摘    要   

使用靜態(tài)偏航角變化進行風洞測試和數(shù)值模擬的車輛空氣動力學評估，已成為評估車輛在各種風況下性能的標準做法。然而，這種方法沒有考慮到動態(tài)風效應(yīng)，例如來自變化的風況、經(jīng)過的其他車輛和道路障礙物的風效應(yīng)，以及環(huán)境湍流帶來的瞬時非均勻風況。在作者的先前工作中，展示了一種考慮動態(tài)風況和道路湍流的計算流體動力學（CFD）仿真方法，顯示了風況對車輛空氣動力學的重要影響。該技術(shù)允許在一系列瞬時陣風條件下對車輛進行測試，同時考慮來自上游車輛的風湍流和自然環(huán)境風波動。通過使用湍流速度波動的頻譜、強度和尺度，這些風波動被表示為數(shù)值仿真中的瞬時邊界條件。

本文采用該方法來確定在代表加州高速公路典型風況下的代表性駕駛循環(huán)中，電動汽車的空氣阻力，從而支持預(yù)測單次電池充電下的電動車輛續(xù)航能力。進行了一個長時間的瞬態(tài)仿真，風況通過一個規(guī)定的循環(huán)變化，代表了主導風變化、陣風和道路湍流。為了理解風變化對車輛空氣動力學的重要影響，結(jié)果分別展示了每個風況的效果，并通過使用規(guī)定的風循環(huán)的加權(quán)平均值來呈現(xiàn)。

01  前    言 

汽車空氣動力學的目標是了解車輛在駕駛過程中產(chǎn)生的力和力矩。通常，工作重點放在設(shè)計能夠改善車輛空氣動力學性能的組件上，包括減少阻力、保持適當?shù)纳Υ笮『推胶猓约捌搅推搅?。此外，還必須考慮其他因素，如造型、客戶舒適度、法規(guī)要求和制造可行性，這些都是現(xiàn)代量產(chǎn)道路車輛生產(chǎn)過程的一部分。

空氣動力學工程師有三種主要方法來評估空氣動力學性能：風洞測試、計算流體動力學（CFD）模擬和道路測試。每種方法都有其獨特的優(yōu)勢和劣勢，必須作為評估過程的一部分來理解。原則上，道路測試最具吸引力，因為它使用了真實世界環(huán)境中的代表性車輛。然而，實際上存在一些復(fù)雜因素，這使得道路測試成為現(xiàn)代空氣動力學中最不受歡迎的方法之一。為了與風洞或CFD模擬的精確度相匹配，必須非常準確地計算作用在車輛上的負載。此外，這種負載還包括其他寄生損失的貢獻，如軸承和傳動系統(tǒng)摩擦、輪胎滾動阻力以及車輛的輔助系統(tǒng)。這些貢獻必須被理解、最小化并去除，以便從實際測量的道路負載中計算空氣動力學負載的大小。進一步復(fù)雜化的是，環(huán)境中的風自然會發(fā)生變化，即使在看似靜止的日子里，通常也會有一些不穩(wěn)定的背景風，并且預(yù)測完全靜止的條件是一個不利于廣泛、持續(xù)、可重復(fù)測試的困難過程。

目前評估阻力的行業(yè)方法是通過SAE J2263定義的滑行程序。車輛加速到高速，然后變速器掛到空擋，阻力作用下車輛減速。記錄該過程的速度-時間歷史，通過微分求得加速度，從而得到凈阻力。這種派生的阻力與速度關(guān)系被稱為道路負載曲線。對結(jié)果數(shù)據(jù)集應(yīng)用二次曲線擬合，其系數(shù)分別表示二階、一階和常速項中的相對負載比例。傳統(tǒng)上，二階項被認為僅代表空氣動力負載，但實際上很少與從風洞測試或CFD獲得的阻力系數(shù)相匹配。雖然該方法適用于里程和續(xù)航預(yù)測，但對設(shè)計過程的分辨率還不夠。

需要為測試準備好車輛，找到具有低風的平直鋪裝地點，并擁有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這使得道路空氣動力學開發(fā)變得更加復(fù)雜。

風洞測試提供了道路測試的許多優(yōu)點，但是在實驗室環(huán)境中，能夠控制風況?，F(xiàn)代風洞采用單個寬的滾動帶，以準確代表地面平面的物理條件（Vground =Vair），并具有兩級吸力邊界層去除系統(tǒng)。車輛和道路可以相對于風向旋轉(zhuǎn)，以模擬偏航風況。與道路測試一樣，使用實體車輛能讓結(jié)果更有信心，并且還能非常精確地控制諸如流速、流動角度和湍流水平等流動參數(shù)。然而，在風洞中產(chǎn)生中等湍流水平——這一主導道路環(huán)境的特征——是很困難的?？梢允褂酶咦枇υO(shè)備（如篩網(wǎng)或網(wǎng)格）來產(chǎn)生非常小尺度（并因此快速衰減）的湍流。在另一個極端，大尺度系統(tǒng)使用主動系統(tǒng)生成大尺度湍流。研究表明，路上遇到的湍流大多介于這兩種風洞中可生成的湍流之間。文獻中提到的研究已著手開發(fā)中等湍流水平的生成方法，但目前在非學術(shù)測試環(huán)境中還沒有此類系統(tǒng)。此外，滾帶系統(tǒng)與測試段的靜止地面之間的界面會產(chǎn)生不自然的流動特征，尤其是在高偏航角下，這些特征會與車輛的流場相互作用。

CFD仿真方法的獨特之處在于其虛擬環(huán)境，這帶來了更大的挑戰(zhàn)，但也允許更深入的邊界條件定義和結(jié)果分析。特別是在求解器精度、幾何表示和離散化方案方面需要給予詳細關(guān)注，這些都不是簡單的過程。然而，一旦建立了關(guān)聯(lián)（最好是在各種車輛配置和流動條件下進行關(guān)聯(lián)），CFD方法就可以靈活地定義條件以評估車輛。湍流可以以任何水平添加，也可以模擬瞬態(tài)偏航曲線，這是目前量產(chǎn)車風洞中無法實現(xiàn)的條件。由于這種附加能力，本研究旨在更好地理解車輛行駛時可能遇到的典型路況，并將這一學習應(yīng)用于進一步擴展CFD仿真，以復(fù)制這些風模式。

02  動機

    本研究的動機來自于多個影響車輛空氣動力學性能以及客戶對車輛能力認知的因素。眾所周知，阻力系數(shù)的增加會影響車輛的性能，特別是對最大速度和續(xù)航里程的影響。因此，當下許多道路車輛空氣動力學工程師的工作重點都放在減少阻力上，尤其是那些將續(xù)航或效率確定為關(guān)鍵參數(shù)的車輛。對于電動汽車而言，續(xù)航里程一直是其關(guān)鍵性能指標之一，既影響個人消費者的購買決策，也影響電動汽車（BEV）動力系統(tǒng)的廣泛接受度。續(xù)航里程和效率也對BEV的經(jīng)濟可行性有重大影響，因為電池儲能系統(tǒng)是車輛中最昂貴的部件。減少阻力因此可以被視為在固定的車輛成本下增加續(xù)航里程，或是在固定的續(xù)航里程下降低成本，或者是兩者的結(jié)合。通過對車身上部表面進行精心的塑造以及添加底部護板，可以顯著提高續(xù)航里程。由于這些改變的成本相對較低，它們對電動車制造商來說是一種極具吸引力的非常規(guī)降低車輛成本的手段，同時還能提供客戶期望的性能。

    對于流線型車體來說，量化阻力比較直接；而對于鈍體來說，流場由較大的分離區(qū)域組成，這些區(qū)域具有高度的瞬態(tài)性。鈍體空氣動力學的湍流特性意味著作用在車身周圍的壓力會隨時間變化，因此作用在車身上的力和力矩也會隨時間變化。CFD和風洞測試的車輛測試系數(shù)歷史表明，阻力值會有10%以上的波動。由于這種湍流特性適用于道路車輛，研究動態(tài)效應(yīng)以及時間平均值在空氣動力學領(lǐng)域中變得越來越普遍。在這些研究中，車輛正常行駛時的非穩(wěn)定環(huán)境需要進行量化。車輛很少在靜止空氣中行駛。此外，道路風況的研究表明，中等程度的偏航角和湍流是常態(tài)。湍流特性主要分為三種狀態(tài)，取決于周圍環(huán)境：在沒有障礙物的情況下，湍流尺度較大且強度較低；在有道路邊緣障礙物（RSO）的地方，湍流尺度中等，強度適中；在有交通和高層建筑的城市環(huán)境中，湍流尺度較短且強度較高。先前的研究描述了湍流結(jié)構(gòu)的典型長度尺度，大約相當于幾輛車的長度。這意味著高速公路上的車輛將穿越足夠大的結(jié)構(gòu)，足以使車輛周圍的流場被視為動態(tài)偏航條件，而不是簡單的零偏航條件疊加湍流。在先前的論文中，已經(jīng)對這輛車的動態(tài)偏航和上游湍流進行了研究，但主要是為了減少偏航模擬的計算成本。本研究旨在通過結(jié)合道路測試中收集的空氣動力數(shù)據(jù)來更準確地定義湍流環(huán)境，進一步擴展這些工作。