车辆队列行驶的空气动力学性能研究进展

秦 青，刘学龙，王海洋，王晓鸣

（1.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300； 2.天津科技大学 机械工程学院，天津 300222）

汽车人均保有量的迅速增长在便利人们的生活的同时引发了能源紧张、交通事故频发以及道路拥堵等问题。因此，节能减排、改善交通安全以及平衡道路通行流量已成为现代交通运输业面临的巨大挑战。为解决这些难题，欧美及日本等诸多发达国家展开了智能交通系统的研究，其中车辆队列行驶作为其中一个重要的组成部分，在实现交通运输业的安全、高效和绿色发展等方面具有重大意义。

车辆队列行驶技术始于20世纪80年代，是指多个车辆通过无线通讯方式进行信息融合，保持一定速度和间距行驶。该项技术的提出，不仅有效缓解了交通拥堵问题，还在提高运输效率、减少交通事故等方面具有显著作用，因此，该项技术受到更广泛地关注。研究人员在该领域的研究热点主要集中在队列的信息融合技术和智能驾驶辅助技术等几个方面。近几年，随着计算机技术和流体力学在汽车行业的快速发展，逐渐有人开始研究队列行驶的空气动力学性能。这对于提高车辆队列行驶的稳定性、操纵性和燃油经济性具有重大意义。

车辆队列行驶空气动力学性能的研究是一个复杂多变的问题，如图1所示，根据其组成结构可以分为车辆、队列和环境三部分，这三部分相互独立又彼此关联。因此，研究队列行驶的空气动力学性能不仅需要关注单个车辆的影响因素，还需要关注整个队列的组成结构对整体空气动力学性能的影响，同时还需要根据不同的行驶环境，对队列结构进行实时的调节。这些复杂多变的影响因素导致车辆队列行驶的空气动力学模型具有非线性、强耦合、非完整约束等特点，导致其理论模型异常复杂，从而成为一个不易解决的难题，阻碍了车辆队列行驶的应用与发展。因此，研究不同因素对空气动力学性能的影响规律，对构建相对完善的队列行驶空气动力学模型，具有重要的理论研究意义和工程应用价值。

图1 队列行驶的组成结构

本文以队列空气动力学性能的影响因素为主要研究对象，根据影响因素的来源进行归纳分类，主要包括队列内部因素和队列外部因素两个方面。如图2所示，队列内部因素包括车辆和队列结构两部分，其中，车辆的影响因素主要为车辆造型和行驶速度；队列结构的影响主要体现在车辆数量、间隔距离、队列形式等。而队列外部因素主要是指环境变化造成的影响，根据因素类型的不同，可以分为自然环境和道路环境两种，其中自然环境是指尤其天气变化等原因产生的雨天、大风、侧风、气旋等因素；而道路环境主要是指队列行驶通过桥梁、隧道、悬崖、建筑群等环境时产生的流场变化。在不同时期，研究人员通过采用风洞试验、道路试验或数值仿真等方法对不同因素产生的影响规律进行了研究。本文针对不同因素的研究内容和方法，总结和阐述了所得到的影响规律，旨在为了解队列行驶的空气动力学模型提供依据，为以后改善车辆队列行驶的空气动力学性能的研究方向提供参考。

图2 车辆队列空气动力学性能影响因素分类框架

1 行驶队列内部影响因素研究进展

1.1 车辆自身状态影响规律分析

车辆有很多自身状态参数，如行驶速度、汽车质量、轮胎摩擦系数等等，其中与空气动力学性能直接相关的参数主要包括行驶速度和车辆造型两个因素。车辆空气动力学的研究历史悠久，主要是针对单个车辆的空气动力学性能进行分析，研究成果颇丰。在车辆队列行驶中，车辆自身状态对队列空气动力学性能的影响分析是广大研究人员最先开展的领域之一。

1.1.1 车辆行驶速度影响规律分析

车辆在道路上行驶时，克服气动阻力的功率是发动机所做功中较大的一部分，如式（1）所示。对于相同的车辆，其所受空气阻力与车速的二次方呈正比，消耗功率与车速的三次方呈正比，因此，随着车速的增加，气动阻力和消耗于气动阻力的功率也迅速增加。研究表明，当车速为80 km/h时，气动阻力与滚动阻力几乎相同；当车速为 150 km/h时，气动阻力约为滚动阻力的2～3倍。因此，车辆行驶速度对队列行驶的空气动力学性能具有重要影响。

式中，为车辆所受空气阻力；为车辆克服空气阻力所需功率；为空气密度；为车辆的阻力系数；为车辆的正投影面积；为车辆的行驶速度；为车辆传动系效率。

李姝红以阶背式DrivAer模型为研究对象，模型如图3所示，研究了两车间距为1倍车长内，头车和跟随车辆节油率随速度变化规律，如图4所示。当车速在16 m/s～34 m/s变化时，头车节油率约为0.7%～1.8%，跟随车节油率约为2.6%～5.8%，平均节油率约为1.6%～3.8%。

图3 阶背式DrivAer模型示意图[30]

图4 阶背式DrivAer模型节油率随车速变化关系图[30]

由图4知，头车的节油率在低速情况下，速度的增加幅度不高，对车速的敏感性不高；但是，随着车速的继续增加，对车速的敏感性呈现突增，整体的节油率与车速的平方成正比。对于尾车，车速对节油率呈现不规则的影响，近似于多段对数关系；存在几个临界车速（该模型中为25 m/s），在临界车速附近，节油率对车速的敏感性将会发生突变，因此，对于乘用车来说，队列行驶时需要提前规划经济安全速度，该速度建议高于临界车速。

BONNET等人以商用车为研究对象，对两车间距6 m～14 m以内不同速度下的燃油消耗进行研究，当车速分别为60 km/h和80 km/h时车辆的节油率如图5所示，其中头车节油率约为4%～8%，跟随车辆节油率约为15%～20%。通过以上研究可知，随着车速的增大，对队列行驶头车和跟随车辆的节油率均有不同程度的提升，且队列行驶形式对后车的节油率影响更加显著。

图5 头车和尾车在不同速度下节油率变化图[31]

通过对比图4和图5可以看出，商用车在列队行驶中节油率要比乘用车更加明显，商用车的节油率对速度的变化也更加敏感，因此，推行商用车的列队行驶，将对节能环保具有重大意义。

1.1.2 车辆造型影响规律分析

行驶中的车辆所受气动阻力的主要组成部分为压差阻力，其中车身前端压差阻力约占9%，车身尾部压差阻力约占91%，且当车身长度发生变化时，该比值也会相应产生变化。根据气动阻力形成机理，涡流阻力约占压差阻力40%左右，它的大小主要取决于车辆尾部流场结构。当车辆成队列行驶时，后车会进入前车尾流区，相邻车辆间的外流场会产生相互影响，尤其是不同造型车辆所产生的尾部流场结构存在较大差异，因此，会对队列整体气动性能产生不同影响。

贺宝琴等人以阶背式、快背式和直背式SAE模型为研究对象，探究了不同造型车辆气动性能随车辆间距变化规律，三种车辆队列平均减阻率DR与车辆间距和车辆长度比值之间变化规律如图6所示，其中，阶背式轿车队列平均减阻率约为30%，快背式轿车队列平均减阻率约为17%，直背式轿车队列平均减阻率约为24%。在一倍车长间距内，不同造型车辆平均减阻率均有较明显改善，且阶背式和直背式轿车整体减阻效果更佳，因此，针对不同造型车辆进行队列行驶控制策略制定时，需考虑不同造型对队列整体气动性能的影响，以获得整体最佳效果。

图6 三种SAE造型车辆队列减阻率随车辆 间距变化关系图[34]

此外，文中对阶背式单车和队列中任一车辆的尾流结构进行研究，以揭示队列行驶的减阻机理。如图7和图8所示，阶背式轿车单车尾流中包括上下两个反转涡流且强度较大，当车辆呈队列行驶时，尾涡中上下两个涡流和为一体且强度有所降低，因此，队列中车辆的气动阻力系数一定程度的降低。

图7 阶背式轿车单车尾流结构[34]

图8 阶背式轿车队列行驶时车辆尾流结构[34]

SCHITO等人以背部角度为0°和30°Ahmed模型为研究对象，所用几何模型如图9所示。研究发现背部角度0°Ahmed模型在以0.25倍车长间距至6倍车长间距队列行驶时，风阻系数均有不同程度降低；背部角度30°Ahmed模型仅在车辆间距为0.5倍车长内略有降低，当车辆间距大于0.5倍车长，风阻系数基本无降低，部分间距下风阻系数甚至略有变化。为进一步对产生以上结果的原因进行研究，对背部角度0°和30°Ahmed模型的尾部流场结构进行分析，背部角度0°Ahmed模型车辆尾涡较大，在队列行驶时，车辆相互之间流场结构易产生积极影响，使整体的气动性能获得优化，背部角度30°Ahmed模型车辆尾涡较小，在队列行驶时，车辆相互之间流场结构会产生不良影响，导致整体气动性能不能改善或产生恶化，因此，对于类似0°Ahmed模型的商用车，其在进行队列行驶时，改善整体气动性能，进而降低油耗。

图9 Ahmed 几何模型[35]

同样，为了验证造型尾部结构对队列行驶时气动性能的影响，GEOFFREY等人以Windsor模型为研究对象，该模型几何如图10所示。研究所用三种模型的背部角度分别为0°、10°和25°，以模拟不同的尾部流场结构。通过对三种造型车辆不同排列组合形成的27种队列进行研究发现，车辆造型及不同造型车辆所处位置均对队列整体气动性能产生不同影响，受车辆尾部角度影响，队列整体风阻系数降低程度不同。其中，队列整体降阻最佳组合为头车背部0°模型、中间及尾部车为背部25°模型，各车及整体平均降阻分布如图11所示，整体降阻效果最差组合为头车背部25°模型，中间及尾车为背部0°模型，各车及整体平均降阻分布如图12所示。此外，队列中部分车辆风阻系数与单车相比并未降低。

图10 Windsor模型几何模型[36]

图11 Windsor模型最佳降阻组合队列各车及 平均降阻分布图[36]

通过以上研究可看出，当不同造型车辆进行队列行驶时，造型对队列的气动性能会产生不同的影响，为获得整体最佳气动性能状态，需采用不同的优化控制策略对不同造型车辆位置分布等进行调节。

图12 Windsor模型最差降阻组合队列各车及 平均降阻分布图[36]

根据目前研究成果，自身风阻较大车辆在队列行驶时，整体风阻性能会有不同程度改善，而自身风阻系数较小车辆在队列行驶时，整体风阻性能会存在恶化风险。为进一步研究低风阻车辆队列行驶时气动性能变化规律，GEOFFREY等人又以低风阻“MSM”模型及基于“MSM”改造的多种不同造型模型组成的队列进行研究，图13为模型造型，其中(a)为“MSM”模型，(b)—(d)为基于“MSM”调整后模型。

图13 “MSM”及“MSM”调整模型几何模型[37]

GEOFFREY等人通过研究发现，自身风阻系数较小的车辆成队列行驶时，单车及整体气动性能容易恶化，如图14所示，以4辆“MSM”模型组成的队列，头车及各跟随车辆风阻系数均有不同程度增大。通过风洞试验中的烟流试验可看出，如图15，对于该类车型，其呈队列行驶时，前车尾流直接作用于后车头部区域，导致其正压显著增大，因此，整体风阻系数增大。为改善队列整体气动性能，需对不同位置处车辆造型进行一定调整。

图14 “MSM”队列各车风阻系数变化分布图[37]

图15 “MSM”模型风洞烟流试验

通过对多组队列进行研究，发现最佳降阻组合队列形式如图16所示，其中头车为b型“MSM”模型，中间三辆车为c型“MSM”模型，尾部车 辆为d型“MSM”模型。队列中各车辆风阻系数变化分布如图17所示。该队列中，通过对头车尾部结构进行改型，避免头车尾流向下流动直接冲击跟随车辆头部，跟随车辆头部及尾部通过改型可引导气流尽量紧贴队列上方流动，当气流流动至队列尾部，仅需要对车辆头部进行改型，尾部结构对气流进行引导，防止其分离严重，进而导致整体风阻系数增大。

图16 基于“MSM”调整最佳队列组合示意图[37]

图17 最佳降阻组合队列各车风阻系数变化分布图[37]

以上成果为当下车辆造型设计和队列行驶技术研究提出了新的方向，如果低风阻车辆以队列形式行驶，整体风阻性能容易有恶化趋势，只有通过对跟随车辆造型进行实时调整才能保证车队整体风阻性能得到优化，因此，为保证未来车辆进行队列行驶时空气动力学性能处于较优状态，车辆的设计必然需要考虑较多可主动控制部件或一定的变形能力。

1.2 队列结构状态影响规律分析

在智能交通环境下，为最大程度发挥队列行驶模式的积极作用，不仅需要对单车自身状态进行调整，队列结构对整体气动性能的影响也具有显著影响。队列结构状态对整体气动性能的影响因素主要包括队列中车辆数量、车辆间隔距离以及队列形式，其中，队列形式主要是指乘用车和商用车等不同车型在队列前后及左右分布状态。

1.2.1 车辆数量影响规律分析

图18 队列平均风阻系数与车辆数目、 间距之间变化关系[38]

智能交通系统如何能够根据道路通行车辆数目制定实时控制策略，对于实现队列行驶模式下燃油经济性的提升具有重要影响。通过研究不同 车辆数目对队列整体气动性能影响的变化规律，可为智能交通实时控制系统提供理论支撑依据。ZABAT等人采用1/8轿车模型进行风洞试验，研究了等车速下两车、三车和四车队列行驶时风阻系数与车辆数目之间的变化规律，如图18所示，在相同车辆间距下，随着车辆数目的增加，队列平均风阻系数可降低10%～35%。

傅立敏等人以阶背式SAE模型为研究对象，通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）技术手段研究了车辆数量对队列气动性能影响的变化规律，如图19所示，在固定车辆间距下，随着车辆数目的增加，队列平均风阻系数可降低20%～30%，且队列中间位置车辆的风阻系数最低。受限于仿真或试验资源，现在尚未开展数量较大的队列行驶研究，根据目前研究成果可看出，当队列中车辆数量增加时，整体平均风阻系数均有不同程度降低，当车辆数目大于4辆时，整体风阻系数变化趋势不再显著。随着将来仿真计算能力的提升和智能网联技术的进一步发展，需要开展车辆数目更为庞大的仿真计算或道路试验，为将来队列行驶技术的大规模应用提供理论基础。

图19 队列平均风阻系数与车辆数目之间变化关系[39]

1.2.2 车辆间距影响规律分析

对于车辆队列的空气动力学性能，当后车进入前车的尾流区域，两车流场相互产生影响时， 队列整体的气动性能才会发生改变。PATRICK等人用两辆实车进行道路试验，队列平均风阻系数随车辆间距变化如图20所示，随着车辆间距的降低，队列平均风阻系数可降低15%～38%。

图20 队列平均风阻系数随车辆间距变化关系图[40]

王靖宇等人以阶背式MIRA模型为研究对象，通过CFD技术手段，研究了三车队列等间距和非等间距对队列整体空气动力学性能的影响。在等间距工况下，风阻系数随车辆变化规律如图21所示，随着车辆间距的减小，队列平均风阻系数可降低0.015 1至0.032 8。在非等间距工况下，平均气动阻力仍有所降低，且后两车距离的改变对中间位置车辆的影响较大。

图21 队列车辆风阻系数随车辆间距变化图[41]

图22和图23分别为等间距和不等间距情况下，队列行驶的三辆车车头前部的压力分布曲线，当车辆相对位置不同时，三车压力分布均相似，且后车与前车相比，其正压区的压力值有了一定程度的降低，从而使跟随车辆受到的气动阻力降低。

图22 等间距队列各车头前部压力分布曲线[41]

基于目前已有研究成果，对于乘用车队列，间距在0.5～2倍车长以内，队列平均风阻系数可降低10%～20%。因此，在队列行驶时，为保证整体具有良好的节油效果，在保证安全行驶的前提下，应尽量缩小两车跟随距离。

图23 不等间距队列行驶时，各车头前部压力分布曲线[41]

对于商用车队列，BROWAND等人在2000年—2004年对基于空气动力学性能的商用车队列节油率变化规律进行了大量探索，以两车队列为研究对象，当车辆间距为3 m～4 m时，队列平均节油率约为11%，当车辆间距为8 m～10 m时，队列平均节油率约8%，其中当车辆间距分别为4 m和10 m时，头车及跟随车节油率变化规律如图24所示。

图24 商用车两车队列头车及尾车燃油消耗随 车辆间距变化分布图[42]

TSUGAWA等人在日本Energy ITS项目支持下也做了大量商用车队列行驶研究，以三车队列为例，空载状态下队列各车节油率随车辆间距变化如图25所示，当车辆间距为10 m时，队列平均节油率约为13%，而相同间距下，车辆正常装载时，队列平均节油率约为8%。

图25 空载状态下各车节油率随车辆间距变化图[43]

此外，由德国发起的CHAUFFEUR项目（1996—2004年）、KONVOI项目（2005—2009年）、美国PATH项目（1986年—）、日本Energy ITS 项目（2008年—）、加拿大发起的e TV项目（2013—2014年）等也分别开展了商用车队列行驶时，队列燃油消耗随车辆间距变化规律的研究。基于现有技术成果，商用车队列行驶间距在8 m～10 m以内时，头车节油率约为6%左右，跟随车节油率约为14%左右，队列的平均节油率大约为10%左右。

1.2.3 队列形式影响规律分析

在未来智能交通环境下，车辆队列的组成会包括多种形式，除单一的乘用车、商用车队列，在实际道路行驶时，更多的是由不同类型乘用车和商用车组成的混合车型队列。与单一车型组成的队列相比，商用车和乘用车组成的混合队列其气动特性变化更加复杂，且需要耦合考虑的影响因素更多。

SCHITO等人以卡车、阶背式轿车、紧凑型轿车和厢式货车组成的三种不同队列进行研究，队列形式如图26所示，其中队列(a)依次为卡车、紧凑型轿车、阶背式轿车；队列(b)依次为厢式货车、紧凑型轿车、阶背式轿车；队列(c)依次为阶背式轿车、紧凑型轿车、厢式货车。当车辆间距为0.5 m时，各队列车辆风阻系数变化如图27所示，当队列头车为正投影面积较大车辆时，跟随车辆风阻系数降低幅度较大，当队列头车为正投影面积较小车辆时，跟随车辆风阻系数降低幅度相对较小。

图26 不同队列形式组合示意图[35]

图27 不同队列形式各车辆风阻系数变化分布图[35]

DAVILA等人以前两车为商用车和后跟随车为三辆乘用车组成的队列为研究对象，探究了队列各车节油率随车辆间距的变化规律，如图28所示，在5 m～15 m间距内，不同位置车辆的节油率均有不同程度的提升，且第四辆和第五辆车节油率变化规律较为相似。

图28 队列中不同位置车辆节油率随车辆间距变化图[49]

MCAULIFFE等人以重型、中型商用车、轿车以及SUV组成的单车道和双车道不同队列形式进行研究，各类型车辆比例模型如图29所示，同时探究了不同队列形式下重型商用车气动套件（包括货箱侧裙板和尾部导流板）的减阻效果变 化规律，套件结构如图30所示。在不同的队列形式下，重商商用车风阻系数能降低1%～16%，且气动套件最大能产生20%的降阻效果。

图29 各类型车辆比例模型几何示意图[50]

图30 重型商用车气动套件结构示意图[50]

谷正气等人采用CFD技术手段，对轿车尾随集装箱货车过程的流场结构进行分析，研究发现随着两车间距的减小，轿车风阻系数呈现先减小后增大的规律，如图31所示，其中车辆间距为轿车长的整数倍距离，为轿车单车风阻系数，为轿车尾随货车时的风阻系数，当两车间距为两倍轿车长时，轿车风阻系数可降低25%左右，节油率约为13.7%。因此，对于轿车跟随货车工况，需选择合适的车辆间距作为跟随距离以获得良好的节油效果。

图31 轿车尾随货车行驶时，车辆风阻系数随间距变化图[51]

对于未来智能交通环境下队列行驶工况，从空气动力学性能改善方向考虑，要综合考虑不同类型车辆需以不同的队列形式行驶，以保证队列整体的气动性能获得改善。

2 队列行驶外部影响因素研究进展

车辆队列行驶时，周围环境也会实时对其气动性能产生重大影响。环境对车辆队列行驶的影响主要来源于自然环境和道路环境。其中自然环境影响主要为自然状态下，由于空气流动所形成的风对车辆气动性能所产生的影响。自然风的流动方向及湍流状态均具有强烈的非定常性，对车辆产生的影响也具有较大的不确定性。道路环境的影响主要为自然风在遇到障碍物时，其风向、大小等产生变化后，对车辆气动性能所产生的影响，上述障碍物包括自然环境中的山体、丘陵、人工环境中的隧道、桥梁、隔离带、高层建筑物以及突然发生的超车会车等。车辆在受到以上环境因素影响时，很容易发生侧滑、横摆、甚至侧翻等失稳现象，进而影响到车辆的操纵稳定性及行车安全。

2.1 自然环境影响因素分析

自然环境产生的气流具有强烈的非定常性，通常采用风谱特征对其进行描述，而风谱特征的获得则需借助统计学。因此，自然环境对车辆气动性能影响的研究难度较大，通常需要做一定的假设或简化。

隗海林等人以CFD技术手段，研究了车辆间距和侧风来流角度对队列风阻系数和节油率变化的规律，在0°～20°来流角度范围内，头车和跟随车节油率随来流角度变化规律如图32所示，通过研究表明前车节油率受侧风影响较小，而后车节油率受侧风影响较大，当侧风来流角度为20°时，与无侧风相比，后车节油率降低15.55%，为更直接明了的对车辆间距、侧向风和风阻系数之间的关系进行说明，文中绘制了三者之间关系的三维图，如图33所示，间距较小时，前车对侧风敏感性较高，随着来流角度和车距的增大，风阻系数变化不再显著，但整体仍较高，后车对来流角度和车距的敏感性均较高，因此，在有侧风工况下进行队列行驶时，需多关注跟随车辆行驶状态，通过调整车速、车辆间距等，以提升跟随车辆节油率。

图32 队列中头车和跟随车节油率随来流角度变化图[57]

图33 两车间距、来流角度及相对风阻系数关系图[57]

VEGENDLA等人对两车在同车道跟随行驶及相邻两车道跟随行驶时侧风对队列气动性能的影响进行研究，车辆相对位置如图34所示。通过对横摆角0°和±6°下前后车辆的节油率进行平均，可得出头车和跟随车辆平均节油率随车辆间距变化，如图35和图36所示。

图34 车辆相对位置示意图[58]

图35 头车不同偏航角下平均节油率随车辆间距变化图[58]

图36 尾车不同偏航角下平均节油率随车辆间距变化图[58]

根据图35和图36所示，同车道跟随行驶对于头车和跟随车平均节油率均有一定提升，但随着车辆间距的增大，平均节油率均有不同程度降低，这与无横摆角时节油率变化规律一致，相邻车道跟随行驶时，各车平均节油率均大幅下降，但随着车辆间距增大，跟随车辆节油率则会产生小幅度提升，此外，通过对车辆相邻车道跟随行驶时外流场进行分析，当车辆产生横摆时，两车流场相互影响显著，尤其当横摆角为6°时，前车气流分离对后车影响较大，导致整体风阻系数增大。因此，在侧风工况下行驶时，相邻车道车辆应尽量保证较大车辆间距，这对提升行车安全和节油效果会产生不同程度影响影响。

GHEYSSENS借助CFD的手段对GETS模型进行研究，模型如图37所示，探究了侧风工况对不同车头圆角半径下队列气动性能的影响。

图37 GETS模型示意图[59]

如图38和图39所示，在不同车头圆角半径下，侧风对队列中各车气动性能影响不同，侧风对大车头圆角半径中间车辆影响较小，对头车和尾部车辆影响较大。对于小车头圆角半径车辆，侧风对队列中不同位置车辆影响均较大。因此，为提升队列车辆侧风稳定性，在设计车辆造型时，可考虑适当增大车头迎风部位圆角半径。

图38 R=0.135 m时队列各车辆风阻系数随 横摆角变化图[59]

图39 R=0.27 m时队列各车辆风阻系数随横摆角变化图[59]

然而，自然环境中风的流向和大小均是实时进行变化的，对队列车辆产生的影响也是一个动态变化的过程。目前受限于计算机硬件及软件技术限制，研究多针对单车工况，对车辆在受到瞬态侧风时的气动特性和车辆动力特性进行耦合计算，得出瞬态侧风作用下，风与车辆之间实时的相互作用以及产生的影响，随着未来计算技术及风洞测试技术的发展，通过运用大规模计算资源，获得瞬态侧风对队列气动性能动态影响的变化规律，对指导实际道路环境下，队列如何对环境风进行感知并作出相应相应具有重要意义。

2.2 道路环境影响因素分析

车辆在道路行驶时，除受到自然风的直接影响，当其遇到障碍物时，其风向和大小均会产生不确定的变化，当其作用在车上时，对车辆的气动性能又会产生不同的影响。对于复杂道路环境下车辆的空气动力学性能研究起步较晚，研究内容主要集中在桥梁、隧道以及高层建筑等建筑物对车辆的气动性能影响和超车、会车对车辆的气动性能影响。

李莉等人对厢式货车在两车并列、尾随进入隧道过程等多种情况下的瞬态空气动力学性能进行研究，如图40和41所示当两车并列行驶时，风阻系数和侧向力系数均有增大，尾随行驶时，前车和后车的风阻系数则均有不同程度降低侧向力系数则在小范围内振荡变化。

图40 车辆不同相对位置行驶时各车辆风阻系数分布图[68]

图41 车辆不同相对位置行驶时各车辆 侧向力系数分布图[68]

当两车并列行驶至隧道口及进入隧道过程中，两车风阻系数和侧向力系数均发生剧烈变化，两车并列行驶时，前方正压区域增大，后部尾流相互干扰，导致整体风阻系数增大，当两车尾随行驶通过隧道时，前车尾流对后车车头正压区域产生作用，使后车正压区压力减小，后车风阻系数产生一定程度降低，因此，对于多车进出隧道时，应尽量避免两车并列行驶工况，采用队列尾随形式通过隧道并保持适宜车辆间距，这对于提高整体气动性能和行车安全均均有重要意义。

AHMED等人通过风洞试验对两车并列行驶和超车过程中的气动力变化进行研究，在两车并列行驶及超车过程中，车辆周围流场的变化会导致两车产生一定的侧向滑移趋势，整个过程中两车所受侧向力及横摆力矩均会产生一定变化，因此，为保证车辆的行驶安全，需保持一定的横向及超车间距。

TSUEI等人对单车超车4车队列过程中的气动性能变化进行研究，超车车辆与队列相对位置如图42所示，研究发现超车车辆与队列之间横向间距、相对速度及车辆造型均对两者之间的气动性能有显著影响，在单车超过队列行驶过程中，队列中各车风阻系数均有显著增大，且侧向力方向不断发生变化。当单车与队列之间相对速度减小时，队列中各车所受气动力均有所增大。因此，从空气动力学的角度研究车辆队列行驶技术不仅对提高燃油经济性有着重大意义，对研究其操稳性和安全性也能够提供重要参考。

图42 单车经过四车队列相对位置示意图[70]

通过众多研究结果研表明受道路环境影响形成的瞬态风对车身所受气动力和力矩会产生显著影响，这主要是由于瞬态风速度梯度变化较大，对于行驶中的车辆而言，其作用变化也非常明显，进而导致车辆在行驶过程中出现失稳现象。由于环境对车的影响较为复杂，目前研究成果主要集中在单车或两车方面，因此，在不同环境下进行队列行驶时，队列-环境-风之间的动态耦合计算以及对相互之间动力学响应的判断也将会是队列行驶技术的研究重点。

3 发展趋势与展望

纵观国内外基于空气动力学性能的车辆队列行驶技术研究成果，车辆队列行驶时，车与车之间以及车与环境之间的相互作用均对其整体的气动性能有着显著影响。合理的队列行驶规划不仅能有效提高车辆的燃油经济性，对其操纵稳定性和安全性的提升也具有显著影响。然而，队列行驶技术的工程化应用仍旧面临巨大的挑战，本文针对车与车之间影响和环境与车之间影响两个方面存在的难题提出以下解决途径。

3.1 队列内部因素研究展望

根据前人研究结果，车辆队列行驶时，车与车之间的影响因素繁多，在实际应用时存在较多困难，可总结为以下两点：第一，待输入影响因素繁多，包括队列中车辆数目、间距、速度、造型、相对位置等；第二，预测困难，即如何对大量信息进行融合与规划响应。针对以上问题，目前还没有较好的解决方案。然而从仿生学角度来看，车辆队列行驶时车辆布局与自然界中某些自然群体行为（如鸟类迁徙、蚂蚁觅食以及鱼群洄游等）有着极高的相似度，这些自然群体规模不定，然而其群体行为却具有较强的灵活性、并行性以及稳定性，这主要是依靠个体根据收集的信息对自身行为进行实时调整，最终实现群体的智能化行为。因此，群智能作为新兴的研究领域已应用于诸多学科，群智能算法具有参数少、运算速度快、全局搜索能力强等若干优势。队列行驶技术为包含多变量的非线性规划问题，通过引入群智能算法对车辆队列行驶进行建模以及参数和编码方式的设计，以此获得最优队列行驶参数。群智能算法为解决这类高维多目标的优化问题提供了新的解决途径。

3.2 队列外部因素研究展望

车辆在实际行驶时，所处环境通常是复杂而多变的，对环境信息的感知情况将直接对其自身行驶状态的判断产生影响。目前车辆对环境的感知主要依靠雷达、摄像头、多传感器融合以及基于深度学习的图像特征提取等手段，然而以上感知技术只能对障碍物、行人车辆、交通标志等信息进行识别与判断，无法对气体的流动状态以及其对车辆的作用状况进行感知和预测。而前人研究成果表明车辆周围气流状态的感知和气动力对车辆产生作用效果的判断对其气动性能的提升有着重要作用。但是，车身周围流场结构具有较为复杂的特征，且随着环境的变化而实时变化，无法通过数学模型进行表征，因此在对流场进行准确感知方面，目前存在较大的技术难度。然而，在自然界中，许多动物拥有人类所不具备的流场感知能力，其通过对流场信息的感知，可实现猎物的识别定位和追踪、在全黑暗环境下形成周围流场水动力学图像以及在非稳定环境下，出色地完成飞行或游动等行为。车辆在道路上行驶时，周围是实时动态变化的流场，因此，从感知周围流场信息入手，通过研究对流体流动的感知方法，获得实时环境信息后对车辆队列进行调整，使其能更好地适应环境，从而实现车辆队列的空气动力学性能最优状态。

4 结论

随着测量技术、控制技术以及计算机等技术的快速发展，基于空气动力学性能的车辆队列行驶研究经历了从简单试验结果的阐述到流体流动机理的剖析，研究内容涵盖了车与车和环境与车之间的各类影响因素，并得到相应的变化规律，为将来队列行驶技术的实际应用提供了一定的理论研究基础。然而实际道路环境是复杂而多变的，前人的研究均进行了一定假设和理想化条件的设置，因此，接近道路真实工况的车辆队列行驶研究将会时未来的研究热点，本文从仿生学的角度，提出了研究车与车和环境与车之间影响因素可采取的研究思路，为后续基于空气动力学性能的车辆队列行驶研究提供参考。