履带装甲车辆空气阻力系数试验测定

2021-08-27杜明刚张金乐张喜明孙亚东毛飞鸿

兵工学报 2021年7期

杜明刚，张金乐，张喜明，孙亚东，毛飞鸿

(1.中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室, 北京 100072; 2.32382部队，北京 101100)

0 引言

随着装甲车辆最高车速越来越高，空气阻力对车辆最高车速和转向特性产生的影响越来越重要。现有研究表明，装甲车辆最高车速行驶时克服空气阻力所消耗功率可达几十千瓦，已成为影响动力传动性能预测准确性的重要因素，而精确计算车辆高速行驶空气阻力的前提是准确地获取空气阻力系数[1]。当前，研究人员普遍采用试验、有限元分析、数据拟合等方法来标定民用汽车行驶中的空气阻力系数，提出了相应车辆的空气阻力系数表达式[2-3]。如Pikula等[4]在开放式风洞中测量了不同风速下车辆的空气阻力，进而获得了空气阻力系数；田红旗[5]利用风洞试验研究了大风环境下的列车空气阻力特性。然而，对于装甲车辆，其空气阻力测试涉及相似比例模型构建、风洞实验、信号处理等知识，使得准确获取空气阻力系数值具有一定难度[6]。当前计算装甲车辆机动性时，对于低速行驶工况，空气阻力不大，计算中常忽略不计；而在高速工况，空气阻力系数取值跨度较大，文献[7]中取值0.59～0.74，缺乏针对不同类型装甲车辆的具体指导。对于履带装甲车辆，相关文献对空气阻力系数介绍较少，对阻力系数影响因子如空气密度、车体流线型及车体外部零部件性质等仅限定性描述[8]。

空气阻力系数数值范围跨度较大，对履带装甲车辆机动性能的研究造成了较大的困难。本文针对多种履带装甲车辆采用微缩比例模型，利用相似理论，开展风洞试验，通过试验数据分析，获取不同类型履带装甲车辆的空气阻力系数，对不同类型履带装甲车辆行驶空气阻力、动力传动性能精确计算具有指导意义。

1 基于相似理论的车辆空气阻力测试原理

风洞模型试验为了获取试验对象在原型流场内的空气动力数据，需满足几何相似、运动相似、动力相似等相似条件。本文通过三维(3D)打印技术手段，建立了履带装甲车辆缩微模型，开展风洞试验。试验模型与实际战车为等比例缩小关系，满足几何相似条件；试验环境与实际战车行驶环境近似相同；试验为低速风洞试验，空气流体介质可近似认为处于定常状态，满足其他相似条件，保证了试验能够模拟真实战车实际运动中空气的流动过程[9-10]。根据文献[11]，对于典型的低速附着流，当风洞雷诺数Re大于临界雷诺数Rec时，Re变化几乎不影响流场性质。利用这种现象的自模性，可以解决试验Re比车辆实际行驶Re小的问题，只需保持试验中Re>Rec即可，没有必要花十分高昂代价使模型Re与实物Re相同。通常汽车模型长度方向的Rec取值不小于0.7×106，具体取值可根据试验空气阻力系数随速度变化曲线来确定。

2 履带车辆空气阻力测试方法

2.1 测试模型构建

采用数字化建模方法，用计算机辅助设计(CAD)软件构建典型履带装甲车辆三维立体微缩模型，然后利用3D打印技术打印模型部件，并打磨组装，得到风洞试验模型，如表1所示。试验缩微模型外部附件应最大程度完整，以反映车辆真实表面特征[12]。

2.2 测试系统组成

测试系统主要包括风洞、试验台和测力系统。试验风洞主要功能为产生并且控制气流、模拟车辆周围气体流动情况。本试验风洞的可用试验风速最大值为50 m/s，在小于此风速范围内，可以连续调节，并可以在任一风速点维持稳定。试验台置于风洞吹风口，用于模拟地面，由表面喷漆处理且与大地固定的平板组成。平板中心位置开有窗口，用于穿过测力系统的方位调整盘以固定模型。为方便测试，定义方位调整盘中心为原点；吹风方向为x轴方向，与风向相同为正，即试验模型的空气阻力方向；垂直于x轴、竖直向上为y轴正向，即试验模型的升力方向；z轴由右手定则确定，即垂直于Oxy面向左为z轴正向，如图1所示。

图1 空气阻力测试试验台

测力系统由方位调整盘、测力天平和支架组成，主要功能为固定并调整模型相对位置、测试模型所受阻力，如图2所示。试验模型安装在与试验台平板平行的方位调整盘上，方位调整盘与测力天平连接，测力天平固定在下方支架上，支架相对地面固定。为了准确模拟车辆与地面的相对关系，通过调整方位调整盘的位置和高度，使试验模型处于平板中心且底部履带下表面与平板保持一定间隙(约为0.3～0.5 cm)。测力天平能够实时同步测试模型所受空气阻力的3个方向(如图1)分力Fx、Fy、Fz，并存储、传输和显示测量数据。测力天平每个方向量程为70 kg，精度为±0.000 1 kg，采样频率500 Hz.

图2 空气阻力试验测力系统结构

2.3 测试方案

试验选取伞兵战车、自行高炮等9种不同型号履带装甲车辆作为研究对象，分别制作1∶8比例模型(依次记作模型A～模型I)开展风洞测试，如表1所示。每种模型设置5.0 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s共7个风速工况，记作工况1～工况7.试验过程中，模型纵轴线与风洞吹风方向平行，如图3所示，依次测试9种试验模型(模型A～模型Ⅰ)7种风速工况下，风速稳定时3个方向所受的阻力，试验流程如图4所示。

表1 试验模型信息

图3 模型摆放位置

图4 试验流程图

试验前测试风洞吹风口大气环境信息如表2所示。

表2 试验大气环境信息

3 空气阻力测试结果

3.1 空气阻力计算

试验中，每种工况均进行3次重复测试，每次测试采集1 s时长的模型受力数据。图5是模型F在风速30 m/s工况所受的空气阻力测试数据。由图5可以看出，空气阻力存在一定范围的波动，这是因为模型附近空气流动存在气压波动。本文取各工况所测1 s时长阻力数据的均方根值，作为该工况的空气阻力。车辆行驶过程中的空气阻力主要考虑迎风阻力，9种车辆模型在7种风速工况下的空气阻力如表3所示。

图5 模型F工况6力响应曲线

表3 测试的模型迎风阻力

3.2 空气阻力系数计算

由试验数据可计算模型的空气阻力系数，计算公式[10]为

(1)

式中：ρ为空气密度；v为来流速度(m/s)；S为模型迎风面积(m2)。

履带车辆迎风面积与车辆外形流线型、风力相对方位等相关。计算试验模型阻力系数需要确定其迎风面积，如直接测量实际模型迎风面积，容易忽略一些细节部位面积，导致测量的迎风面积精确度降低。为此，在CAD软件环境中，在车辆行驶方向对微缩模型进行平面投影，计算出相应的投影面积即试验模型迎风面积，经过等比例放大即可得到真实车辆迎风面积[13]。

图6是计算得到的9种试验模型、7种不同风速工况对应的空气阻力系数，从图中可以看出，空气阻力系数一开始随着风速增加呈波动状态，当风速超过30 m/s后，随速度变化波动很小。同时，通过计算可知，风速30 m/s对应的雷诺数为1.35×106，大于第1节所述0.7×106.以上条件说明此时的试验条件满足自模性要求，即风速大于等于30 m/s时试验进入自模区，此速度对应的雷诺数为临界雷诺数(Rec=1.35×106)[14-15]。根据相似性原理，风速30 m/s和35 m/s工况对应的试验模型空气阻力系数可作为真实车辆空气阻力系数。

图6 不同车辆空气阻力系数曲线

由图6可以看出：在满足自模性要求的风速工况内，自行高炮类型车辆空气阻力系数最大，在0.97～1.03之间；主战坦克空气阻力系数次之，在0.89～0.95之间；两栖突击车、步兵战车等类型车辆空气阻力系数最小，在0.80～0.86之间。这与车辆外部形貌特征有关。根据流体力学知识，物体形状越接近流线型，其空气阻力系数越小。自行高炮类车辆带有雷达和较高炮塔的特征影响空气阻力系数较为突出；主战坦克外部形体一般比两栖突击车、步兵战车类车辆高大且复杂，所以主战坦克空气阻力系数大于后者。

综合所有车辆模型，取试验结果平均值，自行高炮类型车辆、主战坦克、两栖突击车和步兵战车类车辆空气阻力系数设计选值依次为0.99、0.92、0.83.