摘    要   

道路上車輛之間的空氣動力學相互作用可以改變車輛在孤立、均勻風條件下的燃料使用和溫室氣體排放。對此進行了一項全面的風洞研究，以檢查鄰近車道上車輛所經歷的空氣動力阻力的變化。對兩種一般配置進行了風荷載測量：輕型車輛（LDV）模型的15%比例測試，重型車輛（HDV）模型為6.7%比例測試。對于輕型車輛研究，DrivAer模型與鄰近的AeroSUV模型或Ahmed模型在橫向距離下進行了測試，橫向距離分別為典型公路車道間距的75%、100%和125%，縱向距離為前后2個車輛長度。對AeroSUV車型與DrivAer或Ahmed車型相近。對于HDV研究，半掛車模型與單個或相鄰車道模型的組合進行了測試。在一系列偏航角上進行了測量，從而可以進行風平均阻力評估。

相對于孤立的車輛條件，觀察到阻力系數(shù)的變化約為25%或更多。相鄰車道接近車輛效應會增加或減少車輛的阻力，當車輛模型并排或HDV后端與另一輛車重合時，效果最強。LDV模型配對表明，對于兩輛車的布置，一輛車增加的阻力可以通過另一輛車減少的阻力來抵消，并且應在整體車輛系統(tǒng)性能的背景下檢查鄰近車輛的影響。

01  前    言 

對超車事件的研究表明，超車和被超車車輛的氣動載荷都發(fā)生了可測量的變化，許多此類研究表明，在相鄰車輛之間沒有相對運動的情況下也存在這種影響。Howell等人回顧并總結了研究超車事件的歷史重要性。20世紀60年代至80年代的空氣動力學研究部分是為了檢查必要的發(fā)動機功率要求，但主要是為了檢查小型輕型汽車通過大型卡車時的空氣動力學穩(wěn)定性問題。他們指出，車輛重量的增加和動態(tài)穩(wěn)定性的增強消除了在車輛設計中考慮特定超車事件的需要，但目前車輛輕量化以滿足更嚴格的溫室氣體排放法規(guī)的趨勢再次引發(fā)了人們對空氣動力學穩(wěn)定性的擔憂。Howell等人還討論了許多穩(wěn)態(tài)的結果以及動態(tài)測試，表明準穩(wěn)態(tài)近似值適用于中等超車速度，而這種近似值高估了更高超車速度的動態(tài)載荷，盡管沒有對準穩(wěn)態(tài)方法有效的差速范圍進行嚴格限制。然而，這些數(shù)據(jù)表明，基于靜態(tài)模型評估的準穩(wěn)態(tài)建模方法為中等公路通過速度（高達行駛速度的20%左右）提供了可靠的結果，對于較高的速度差則較為保守。在他們對汽車超車大型卡車所經歷的風荷載的實驗研究中，Howell等人得出結論，超車過程中的氣動荷載將超過汽車單獨承受的風荷載。Schr?ck和Wagner強調，當按被超越車輛的速度縮放時，被超越車輛上的動態(tài)載荷可能是準穩(wěn)態(tài)假設的兩倍多。Howell等人的總結表明，如果按超車車輛的速度進行縮放，動態(tài)載荷相對于準穩(wěn)態(tài)假設會有所衰減，從而提出一個重要的點是，為了建模而進行縮放需要仔細考慮縮放數(shù)據(jù)的適當速度。Jakirlic等人通過時間分辨模擬方法研究了超越中型車輛形狀時DrivAer Notchback模型上的瞬態(tài)載荷。他們的結果表明，對于阻力系數(shù)等性能載荷，準穩(wěn)態(tài)方法是合理的，但使用準穩(wěn)態(tài)方法可能會略微低估基于穩(wěn)定性的載荷（側向力和偏航力矩）。很少有研究從能源支出和溫室氣體排放的角度研究鄰近效應，而這是當前工作的主要重點。Shimizu等人也注意到了同樣的觀察結果。他們試圖研究超車場景中產生阻力的流動機制，試圖將這些影響納入車輛的形狀優(yōu)化中。他們主要通過鄰近模型對基礎壓力變化的影響來檢查阻力變化，并展示了C柱形狀的變化，這些變化在超車事件中提高了阻力性能。Dasarathan等人研究了半掛車組合在相反方向上相互通過時的瞬態(tài)氣動載荷。在他們的工作中，當車輛靠近時，由相對車輛的尾流引起的瞬態(tài)載荷（其作用類似于射流）比壓力場引起的載荷引起的阻力、側向力和升力系數(shù)的增加要大得多。在上述同向超車研究中，尾流效應引起的氣動載荷變化通常與峰值近距離值相等或更小。上述大多數(shù)研究以及其中包含的參考文獻表明，與超車事件相關的車輛阻力發(fā)生了可測量的變化，一些相對的車輛位置導致阻力降低，一些導致阻力增加。這些研究通常也關注兩輛車中的一輛車上的載荷，或單獨檢查每輛車的動態(tài)載荷。沒有找到關于多車系統(tǒng)凈載荷以及增加和減少載荷的組合如何相互抵消或放大的直接信息。許多研究指出，作為許多道路上因素之一，近距離車輛載荷的重要性，而其他工作顯示了尾流和湍流效應的重要性，但沒有一個研究考察了兩者的綜合影響。本研究旨在初步探討在典型交通場景下，相鄰車道接近車輛對靜態(tài)風荷載（主要是氣動阻力）的影響。測試使用三個15%比例的輕型車輛（LDV）模型彼此接近，并使用一個6.7%比例的重型車輛（HDV）模型與輕型車輛（LDV）和中型車輛（MDV）模型接近。進行這些測試是為了檢查對縱向位置、橫向間距、臨近車輛尺寸/形狀以及側風和尾流條件的敏感性。目標是確定這種影響的重要性，相對于其他因素，并確定這些調查是否對量化真正的道路空氣動力學性能很重要。

02  實驗方法

風洞設置

      實驗在NRC 2米× 3米風洞設施中進行，采用地面-車輛接地板裝置。接地板用于測試移動的表面物體，如車輛，因為它允許風洞底板上的邊界層通過兩種機制被移除：從接地板前部開始的新邊界層，位于轉盤中心上游2.82米；而吸力系統(tǒng)，通過位于唱盤中心上游1.75米至0.94米之間的一系列穿孔板，將這個新的邊界層吸過地板。圖1顯示了15%比例的LDV測試設置和接地板安裝。

圖1    NRC 2 m ×3 m 風洞中的地面車輛地面板設置（頂部 - 逆風視圖。Bottom - 順風視圖）

      在目前的研究中，帶有內部負載傳感器的車輛模型安裝在轉臺的中心，而被動接近模型安裝在主模型的側面，如圖1所示。      尾跡導線系統(tǒng)安裝在接地板表面，如圖1所示，但沒有用于本文的實驗。      為了提供具有道路代表性的風力條件，說明大氣湍流和影響在遠場交通和道路側障礙物中，NRC道路湍流系統(tǒng)（RTS）用于2米× 3米風洞的整個測試活動。RTS是一種被動湍流產生系統(tǒng)概念，它利用安裝在風洞沉降室中的大型障礙物。RTS的部分可以在圖1的頂部照片中看到。      圖1還顯示了當前研究中用于測試子集的尾流發(fā)生器系統(tǒng)。該原型版本的道路交通和湍流系統(tǒng)（RT2S）在其他地方有詳細描述，它由多孔網格和垂直安裝的葉片與RTS結合組成，以提供代表道路交通狀況的風速赤字和氣流角分布。該系統(tǒng)安裝在接地板系統(tǒng)的前端。

汽車模型

      15%比例尺LDV接近試驗采用4種車輛模型進行15%比例尺試驗。對其中兩款車型（DrivAer和AeroSUV）進行了測量，而另外兩款車型（Ahmed和HDV）嚴格用作接近模型。如圖2所示，三個研究模型（DrivAer， AeroSUV和Ahmed）是使用選擇性激光燒結（SLS）進行3D打印的，而HDV模型則是由硬質泡沫雕刻而成。模型描述如下：      DrivAer車型：DrivAer車型是由Technische Universit?t München開發(fā)的，是當時寶馬3系和奧迪4系的混搭車型，于2012年推出，有兩廂車、快背車和旅行車三種車型。最初的車型提供了光滑和詳細的車身下方選項，后來又推出了一個帶有發(fā)動機艙和冷卻流道的版本。該車型的兩廂型用于本次研究。如圖2左欄所示，包括詳細的底盤和發(fā)動機艙/冷卻流道。      AeroSUV模型：FKFS與R?chling Automotive合作，于2019年推出了Aero-SUV模型，該模型是對駕駛員形狀的改編，具有適用于常見SUV形狀的約束和尺寸。AeroSUV的標準配置包括一個帶冷卻通道的發(fā)動機艙和一個詳細的底盤。為了進行這項研究，AeroSUV車型在設計上出現(xiàn)了一個疏忽，導致從發(fā)動機艙到前輪艙之間沒有冷卻氣流通道，因此所有的冷卻氣流都排放到了車身下方區(qū)域。本研究使用了Estateback變體，如圖2的中間欄所示。      Ahmed模型：如圖2右欄所示的這種簡化形狀是Ahmed在20世紀80年代引入的，目的是提供一種與典型道路車輛相似的崖體特征的形狀。幾何圖形使用圓形的前邊緣和所有其他邊緣的尖角。常見的配置包括各種斜背角，具有確定的流動分離特性，從而導致不同類型的阻力和升力特性。本研究采用25°的斜背角。      HDV模型：一個簡單的重型卡車模型也被用作接近模型，如下所示。這個模型的尺寸按15%的比例代表一輛較大的中型車輛或一輛公共汽車。

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

     DrivAer和AeroSUV車型都在前格柵后面模擬了散熱器系統(tǒng)，以表示對冷卻流量的適當阻力。使用了兩層多孔篩網材料，為通過模型這部分的預期風速提供了約為12的壓降系數(shù)。Zhang等定義的Aero-SUV散熱器的尺寸壓降特性轉化為試驗風速下的壓降系數(shù)約為11，因此認為在目前的研究中，冷卻流量應該是合適的。對于這兩個模型，一些測量是在封閉的冷卻通道（用膠帶封?。┫逻M行的，以檢查鄰近車輛對冷卻阻力的影響。為了在臨近車輛存在的情況下對空氣動力學變化進行額外的檢查，一些測量移除了反射鏡。      主要車型（DrivAer或AeroSUV）使用單一流線型支柱安裝在轉盤中心的接地板表面。車輪是垂直可調的，從表面被提高約2毫米。對于LDV接近模型，在轉盤表面安裝了一個13毫米高的低輪廓縱向導軌。鄰近模型通過3d打印的流線型支柱安裝到該導軌上，類似于主模型支柱。對于輪式近似車輛模型，車輪被定位為接觸地面以保持穩(wěn)定性。對于Ahmed模型，小的泡沫塊被用在角落以提供穩(wěn)定性。接近模型可以沿著軌道的長度放置在任何地方。使用了兩條軌道。在轉臺的前部和后部使用了一根短軌，使轉臺能夠旋轉整個近似模型設置，使風在縱向位置吹到主模型的一個車輛長度的前方和一個車輛長度的后方。短軌的三個橫向位置代表一個典型車道寬度（3.7米）±該車道寬度的25%，以表示車道內真實交通的轉移。圖3顯示了Ahmed模型與AeroSUV模型相鄰的這三個位置。較長的軌道用于定位接近模型和額外的模型長度向前或向后（±2長度）的標準車道寬度位置。如圖4所示，AeroSUV車型在DrivAer車型前后的極端位置。對每一個只安裝了接近軌的主要模型的初步測量表明，軌對風荷載測量沒有可測量的影響。

圖3    LDV接近模型橫向配置：0.75車道寬度（左），1車道寬度（中），1.25車道寬度（右）

圖4    LDV接近模型縱向配置：2.0車長后（左）和2.0車長前（右）

      在標準車道寬度處，僅使用了近似LDV模型的一個位置，即以主要LDV模型為縱向中心。HDV接近模型如圖5所示，與DrivAer模型相鄰。

圖5    LDV與HDV接近模型

      由于高偏航角的各種限制，包括自動偏航定位和接近模型振動，這些測試的偏航角范圍被限制在±10°。偏航增量為2.5°用于±1輛車的長度范圍，5°用于更遠距離的測試。      表1的頂部提供了四個模型的基本維度。      為研究近距離車輛對HDV氣動性能的影響，采用了較小的比例尺。6.7%比例（1/15比例）的HDV模型代表了一輛短枕式駕駛室高頂半掛車與一輛53英尺的干式貨車拖車配對，這在之前的研究中有記錄。所測試的該模型的兩種變體，包括標準拖車和低阻力拖車（帶有拖車裙擺和尾部），如圖6所示。半掛車模型由一個安裝在鋁框架上的3D打印外殼組成，同時連接著一個輕型鋁制拖車箱。所有的車輪和底盤細節(jié)都是使用SLS 3D打印的。該模型連接到安裝柱，該安裝柱通過拖車模型的前下表面插入到拖拉機車架的驅動橋區(qū)域之間。

圖6    HDV模型：半掛車前視圖（左），標準拖車后視圖（中），帶側裙和船尾的拖車后視圖（右）

     在近距離車輛研究中，定義了一個單一的橫向偏移，代表一個典型的車道寬度為3.7 m（比例尺為0.247 m）。本研究使用了短軌，將接近模型定位限制在HDV模型前后約一個LDV長度。HDV研究中使用的接近模型也是先前研究中的現(xiàn)有模型，包括轎車模型（CAR模型）、SUV模型和中型卡車（MDV）模型。它們的維度列在表1的下半部分。圖7顯示了汽車和SUV車型的相對尺寸，與HDV車型相比，汽車和SUV車型的尺寸也顯示了使用的標準橫向間距。在HDV接近性研究中選擇了6個縱向位置，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長度。對于CAR模型，這些位置如圖8所示。CAR和SUV車型分別和一起進行了測試。圖7顯示了測試的兩種多距離車輛配置，其中一種是CAR模型領先于SUV，另一種是SUV模型領先于CAR模型。為MDV模型選擇了兩個鄰近位置，代表MDV和HDV模型之間的基座鼻部重合的場景，如圖9所示。

圖7    CAR和SUV車型接近的HDV模型

圖8    HDV模型與相鄰CAR模型在所有縱向測試位置

圖9    HDV模型與接近MDV模型

表1   車型尺寸，由（prox）確定的鄰近模型

儀器

       用內部六分量天平測量了傳遞給試驗模型的風荷載和力矩。LDV型號使用ATI Gamma系列稱重傳感器，額定阻力和側力為±130牛，升力為±400牛，三個力矩為±10牛。HDV模型使用了JR3型號E5E15A4M63J-EF稱重傳感器，額定阻力和升力為±400 N，側向力為±1000 N，三個力矩為±125 Nm。測壓元件信號以3,125 Hz的速率采集，并以200 Hz的截止頻率進行低通濾波。本研究中使用的其他儀器也需要高采樣率，但本文未對此進行討論。       根據(jù)預先標定的風洞流動條件（收縮壓力、靜壓、溫度）計算試驗段的流動條件，這就解釋了地面板上方和下方通道之間的氣流分裂。在每個測試條件下，所有數(shù)據(jù)的采集時間為10秒。為了模擬橫風場景，測量在轉臺偏航位置±15°范圍內進行，增量為2.5°。

數(shù)據(jù)處理

力和力矩的測量：本文用力系數(shù)來表示汽車模型的氣動性能。

式中，Qref為參考動壓力，A為表1中模型的鋒面面積。力和力矩是通過負載傳感器的六個輸出信號（測量持續(xù)時間內的平均值）來計算的，這些信號通過校準矩陣組合在一起，以提供傳感器坐標系中的六個單獨的力/力矩值。為了限制研究結果的冗余性，本文沒有給出力矩系數(shù)數(shù)據(jù)。橫搖力矩和偏航力矩系數(shù)的變化趨勢與側力系數(shù)的變化趨勢相似，俯仰力矩的變化趨勢與升力的變化趨勢相似。

      在大多數(shù)單車輛試驗條件下，模型堵塞約為1%，因此不對力系數(shù)進行堵塞修正。鄰近模型試驗在測試段中具有較高水平的堵塞，因此可能需要對堵塞進行修正才能獲得真正具有代表性的結果。然而，在多體系統(tǒng)中的應用并不簡單，因此這里沒有嘗試。目前的接近模型測試的目的是檢查影響的趨勢和相對程度。雖然提出了力系數(shù)的大小，但這些受堵塞影響但未經修正的結果預計不會改變研究的結論。      不確定性的估計: 根據(jù)SAE J1252中定義的方法，結合偏誤差和隨機誤差估計計算力系數(shù)結果的不確定性估計。孤立的DrivAer Notchback模型被用作樣本案例，以估計LDV模型測試的隨機不確定性大小，因為它具有最多的重復測試運行次數(shù)（6次重復）。基于a的最多三次重復運行，獨立評估了基于給定模型配置中HDV模型的隨機不確定性估計。這些隨機不確定性通常隨著偏航角的增加而增加。偏差-誤差不確定度根據(jù)儀器供應商指定的不確定度進行評估。測量不確定性的主要組成部分是運行-運行隨機變異性，通過在整個測試過程中重復六次DrivAer Notchback隔離模型測試（包括完全拆卸和重新安裝模型）來評估。因此，這導致與測量差異（例如）相關的不確定度與主要測量的不確定度(例如)。本報告中提供的測量包含誤差條，以確定估計不確定性水平的95%置信區(qū)間。以LDV模型為例，在0°偏航角時阻力系數(shù)的不確定度為0.0025，在10°偏航角時阻力系數(shù)的不確定度為0.0045，其不確定度為1% ~ 1.5%。平均風阻系數(shù)：除了在每個偏航角計算單個阻力系數(shù)值外，還計算了所有偏航掠角的風平均阻力系數(shù)（WACD），這是HDV氣動研究中常見的。在這項研究中，這些數(shù)據(jù)是假設地面速度（Ug）為105 km/h來計算的。代替典型的SAE定義的計算風平均阻力系數(shù)的方法，采用了更精確的一般形式。作者首先將該方法引入到與兩輛卡車排風洞研究相關的其他HDV近距離車輛結果中，在交通中HDV測量中，兩種方法之間的差異超過1%。這種通用方法更適合于在阻力系數(shù)中具有強烈偏航不對稱性的車輛性能測量，例如本研究中進行的接近模型測試。      雖然這種方法需要更大的偏航角（大約±15°，而不是SAE方法的±7°），但數(shù)據(jù)收集可以限制在±10°左右，而不會產生大的誤差。這最初是對限制在±10°偏航角范圍內的接近模型測試的關注，但需要提高這種計算WACD的一般方法的精度?；趯ζ浇浅^±10°的情況應用的低權重，可以假設任何超出該范圍的CD值等于對應的10°偏航角（正或負）的值，根據(jù)對一些隔離車輛±15°數(shù)據(jù)集的檢查，在使用全偏航范圍值時，WACD值在該值的0.5%以內。風速平均阻力系數(shù)的不確定性估計為ldv模式測量值為δWACD =±0.003，hdv模式測量值為δWACD =±0.006，計算差值估計相似（）。

流動條件

             在本次試驗活動中，在6.7%和15%的模型比例尺下，大多數(shù)試驗條件都選擇了50 m/s的自由流風速。在底板表面形成的附面層通過一堆皮托管探針測量。根據(jù)這些測量，計算出ldv模型前緣的邊界層厚度為3.6mm，后緣的邊界層厚度為4.7 mm。雖然本文沒有給出邊界層厚度影響的數(shù)據(jù)，但我們觀察到了車輛模型氣動性能的差異。在沒有吸力的情況下，模型的阻力系數(shù)降低了約2-3%，這是由于沖擊模型下部和底體的流速降低了。      NRC道路湍流系統(tǒng)（RTS）旨在提供代表車輛在現(xiàn)實世界中所經歷的風的尺度湍流譜。McAuliffe和D 'Auteuil記錄了RTS的發(fā)展，包括在NRC 2米× 3米風洞中使用的中等規(guī)模版本。湍流強度的縱向、橫向和垂直分量分別為2.9%、4.3%和4.0%，對應的長度尺度分別為0.09 m、0.41 m和0.34 m。這些測量值代表了從接地板表面上方150mm到600mm，距離中心線±600mm范圍內的平均流動情況。

測試矩陣

             通過三組實驗研究了相鄰車道的接近效應。前兩個是LDV模型的15%比例，而第三個是HDV模型的6.7%比例。LDV研究選擇的接近位置范圍為縱向±2個車輛長度，橫向定位為±25%的車道寬度。在HDV研究中，僅檢測了一個橫向位置（單車道寬度），接近模型的末端在卡車機頭前方或卡車基座后方突出約1乘用車長度。      對于LDV模型測試，對于距離主模型在±1輛車長度范圍內的接近模型，可以在±10°范圍內進行自動偏航掃描，增量為2.5°。對于較大的縱向間距，達到±2輛車的長度，較長的安裝軌道可以防止測試期間的偏航運動，并且要求在每個測試狀態(tài)之間關閉風。對于這些較大的距離，在相同的±10°偏航角范圍內獲取數(shù)據(jù)，但由于數(shù)據(jù)收集時間較長，數(shù)據(jù)增量為5°（而不是2.5°）。如表2所示，DrivAer和AeroSUV主要車型的測試程序是相同的，唯一的區(qū)別是主要接近模型，因為只有一種DrivAer車型和一種AeroSUV車型可用。正L位置表示初級模型后面的接近模型，負L位置表示初級模型前面的接近模型。駕駛員的大部分接近模型測試都是在靠近車道的位置使用AeroSUV進行的，反之亦然。對每種發(fā)動機進行了選擇數(shù)量的附加測試，以檢查尾流效應對組件阻力變化（阻塞冷卻或去除反射鏡）的影響。Ahmed模型被用作每個數(shù)據(jù)集的次要接近模型，以提供兩個數(shù)據(jù)集之間的共同參考。每個車型（DrivAer和AeroSUV）還在相鄰車道上使用簡化的HDV/MDV模型進行了測試。各種距離模型配置如圖3到5所示，圖10提供了總體布局和位置命名法。

表2    采用鄰接車道接近模型對DrivAer模型和AeroSUV模型進行調查的測試矩陣（車輛長度相對縱向位置L，以及車道寬度相對橫向位置WL，鄰近模型中心相對于主要模型）

圖10    鄰近模型相對于初級模型的位置示意圖

      對于HDV模型測試，使用了三種接近模型形狀，包括轎車（CAR）形狀，SUV形狀和MDV形狀（見圖7至9）。CAR和SUV的組合也進行了檢查。根據(jù)HDV模型鼻部到接近模型鼻部的距離，定義了6個縱向位置。測試如表3所示，對卡車模型的兩種配置進行了復制：一種是標準拖車，另一種是拖車側裙和拖車尾。

表3使用鄰接車道接近模型的HDV模型調查的測試矩陣（車輛長度的相對縱向位置，LHDV在接近模型的前緣和HDV模型之間）

*在單一接近模型和SUV/CAR（相反形狀）的測試中，也以0.78 X/LHDV進行測試。

*使用單一接近模型和SUV/CAR（相反形狀）也在0 X/LHDV下進行測試

      將AeroSUV與DrivAer模型相結合，以及將DrivAer模型與AeroSUV模型相結合，可以提供一組數(shù)據(jù)，用于研究兩車組合系統(tǒng)的接近度對風荷載的影響。假設兩種車輛模型在偏航角方面表現(xiàn)對稱（基于即將呈現(xiàn)的均勻流動結果是合理的），并且接近模型的配置與其主要測試模型的配置相同（接近，除了安裝軌道和降低車輪接觸地面），數(shù)據(jù)可以縮放/重新定向并組合以檢查兩種車輛系統(tǒng)。例如，在-5°偏航角下，AeroSUV車型位于driver車型前面1個車長的位置，相當于在+5°偏航角下，driver車型位于AeroSUV車型后面1個車長的位置。在合并系數(shù)之前，需要更改接近模型的偏航-反對稱力/力矩系數(shù)的符號（此處針對AeroSUV模型數(shù)據(jù)）。

03 LDV靠近案例的結果

單個車輛結果

      如圖11所示，是DrivAer模型與AeroSUV模型的偏航變化結果子集。隔離車輛的結果用橙色圓圈表示，接近模型的結果用藍色三角形表示。從該圖中可以立即看出，當接近模型在附近時阻力系數(shù)的顯著變化（與孤立模型條件相差20%以上）。在極端位置（±2個車輛長度），觀察到阻力系數(shù)的微小變化（兩個極端的CD都較低），而在±1個車輛長度范圍內觀察到較大變化。這些變化對偏航角也表現(xiàn)出很強的敏感性，與正偏航角（測試模型在其前方位置被鄰近模型屏蔽的條件下）時的隔離車輛性能相比，變化更大。在接近模型存在的情況下，側力和升力系數(shù)的變化要小得多，但變化主要是在±1車輛長度范圍內觀察到的。采用駕駛員接近度模型的Aero-SUV模型等效數(shù)據(jù)如圖12所示。對于孤立的模型情況，兩種結構的趨勢幾乎是相同的。

圖11    在Y/WL = 1.00時，AeroSUV Estateback接近模型在不同縱向位置下DrivAer Notchback的力系數(shù)測量結果

圖12    在Y/WL = 1.00時，DrivAer Notchback不同縱向位置下的AeroSUV Estateback的力系數(shù)測量結果

      接近模型形狀對driver和AeroSUV車型受力系數(shù)的影響分別如圖13和圖14所示。圖13和圖14分別顯示了兩款車型并排行駛和相距1車道寬條件下的數(shù)據(jù)。在隔離車輛性能方面，兩種主要車型的趨勢相似，尤其是Ahmed和HDV車型。AeroSUV對驅動車型的影響大于驅動車型對AeroSUV的影響，這可能是由于AeroSUV的尺寸更大。盡管總體尺寸相同，但在這種并排配置下，Ahmed車型的效果卻截然不同，其主要車型的阻力低于駕駛員/AeroSUV或HDV車型在幾乎所有的偏航角下。對于側力和升力系數(shù)，HDV模型的存在改變了隔振車性能的變化趨勢。在整個測試的偏航角范圍內，觀察到側力系數(shù)對偏航角的敏感性顯著降低，而升力系數(shù)僅在正偏航角時受到影響。在朝向風的正偏航方向中，HDV模型位于主模型的迎風側，HDV模型屏蔽了主模型。在負偏航角下，CD值更高，CS值更低，CL值相似，表明初級模型周圍的流場發(fā)生了明顯的變化。

圖13    在X/L = 0和Y/WL = 1.00時，三種不同接近度模型下DrivAer Notchback車型的力系數(shù)測量結果

圖14    在X/L = 0和Y/ WL = 1.00時，三種接近度模型下AeroSUV Estateback車型的力系數(shù)測量結果

      駕駛員行為和道路系統(tǒng)結構的差異導致車輛相對于道路上其他車輛的橫向位置的范圍。橫向間距對DrivAer車型性能的影響，以及鄰近的AeroSUV車型，如圖15所示。一般來說，結果表明，車輛之間的距離越近，影響越大。在最負偏航角為-10°時，最接近側距的阻力系數(shù)增加了約30%。這三個間距代表1±0.25個典型車道寬度，中心到中心距離分別為2.8 m、3.7 m和4.6 m。這些對應于平均車型寬度的54%，105%和156%的車際距離。搭載靠近DrivAer模型的AeroSUV的相應結果也顯示了類似的趨勢，因此不在這里展示。

圖15    X/L = 0時，AeroSUV Estateback接近模型不同側向位置下DrivAer型兩廂車的力系數(shù)測量結果

      為了研究縱向位置對車輛阻力變化的影響，DrivAer模型與鄰近AeroSUV模型在隔離條件下的阻力差異如圖16所示。左圖顯示了在五種不同偏航角度下，對于標準車道寬度，DCD隨縱向間距的變化。右圖顯示了風平均阻力系數(shù)的相應變化，ΔWACD。這些數(shù)據(jù)表明，當接近車輛分別在主模型稍微向前或稍微向后時，最小和最大阻力增量的接近位置分別為-0.5和+0.5車長。雖然在測試的偏航角范圍內觀察到最大和最小CD位置的一些變化，但無論偏航角如何，總體趨勢都是不變的，因此在風平均阻力系數(shù)結果中也出現(xiàn)了相同的趨勢。當接近模型位于主模型的尾部（+X/L）時，所有偏航角的數(shù)據(jù)似乎在更大的距離上外推為零, 根據(jù)典型的車輛隊列化趨勢，這是可以預期的。當原始模型向前推進時，效果似乎在某些偏航角收斂為零，但并非全部。在正偏航角下，特別是在+10°時，阻力減小的效果可以持續(xù)到更遠的距離。這可能是前方汽車在這種偏航條件下的尾跡效應，接近模型在較大距離上屏蔽了主模型。

圖16    在Y/WL= 1.00時，AeroSUV Estateback接近模型在不同縱向位置下DrivAer Notchback車型的拖拽變化測量值

在相反的情況下，以AeroSUV為主要模型，DrivAer為鄰近模型，趨勢相似，如圖17所示，盡管DrivAer對AeroSUV的影響略小于第一個案例。然而，在非零縱向位置，Ahmed接近度模型對DrivAer和AeroSUV車型的影響都大于它們對彼此的影響。圖18顯示了Ahmed模型對DrivAer模型的影響。在這里，數(shù)據(jù)僅適用于Ahmed接近模型，距離為±1車輛長度，但是，盡管可能由于其整體體積較大而比其他模型具有更大的影響，但數(shù)據(jù)中的趨勢相似，在數(shù)據(jù)的0.5L分辨率范圍內，風平均阻力系數(shù)的最小值和最大值分別在-0.5L和+0.5L左右。這種趨勢上的相似性表明，Ahmed接近度結果在較大距離上的表現(xiàn)可能與其他兩個模型相似，因此這些數(shù)據(jù)可能適合于支持開發(fā)各種接近體形狀影響的預測模型。

圖17    在Y/WL= 1.00時，DrivAer Notchback接近模型在不同縱向位置下的AeroSUV Estateback車型的拖拽變化測量結果

組件減阻效果

      為了檢驗接近模型效應對組件減阻性能的潛在影響，我們在三個縱向接近模型位置測試了DrivAer和AeroSUV的阻塞冷卻和移除后視鏡配置。表4給出了在這些配置下測得的風平均阻力系數(shù)與原始模型值（分別有冷卻流和反射鏡）的變化。雖然在孤立模型值和三個接近模型位置之間觀察到細微的差異，減阻變化在實驗不確定度之內，因此在測量中沒有觀察到接近模型的影響。

表4    在同一車道寬橫向間距（Y/WL=1）下，相鄰車型不同縱向位置下DrivAer和AeroSUV車型阻塞冷卻和后視鏡拆除風平均阻力系數(shù)變化情況。ΔWACD值的不確定度為±0.003

綜合多車輛結果

      將駕駛員與AeroSUV以及AeroSUV與駕駛員接近度模型的結果結合起來，可以檢驗兩車交通場景的凈影響。作為初步調查，對每組數(shù)據(jù)的風平均阻力系數(shù)結果進行了前文所述的縱向和橫向對應間距位置的條件化和相加，如圖19所示。左圖顯示聯(lián)合系統(tǒng)的風平均阻力大小，右圖顯示相同的數(shù)據(jù)，減去聯(lián)合隔離車輛的風平均阻力系數(shù)（0.598）以檢查變化。在這里，負縱向分離代表了AeroSUV在DrivAer車型上的進步。綜合數(shù)據(jù)顯示，當兩款車型并排行駛時，阻力最大，而當一輛車在另一輛車前方或后方1.5L時，凈阻力最小。這些綜合數(shù)據(jù)的趨勢與縱向位置相比，在檢查單個車輛模型時更為對稱。這是由于數(shù)據(jù)的反向配對，即駕駛員測試的-X/L數(shù)據(jù)與AeroSUV測試的+X/L數(shù)據(jù)配對。

圖19    DrivAer notchback和AeroSUV Estateback組合系統(tǒng)在不同縱向間距下的風平均阻力系數(shù)測量結果AeroSUV在-X位置領先DrivAer

      使用相同的車型應該引入一個關于X/L=0的對稱模式，但正如前面所討論的，Aero-SUV對駕駛員車型的影響更大，導致最大凈阻力配置介于0和+0.5L之間，正如數(shù)據(jù)之間的趨勢線所示。在標準車道寬度為3.7 m時，并排行駛時的最大阻力增幅約為8%，而距離較近（Y/WL=0.75）時阻力增幅約為13%，距離較遠（Y/WL=1.25）時阻力增幅僅為5%左右。最小風平均阻力比隔離車輛低3-4%。

尾流中的鄰近效應

      在兩種尾流發(fā)生器配置下，測試了近似模型配置的子集，提供了六種尾流效應條件，以與均勻流動結果進行比較。McAuliffe和Barber記錄的這些條件，代表了單LDV或多LDV交通條件的尾跡特征，導致初級模型前方的視風速降低6%至11%。在所有測試的尾流條件下，總的阻力系數(shù)值都比基線湍流均勻流動條件下的阻力系數(shù)值要?。ㄔ谶@些特定條件下降低了12%到26%）。采用AeroSUV接近模型的DrivAer模型的阻力系數(shù)結果如圖20、21和22所示，分別為偏航角為0°、-5°和-10°時與隔離車輛對應尾跡條件的差異，從而嚴格量化了接近模型在各個流動條件下的影響。除了在某些情況下與實驗不確定性大小相似的小偏差外，數(shù)據(jù)在所有偏航角和縱距上都顯示出良好的一致性。這表明鄰近效應不受尾流條件的顯著影響。類似的結果在駕駛員接近模型和尾流條件下的AeroSUV結果中觀察到，但在這里沒有顯示。

圖20    在Y/WL=1.00和0°偏航角下，不同縱向位置的AeroSUV Estateback接近模型在自由流和尾流中的阻力變化測量

圖21    在Y/WL =1.00和-5°偏航角下，不同縱向位置的AeroSUV Estateback接近模型在自由流和尾流中的阻力變化測量

圖22    在Y/WL = 1.00和-10°偏航角下，不同縱向位置的AeroSUV Estateback接近模型在自由流和尾流中的阻力變化測量

   04  HDV鄰近案例的結果   

      6.7%比例HDV模型的兩種配置在一系列鄰近模型位置上進行了測試，如前所述，參考表3。其中一種配置是帶有標準53英尺干式貨車拖車的臥鋪駕駛室牽引車，而第二種配置包括拖車側裙和牽引車技術。圖23和24給出了CAR和SUV車型在不同接近位置下的每一種HDV配置的阻力系數(shù)結果子集，圖25給出了MDV接近模型的相應結果。在這里，由于車模長度的差異，縱向位置（X/L）表示接近模型的機頭相對于HDV模型的機頭位置，并根據(jù)HDV模型長度進行歸一化。      盡管兩種HDV模型配置在阻力系數(shù)大小和偏航角趨勢上存在差異（比較圖23和圖24之間的孤立模型結果），但相鄰車道上近距離車輛的影響在兩種卡車配置中是相似的。在正偏航角下觀察到更大的影響，這是因為風向，接近模型位于車輛的迎風側，有效地屏蔽了HDV模型。在負偏航角下，HDV模型屏蔽了接近模型，阻力系數(shù)變化較小。在圖23和24中，單個CAR或SUV接近模型的結果顯示，當與HDV模型（X/L=0）機頭對機頭定位時，HDV在最負偏航角處觀察到阻力略有增加，但在整個正偏航角范圍內觀察到阻力大幅減少。當接近模型與HDV模型尾對尾時（X/L=0.78）， HDV模型在幾乎所有測試的橫擺角范圍內都經歷了更高的阻力。在MDV接近模型中也觀察到類似的趨勢（圖25），但更大程度上是由于與CAR和SUV模型相比，MDV模型的尺寸增加了。在+15°的偏航角下，HDV模型的阻力減少超過50%，而在偏航角的另一端（-15°），MDV接近模型的阻力增加約30%。      對于兩種近似的LDV模型，一種是機頭對機頭，另一種是機尾對機尾（圖23和圖24中的右圖），在頭對頭的減少阻力和尾對尾的增加阻力之間似乎存在一種平衡。在正偏航角度下，SUV在前方，CAR在后方顯然是更好的選擇。雖然這里沒有明確計算，但兩個鄰近車輛的結果似乎與左側和中間圖中相應的單個鄰近車輛結果的平均值相似。這表明，HDV阻力變化的方式局限于接近模型附近車輛的區(qū)域，并可能提供一個可能，通過單個接近模型ΔCD測量值的簡單線性疊加（相對于孤立HDV結果）來模擬多個接近車輛的影響。這超出了當前工作的范圍，可能會在項目的未來階段進行調查。      為了檢驗近距離-車輛效應隨縱向距離的變化，圖26展示了所有測試的近距離模型配置的平均風阻系數(shù)的變化。對于兩個接近模型的情況，位于X/L為0和0.78處的符號表示接近模型的兩個同時位置，每個位置顯示相同的ΔWACc值，目的是允許與相應的單個模型情況進行比較。圖26的結果突出了一個在前面的圖中已經看到的總體趨勢，即當臨近車輛位于其前端或附近時，HDV模型的阻力較低，而當臨近車輛位于其尾部或附近時，其阻力增加。這與LDV接近性研究的結果相似，即當近似模型稍微向前時阻力較低，而當近似模型稍微向后時阻力增加。值得注意的是WACD隨縱向位置的交錯增加，這進一步表明近似LDV模型的阻力變化定位于接近模型相鄰的HDV模型區(qū)域。

圖23    在Y/WL = 1時，CAR車型（左圖）、SUV車型（中圖）、CAR與SUV車型組合不同縱向位置下HDVN車型（拖車配置）的力系數(shù)測量結果

圖24    在Y/WL = 1時，CAR模型（左圖）、SUV模型（中圖）和CAR與SUV組合不同縱向位置下HDVC模型（帶拖車側裙和尾部）的力系數(shù)測量結果

圖25    Y/WL = 1時MDV模型不同縱向位置下HDVN（左）和HDVC（右）模型的力系數(shù)測量結果

圖26    在Y/WL = 1時，HDV車型（左標準掛車車型、右?guī)刮矑燔囓囆停┰贑AR、SUV、MDV接近車型不同縱向位置時的風平均阻力系數(shù)變化CAR+SUV和SUV+CAR條件下的多個相同數(shù)據(jù)點分別代表兩種車型的位置。MDV數(shù)據(jù)點之間的線是為了引導讀者，不代表測量趨勢

05  結論

       基于模型尺度風洞試驗，本文的研究結果表明，臨近車輛對道路車輛的氣動性能有顯著影響。已經觀察到阻力系數(shù)在25%或更多數(shù)量級上的變化。相鄰車道接近車輛效應可以增加或減少車輛的阻力，當?shù)妥柢嚥⑴判旭偦蚋咦柢囄膊颗c另一輛車重合時，影響最大。DrivAer和AeroSUV的配對表明，對于兩輛車的安排，一輛車的阻力增加可以被另一輛車的阻力減少所抵消，并且應該在整體車輛系統(tǒng)性能的背景下檢查近距離車輛效應。這些類型的調查將有利于整體車輛或交通系統(tǒng)的性能，而本研究的結果表明，部件性能，如通過減少冷卻流量策略或通過移除后視鏡來減少阻力，可能無需考慮近距離效應就可以進行檢查。尾流中鄰近模型的影響與均勻流中相似，這證明尾流和鄰近模型效應可以獨立評估，它們的聯(lián)合效應不一定需要同時引入兩種效應的專門評估方法。       與近距離相鄰車道駕駛模式相關的空氣動力學阻力的顯著變化表明，在未來的聯(lián)網和自動駕駛汽車（CAV）系統(tǒng)中，存在著交通模式優(yōu)化的機會。雖然LDV的最低凈阻力（減少3-4%）與傳統(tǒng)隊列行駛方式的縱向間距（減少>5%的凈阻力）相比顯得微不足道，但相鄰車道隊列行駛的好處可能會放寬對標準隊列行駛中同車道近距離跟隨的嚴格安全要求。傳統(tǒng)的自適應巡航控制技術可以為這類交通優(yōu)化提供基礎。此外，這種系統(tǒng)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況，因為不利條件的阻力增加比有利位置的阻力減少要大得多。這種控制也可以基于環(huán)境風條件（偏航角）和尾流效應，如果這樣的環(huán)境條件可以被感知。另一個減少交通系統(tǒng)阻力的機會是優(yōu)化車輛形狀來利用連排的好處。這不僅適用于同車道隊列條件的優(yōu)勢，也適用于相鄰車道的接近優(yōu)勢。在這些接近模型測試中測量的表面壓力分布的研究可能會為這種潛在的優(yōu)化提供一些見解。在本研究的后續(xù)階段檢查地表壓力數(shù)據(jù)時，將考慮這一背景。