試驗(yàn)場(chǎng)瞬態(tài)風(fēng)環(huán)境氣流特性研究

【摘要】為研究試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)際道路瞬態(tài)風(fēng)環(huán)境氣流特性，在實(shí)車(chē)和道路側(cè)安裝風(fēng)環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備，采集了瓊海試驗(yàn)場(chǎng)、鹽城試驗(yàn)場(chǎng)直線(xiàn)性能路風(fēng)環(huán)境參數(shù)，包括風(fēng)速、偏航角、湍流強(qiáng)度、湍流積分尺度等，分析結(jié)果表明，試驗(yàn)場(chǎng)氣流特性與仿真環(huán)境和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的氣流特性存在明顯差異，試驗(yàn)場(chǎng)風(fēng)速波動(dòng)范圍為±4 m/s、偏航角波動(dòng)范圍為±5°，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，湍流強(qiáng)度為2%～10%，湍流積分尺度為2～20 m，脈動(dòng)風(fēng)速譜基本滿(mǎn)足馮·卡門(mén)（von Kármán）湍流譜。

關(guān)鍵詞：瞬態(tài)風(fēng)環(huán)境 偏航角 湍流強(qiáng)度 湍流積分尺度 脈動(dòng)風(fēng)速譜

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.5" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240372

Study on Transient Wind Characteristics in Test Sites

Liu Man， Chen Long， Huang Xianbo， Luo Zemin， Hu Zhengquan

（GAC Ramp;D Center， 510000）

【Abstract】By installing the four-hole probe on the hood of a vehicle and some pressure taps on the surface of the vehicle to collect the wind flow parameters such as velocity， yaw angle， turbulent intensity， turbulent length scale， spectra etc.. In this study， transient wind characteristics on two test sites （Hainan Automobile Proving Ground and Yancheng Automobile Proving Ground） are investigated. The results showed that there are significant differences in the wind flow characteristics between the test site and wind tunnel experiments and numerical simulations. The wind velocity in the test site fluctuates within the range of ±4 m/s， the yaw angle fluctuates between -5° and 5°， and the yaw angle distribution follows the standard normal distribution， the turbulence intensity is almost in the range of 2%～10%， the turbulent length scale is 2～20 m， and the measured spectra show a good correlation to the empirical von Kármán spectra.

Key words： Transient wind characteristics， Yaw angle， Turbulent intensity， Turbulent length scale， Spectra

【引用格式】 劉漫， 陳龍， 黃憲波， 等. 試驗(yàn)場(chǎng)瞬態(tài)風(fēng)環(huán)境氣流特性研究[J]. 汽車(chē)工程師， 2025（2）： 30-34.

LIU M， CHEN L， HUANG X N， et al. Study on Transient Wind Characteristics in Test Sites[J]. Automotive Engineer， 2025（2）： 30-34.

1 前言

汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的研究逐漸從穩(wěn)態(tài)向瞬態(tài)轉(zhuǎn)變，從僅關(guān)注零偏角到關(guān)注多角度側(cè)風(fēng)工況，開(kāi)發(fā)工況越來(lái)越接近汽車(chē)真實(shí)行駛風(fēng)環(huán)境。

近年來(lái)，通過(guò)在實(shí)車(chē)上安裝測(cè)量設(shè)備進(jìn)行道路試驗(yàn)以獲得實(shí)際道路瞬態(tài)風(fēng)環(huán)境工況的研究較多，并有研究人員通過(guò)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室增加裝置模擬實(shí)際道路瞬態(tài)風(fēng)環(huán)境工況。2007年，Lindener等[1]通過(guò)道路試驗(yàn)獲取了汽車(chē)行駛時(shí)的風(fēng)環(huán)境參數(shù)，包括湍流強(qiáng)度、積分尺度等，并在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室模擬了道路瞬態(tài)風(fēng)環(huán)境工況。2008年，Lawson等[2]在道路上測(cè)量某掀背式汽車(chē)的側(cè)窗玻璃風(fēng)壓系數(shù)，發(fā)現(xiàn)測(cè)得的表面壓力對(duì)氣流偏角的平均靈敏度約為穩(wěn)態(tài)風(fēng)洞試驗(yàn)中測(cè)量數(shù)值的一半。2016年，Stoll等[3]分別在斯圖加特大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室模型風(fēng)洞和全尺寸風(fēng)洞噴口位置加裝翼型裝置，模擬的實(shí)際道路瞬態(tài)強(qiáng)風(fēng)工況和弱風(fēng)工況與實(shí)際道路采集工況吻合相對(duì)較好。2017年，Yamashita等[4]在豐田全尺寸風(fēng)洞噴口上部和下部分別安裝可調(diào)節(jié)頻率的阻尼板和三維翼型裝置，模擬實(shí)際道路瞬態(tài)風(fēng)環(huán)境工況。2020年，Jessing等[5]在德國(guó)高速公路上對(duì)某轎車(chē)進(jìn)行了氣動(dòng)效應(yīng)測(cè)量，結(jié)果表明，風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值仿真需要考慮道路瞬態(tài)風(fēng)環(huán)境工況。

基于上述背景，本文針對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)滑行路段風(fēng)環(huán)境開(kāi)展研究，通過(guò)在2款實(shí)車(chē)上安裝眼鏡蛇四孔探針，并在道路側(cè)安裝三維超聲風(fēng)速儀，采集試驗(yàn)場(chǎng)滑行路段風(fēng)環(huán)境氣流特性，包括風(fēng)速、偏航角、湍流強(qiáng)度、湍流積分尺度、風(fēng)速譜等，以期為車(chē)輛氣動(dòng)減阻降噪附件的開(kāi)發(fā)提供支撐。

2 道路試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 車(chē)輛整備

本文針對(duì)瓊海試驗(yàn)場(chǎng)和鹽城試驗(yàn)場(chǎng)直線(xiàn)性能路風(fēng)環(huán)境特性數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。測(cè)試車(chē)輛如圖1所示，瓊海試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試車(chē)輛在發(fā)動(dòng)機(jī)罩和車(chē)頂安裝眼鏡蛇四孔探針，鹽城試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試車(chē)輛在發(fā)動(dòng)機(jī)罩距車(chē)輛前端約2/3位置處安裝眼鏡蛇四孔探針。為獲取試驗(yàn)場(chǎng)完整風(fēng)環(huán)境參數(shù)，在測(cè)試道路側(cè)布置Gill WindMaster Pro三維超聲風(fēng)速儀，試驗(yàn)用傳感器及其布置情況如圖2所示。

2.2 測(cè)試設(shè)備風(fēng)洞標(biāo)定

本文路試設(shè)備標(biāo)定在全尺寸整車(chē)風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞為回流式整車(chē)風(fēng)洞，噴口尺寸為6.4 m×3.25 m，試驗(yàn)段長(zhǎng)度為17.2 m，來(lái)流湍流度小于0.1%，氣流偏角小于0.2°。四孔眼鏡蛇探針可測(cè)量最大風(fēng)速為40 m/s，精度為±0.5 m/s，風(fēng)向測(cè)量角范圍為±45°，最高采樣頻率為8 000 Hz。

2.3 參數(shù)定義

根據(jù)汽車(chē)行駛氣流方向定義坐標(biāo)系，設(shè)汽車(chē)行駛方向的反方向?yàn)閄軸正向，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°為Y軸正向，垂直車(chē)頂平面向上方向?yàn)閆軸正向，如圖3所示。

根據(jù)四孔探針測(cè)得的X、Y、Z向風(fēng)速時(shí)程，可計(jì)算出風(fēng)速、偏航角時(shí)程變化、平均風(fēng)速、平均偏航角以及湍流強(qiáng)度、湍流積分尺度等，其中湍流強(qiáng)度、偏航角計(jì)算方式如下：

[I=I2u+I2v+I2w] （1）

[θ=arctanVU×180/π] （2）

式中：Iu=σu/[U]、Iv=σv/[U]、Iw=σw/[U]分別為X、Y、Z方向的湍流強(qiáng)度，σu、σv、σw分別為X、Y、Z方向的脈動(dòng)速度均方根值，[U]為來(lái)流平均速度，[θ]為偏航角時(shí)程，V為Y向風(fēng)速時(shí)程，U為X向風(fēng)速時(shí)程。

3 道路試驗(yàn)風(fēng)洞標(biāo)定

本文道路試驗(yàn)的目的是獲取實(shí)際道路風(fēng)環(huán)境參數(shù)，為消除車(chē)身對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，路試前在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室對(duì)設(shè)備安裝位置及方式進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，選取在發(fā)動(dòng)機(jī)罩距車(chē)輛前端約2/3位置處安裝眼鏡蛇探針，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室激光初步調(diào)整探針?biāo)轿恢煤痛怪蔽恢茫缓笸ㄟ^(guò)采集數(shù)據(jù)分析結(jié)果微調(diào)探針，最終使探針偏航角和俯仰角變化與空氣動(dòng)力學(xué)天平變化基本一致。

表1所示為眼鏡蛇探針偏航角標(biāo)定結(jié)果，隨著空氣動(dòng)力學(xué)天平角度變化，偏航角誤差隨角度增加而增大，當(dāng)偏航角為5°時(shí)，最大誤差為2.982 0°，該誤差一部分來(lái)自眼鏡蛇設(shè)備的中軸線(xiàn)與空氣動(dòng)力學(xué)天平中軸線(xiàn)之間的偏差，另一部分可能來(lái)自車(chē)身對(duì)流場(chǎng)的干擾。眼鏡蛇探針偏航角變化趨勢(shì)與天平轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)基本一致，如圖4所示，基本滿(mǎn)足預(yù)期。俯仰角一致性較好，3次測(cè)量最大誤差為-1.307 6°，滿(mǎn)足工程誤差要求，如表2所示。

4 道路風(fēng)環(huán)境

本文主要針對(duì)瓊海試驗(yàn)場(chǎng)和鹽城試驗(yàn)場(chǎng)直線(xiàn)性能路風(fēng)環(huán)境氣流特性進(jìn)行研究，瓊海試驗(yàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)為連續(xù)7天（2023年11月11～17日）采集獲得，包含晴天、陰天、早間、午間、晚間工況，共獲取324組有效數(shù)據(jù)。在鹽城試驗(yàn)場(chǎng)采集了2個(gè)晴天（2024年4月23～24日）早間、午間、晚間的風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)，共提取72組有效數(shù)據(jù)。

圖5、圖6所示分別為瓊海試驗(yàn)場(chǎng)120 km/h勻速行駛條件下的風(fēng)速和偏航角的時(shí)程曲線(xiàn)，受道路環(huán)境風(fēng)的影響，汽車(chē)來(lái)流方向的氣流并非勻速，風(fēng)速和風(fēng)偏角均存在明顯的脈動(dòng)現(xiàn)象。雖然鹽城試驗(yàn)場(chǎng)和瓊海試驗(yàn)場(chǎng)的風(fēng)速、偏航角變化曲線(xiàn)不同，但脈動(dòng)幅值基本一致，風(fēng)速均在±4 m/s范圍內(nèi)波動(dòng)，偏航角在±5°范圍內(nèi)波動(dòng)。

對(duì)鹽城試驗(yàn)場(chǎng)72組偏航角數(shù)據(jù)及瓊海試驗(yàn)場(chǎng)324組偏航角數(shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，得到偏航角分布情況如圖7所示。由圖7可知，鹽城試驗(yàn)場(chǎng)和瓊海試驗(yàn)場(chǎng)偏航角均滿(mǎn)足正態(tài)分布，鹽城試驗(yàn)場(chǎng)偏航角分布均值μ=0°、方差σ=2.178 1 （°）2，瓊海試驗(yàn)場(chǎng)偏航角分布均值μ=-0.072 8°、方差σ=1.076 8 （°）2。由于鹽城試驗(yàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，其偏航角分布相對(duì)瓊海試驗(yàn)場(chǎng)略顯分散。試驗(yàn)結(jié)果表明，樣本數(shù)量越大，試驗(yàn)場(chǎng)偏航角分布情況越趨近標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

圖8所示為偏航角與湍流的關(guān)系，由圖8可知，鹽城試驗(yàn)場(chǎng)和瓊海試驗(yàn)場(chǎng)的湍流強(qiáng)度基本分布在相同區(qū)間，即2%～10%。

圖9、圖10所示分別為鹽城試驗(yàn)場(chǎng)和瓊海試驗(yàn)場(chǎng)采集的其中一組數(shù)據(jù)的X、Y、Z方向的風(fēng)速譜，與馮·卡門(mén)（von Kármán）湍流譜相比，在低頻部分，道路采集數(shù)據(jù)略高，在高頻部分略低，整體吻合較好。通過(guò)譜函數(shù)分析統(tǒng)計(jì)，鹽城試驗(yàn)場(chǎng)和瓊海試驗(yàn)場(chǎng)湍流積分尺度在2～20 m范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)在試驗(yàn)車(chē)輛和試驗(yàn)場(chǎng)路測(cè)安裝風(fēng)環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備獲取試驗(yàn)場(chǎng)瞬態(tài)風(fēng)環(huán)境參數(shù)，對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)風(fēng)速、偏航角、湍流強(qiáng)度、湍流積分尺度等進(jìn)行研究，分析結(jié)果表明，試驗(yàn)場(chǎng)氣流特性與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)環(huán)境存在明顯差異，試驗(yàn)場(chǎng)風(fēng)速在±4 m/s范圍內(nèi)波動(dòng)，偏航角在±5°范圍內(nèi)波動(dòng)，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，湍流強(qiáng)度為2%～10%，湍流積分尺度為2～20 m，脈動(dòng)風(fēng)速譜基本滿(mǎn)足馮·卡門(mén)湍流譜。

試驗(yàn)場(chǎng)瞬態(tài)風(fēng)與仿真環(huán)境、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)態(tài)風(fēng)不同，故在實(shí)車(chē)氣動(dòng)性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)考慮瞬態(tài)風(fēng)的影響。在車(chē)型開(kāi)發(fā)階段，可通過(guò)在仿真算法中增加實(shí)際道路風(fēng)環(huán)境工況參數(shù)作為計(jì)算邊界條件，應(yīng)用于氣動(dòng)外造型開(kāi)發(fā)，亦可在車(chē)型驗(yàn)證階段通過(guò)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室增加用于模擬實(shí)際道路風(fēng)環(huán)境工況的裝置，用于實(shí)車(chē)氣動(dòng)附件的開(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯 弦 歌）

修改稿收到日期為2025年1月3日。