风洞试验中车辆锚定方式对气动力测量的影响分析*

陈 力，刘晓晖，庞加斌，杨志刚

(1.同济大学上海地面交通工具风洞中心,上海 201804; 2.同济大学汽车学院，上海 201804)

前言

国家法规和消费者对车辆燃油经济性的关注迫使汽车企业重视车辆的空气动力学性能。风洞试验成为研究和开发车辆的重要手段。获得反映道路车辆真实运行的高精度的气动力数据是车辆开发必不可少的数据。为此，企业试验人员和风洞科研人员从未停止对气动力测试技术和测试方法的研究。在众多测试技术和测试方法的研究中[1-2]，车辆的固定方式却未被重视，相关的研究也很少。

早期的风洞试验，车辆的锚定都采用浮动模式[3]，即仅以车辆自身质量和自带静态制动方式(如手刹等)进行锚定。在试验过程中，随着风速的增大，由于升力的增加可能使被测车辆尾部上翘，从而导致测量结果不可靠。随着试验设备和相关技术的发展，移动地面系统(路面模拟系统和车辆转动系统)相继被新建[4]和改造[5]的风洞采用。车辆的锚定方式发生改变，即以装配在天平测量平台上的车辆限位装置固定试验车辆。一方面保证了被测车辆在整个试验过程中位置不发生改变，另一方面保证相关设备的安全。当然，限位装置的存在可能对测量结果产生影响。

传统的浮动模式和上述的固定模式在风洞气动力测量中仍被使用。本文中重点对两种锚定方式在风洞气动力测量中的差异和根源进行研究。利用国内首个整车气动-声学风洞，对某车型进行浮动模式和固定模式的气动力测量，考虑到限位装置的有无会在一定程度上对测量结果产生影响，在浮动模式测量时，仅断开车辆与限位装置连接，见图1(a)，车身起始姿态保持一致，最大程度地保证试验数据的可比性，经过对气动阻力和气动升力结果的分析，给出了相关解析，为气动力测量选用合理的车辆锚定方式提供试验和理论依据。

1 试验设备与方法

整车气动-声学风洞配备高精度六分量气动天平和移动地面系统，满足了浮动模式和固定模式的试验条件。0.005%的阻力和0.007%的升力测量精度极大地满足了区别两种锚定方式所要求的气动力测量精度。

试验采用图1所示的浮动模式和固定模式。分别测量了来流风速60～200km/h(步长为20km/h)的被测车辆的气动阻力和气动升力。利用经纬仪观察记录前后轮缘参考位置的变化，参考标尺位置如图2所示。

气动阻力系数Cd和气动升力系数Cl分别为

(1)

式中：Ddrag和Dlift分别为气动阻力和气动升力，N；ρ为空气密度，kg/m3；U为来流速度，m/s；A为迎风面积，取2.174m2。

2 试验结果讨论

2.1 气动阻力系数

图3为两种模式下气动阻力系数的试验结果。可以看出，当风速为60～100km/h时，两种模式得到的气动阻力系数非常接近；但当风速为120～200km/h时，采用浮动模式得到整车气动阻力系数大于采用固定模式，且差距在0.002～0.006之间。风速越高，差距越大。

利用经纬仪记录浮动模式下，高度方向位移增量δz，如表1所示。在所有试验风速下，前轮缘的δz基本为0。在较小风速时后轮缘的δz很小，但在较大风速时其δz较大，最大可达19mm。由于车尾的上翘，使车身尾部的负压区增大，前后压差阻力也变大，从而导致整车气动阻力系数Cd在浮动模式下比固定模式大。

表1 前后轮缘δz

2.2 气动升力系数

空气以一定速度流经车辆时，由于车辆的底部和地面边界层的作用，使得底部流速减小，压力增大。同时，气流流经车身上表面时，气流加速、压力减小，使车辆底部压力大于顶部压力，从而产生向上的升力，如图4所示。两种锚定方式下的气动升力系数如表2所示。

表2 两种锚定方式的气动升力系数

注：C1f和C1r分别为车辆前部和车辆后部的气动升力系数。

从表2可以看出，浮动模式与固定模式测得的车后部的气动升力系数Clr不同，浮动模式下相比于固定模式要小些。在所有试验风速下，约小0.015。这主要是由于试验车辆在浮动模式下尾部由于升力(矩)作用而抬高，使底盘和地面边界层厚度有所减小(δ浮动<δ固定)，通过底盘尾部的流速增大、压力减小，车身尾部上下的压力差变小，气动升力系数由此变小。与之相反的是固定模式，由于车身尾部高度无法因气动升力(矩)的作用而变化，地面和底盘的边界层厚度基本不变，车身尾部上下压力也不变。

对于车前部的气动升力系数Clf，情况有所不同，即浮动模式下比固定模式要大些。速度小于120km/h时，约大0.015；速度大于120km/h时，差距有所减少，特别是在速度升至200km/h时，差距仅为0.006。这与车辆底盘和地面边界层引起的逆压梯度有关。在固定模式下，风速越大，逆压梯度对车身前部的升力影响也越大，使流经车头底部的气流速度迅速减小，上下压差急剧增大，所以在Clf的表现上增大速率更为明显。在浮动模式下，底盘和地面的边界层厚度的减小使底盘的气流速度增大，减小了车辆底部的逆压梯度。由于车尾的抬高，对前部气流有一定的泄压作用，因此逆压梯度的发展呈稳定的状态，Clf随风速的增大呈稳定的状态。

车后部气动升力系数，浮动模式小于固定模式；而车前部气动升力系数，浮动模式大于固定模式。综合结果，两种锚定方式差别不大，速度高于100km/h时，总气动升力系数，浮动模式小于固定模式。应该指出的是，浮动模式下，车辆尾部上翘幅度与风速、车质量等多个因素有关。尽管同一辆车，也有可能因为某些轻微的改动，使车辆试验状态发生改变，测量出来的气动升力系数不同，因此不具有可重复性。与之不同的是，固定模式能使所有试验工况被测车辆的位置不变，可重复性较好。

3 结论

浮动模式与固定模式是试验车辆的两种锚定方式。在气动力测量中，两种方式得到气动阻力和气动升力是不同的。在气动阻力方面，高风速时采用固定模式得到的气动阻力系数比浮动模式小，其差距随风速的增加而增大。在气动升力方面，两种锚定方式差别不大，速度高于100km/h时，固定模式的气动升力系数比浮动模式稍大。

浮动模式简单易操作，但由于车尾在高风速时上翘，存在一定运行操作安全问题，如在高风速下车辆容易飘逸产生事故。相反，固定模式在整个试验过程中，被测车辆的位置固定不变，由此不仅保证试验安全，而且同一车型试验数据的可重复性和可比性也较好。

[1] Beauvais F N, Tignor S C, Turner T R. Problems of Ground Simulation in Wind Tunnel Testing of Automotive Models[C]. SAE Paper 680121.

[2] Hetherington B, Williams D B. Support Strut Interference Effects on Passenger and Racing Car Wind Tunnel Models[C]. SAE Paper 2006-01-0565.

[3] Wickern G, Beese E, et al. Computational and Experimental Evaluation of a Pad Correction for a Wind Tunnel Equipped for Rotating Wheels Balance[C]. SAE Paper 2002-01-0532.

[4] Duell E, Ebeling W, et al. The BMW AVZ Wind Tunnel Center[C]. SAE Paper 2010-01-0118.

[5] Johan S, Trevor B, et al. Upgrade of the Volvo Cars Aerodynamic Wind Tunnel[C]. SAE Paper 2007-01-1043.