基于汽车实际行驶姿态的气动力风洞试验分析

张好运，廖思耀，范广军

（中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司（风洞中心），天津）

前言

在国家“双碳”背景下，各类节能减排政策对汽车的能耗要求越来越严苛，与之息息相关的汽车空气动力学性能现已成为汽车最为重要的性能之一。汽车风洞条件可控、重复性好，是目前作为验证汽车空气动力学性能的主要手段，但其测试方法与真实道路的差异将严重影响空气动力学开发的真实性及降阻方案实际应用的有效程度，因此，开展基于实际汽车行驶姿态的气动力特性测量的风洞实验具有十分重要的现实意义。

1 汽车风洞实验的概述

汽车风洞是一种可以人工产生和控制气流，并通过配备的各类测量装置来度量气流对物体的作用以及观察物理现象的管状设备[1]。汽车风洞实验是根据特定汽车设计要求在风洞中进行汽车升力、阻力和气侧倾力矩、俯仰力矩等空气动力学特征值的测量工作。在整车研发环节中，通过运动的一致性和相似性等原理开展阶段性气动力特性优化与迭代，并最终达成汽车空气动力学的性能指标[2]。

2 汽车风洞实验中天平与车辆的连接方式描述

2.1 汽车风洞常用的固定模式

随着风洞测试技术以及相关设备的不断发展，采用五带式道路模拟系统的整车气动声学风洞逐渐推广。汽车在风洞中的连接方式主要是通过配备在天平试验平台上的限位装置来实现试验车辆的固定[3]。采用固定模式进行连接的风洞实验可确保试验车辆在实验过程中自身姿态不会出现改变，图1 为固定模式下被测车辆与天平连接的情况。然而，固定模式也存在一定缺陷，使用该模式的风洞实验无法真实有效的模拟实际汽车道路行驶中的姿态[4]。

图1 车辆与天平以固定模式连接

2.2 中汽中心气动声学风洞的浮动模式

中汽中心气动声学风洞配备的天平除固定模式外，还有可以释放掉对车辆Z 方向的约束力，仅约束X、Y 方向的浮动模式连接，图2 为分量示意图，此方法保证实验过程中车辆的姿态与实际道路行驶时的姿态变化是一致的。

图2 分量示意图

3 基于不同连接方式的汽车风洞实验与实际道路汽车行驶的差异分析

固定模式下的风洞试验，汽车悬架系统无法发挥作用，车辆姿态不会发生改变，进而所测得的数据与实际道路的行驶车辆便存在较大差异[5]。图3 为通过天平试验台上的支撑杆对试验车辆进行固定的试验示意图。

图3 基于天平试验台固定模式下的汽车风洞试验

而车辆在实际道路行驶过程中，由于空气以一定流速流经车辆，并在车辆底盘与地面边界层产生地面效应，使得车辆底部的空气流速逐渐减小，从而压力有所增加。与此同时，空气流过车身上表面时，气流流速加快、空气压力进而减小，最终使得车辆底部压力超过上表面压力，进而产生升力以及俯仰力矩。而且汽车轮胎在旋转过程中，由于与地面接触会出现转动变形，进而对空气流动造成叠加影响，如图4 所示。表1 是获取的浮动模式下的多类型车辆前后轴变化参数表，分析表1 可知，所有试验车辆的车身姿态在不同速度下均出现上浮情况，一般车辆上浮范围在3～4 mm，性能车辆上浮范围在2～3 mm，这是因为离心力的产生会使轮胎半径增加，而性能车采用扁平比较高的轮胎，进而半径增大量相比于一般车辆而言较小。

表1 浮动模式下的车辆前后轴变化参数表

图4 实际道路汽车行驶的气动力学分析示意图

4 基于汽车实际行驶姿态的风洞试验方法优势

目前国内唯一可模拟汽车实际行驶姿态的气动力特性测量的风洞，可在试验过程中释放对车辆Z 向的约束，使车辆自身悬架系统始终处于工作状态，达到模拟车辆在实际道路行驶时悬架系统状态的效果。由于试验车身姿态可伴随车轮转动以及气动力/力矩等影响因素的变化而变化，在浮动模式下的气动力风洞试验可最大程度的保证气动六分量的准确性和真实性。尤其是对气动升力要求较高的性能跑车/赛车在指定配载下的实际道路车身姿态、伴随车速不断变化的主动装置(即空气悬架、主动格栅、主动尾翼等)的气动力风洞试验更应采用浮动模式进行测试。

5 车辆气动力特性结果的对比与讨论

5.1 汽车风阻系数的对比与讨论

汽车风阻系数是判断汽车在行驶过程抵抗风力能力的重要指标之一，其汽车风阻理论计算公式如下：

式中，Cd为气动阻力系数；F 为气动阻力；ρ 为空气密度；V 为空气流速；A 为迎风面积。通过计算公式不难发现，空气流速越大，对气动阻力系数影响越明显[6]。因此本次试验设定空气流速为140 km/h，其试验结果见图5。

图5 多类型汽车的气动阻力系数试验结果

分析可得采用浮动模式获得的汽车气动阻力系数均大于采用固定模式，且差值范围在0.001～0.003之间。这是因为试验车辆在浮动模式下，车身尾部整体的负压区范围扩增，车辆前后的压差阻力也随之增加，最终导致浮动模式下的整车气动阻力系数高于固定模式。由此可见，浮动模式测得的汽车风阻系数，可为降阻方案的实际应用效果提供有力数据支撑。

5.2 汽车气动升力系数的对比与讨论

汽车气动升力系数是指汽车在受到空气阻力时，其自身升力与参考面积和流体压力的乘积之比。本试验同样设定空气流速为140 km/h，其试验结果见表2和表3。

表2 多类型汽车的整车气动升力系数试验结果

表3 汽车的前轴与后轴气动升力系数试验结果

数据分析可得，根据车辆的前/后轴升力的差异，车身姿态呈现出不同的变化趋势，并且一般车辆前轴上浮幅度大于后轴，性能车辆前后轴上浮较平均，可得如下结论：（1） 车身姿态上浮，浮动模式下的气动升力增大；（2） 车身姿态俯冲，升力减小；（3） 车身姿态后仰，升力增大。主要原因有：（1） 一般车辆质心靠近前轴，静止状态下前轮受压变形较大；（2） 性能车辆前后轴质量分布较均匀，轮胎受压均匀；（3）试验车辆在浮动模式下的自身尾部由于升力/力矩的影响而升高，导致车辆底盘与地面边界层的厚度出现下降；（4） 试验车辆在固定模式下的车身尾部高度不会受到气动升力/力矩的影响而改变，车辆底盘与地面边界层的厚度便基本不发生变化，车身尾部上下压力自然相对稳定。综上所述，针对前轴/后轴升力分布不平衡的车辆而言，通过使用浮动模式进行风洞测试可以在保证足够安全的前提下，获得更加准确的试验数据。

5.3 浮动模式下汽车偏航状态结果的分析

在浮动模式下测量的偏航状态结果能够反应出车辆在实际行驶过程中的道路姿态，具体数值见表4。

表4 浮动模式下的多类型汽车偏航状态结果

经数据分析，可知偏航工况下，模拟实际道路姿态与固定姿态之间的力矩差异较大，其中侧倾力矩差异在7～23 count 之间、俯仰力矩在3～12 count 之间、横摆力矩在0～2 count 之间。因此为验证主动格栅、主动尾翼、空气悬架等随车速变化的主动装置的气动改善效果时，应注意其会受到力矩的作用会改变车辆的姿态，进而带来叠加或减弱的气动效果。

6 结论

汽车空气动力学是研究空气流体途径汽车表面时的运动规律及其和汽车如何相互影响的科学。汽车风洞试验是主要的研究方法，本文通过分析国内首个基于汽车实际行驶姿态的气动力风洞试验原理及方法，阐述释放车辆Z 向约束的新型浮动模式的优势，并通过对多类型车辆风洞试验结果的分析与论述，证明该风洞试验的准确性与先进性，为我国后续汽车空气动力学的研究奠定了夯实基础。