(fā)資源使得產(chǎn)品在空氣動(dòng)力學(xué)性能方面更加有競(jìng)爭(zhēng)力。

后續(xù)將對(duì)該研究進(jìn)行進(jìn)一步挖掘。主要研究以下幾方面的內(nèi)容：湍流強(qiáng)度分布、風(fēng)洞的道路流場(chǎng)復(fù)現(xiàn)、前車(chē)尾流對(duì)來(lái)流參數(shù)的影響、強(qiáng)側(cè)風(fēng)以及高速下車(chē)輛的穩(wěn)定性等。