汽车非稳态气动特性研究成果 ——真实道路横摆角β分布研究

2020年10月，本公众号介绍了中国汽研和广汽研究院联合课题组共同开发的真实道路来流参数采集测量系统的集成以及风洞标定结果：

汽车非稳态气动特性技术研究成果——真实道路来流参数采集测量系统

本期特邀中国汽车工程学会汽车空气动力学分会顾问委员，广汽研究院肖凌先生继续介绍该系统在真实道路上的应用情况。

作者简介

肖凌：
现任广汽研究院空气动力学主任工程师，10年汽车空气动力学和热管理开发经验，曾主导或参与多款赛车（F1,Le Mans GT）及高性能量产车（FCA,GM）空气动力学研发。2017年加入广汽研究院，力争建设国际水平的开发能力与体系，推动汽车空气动力学前沿技术，并打造性能优秀的产品。


引 言

为了使路试数据更加有普适性，本研究利用气象数据和车辆密度提出了适用于全国道路的应用建议。影响风阻的来流参数有很多，包括横摆角度β，湍流强度，湍流尺度等。本文仅对横摆角度进行统计和分析。关于湍流强度和尺度的研究分析待后续工作完善后分享。

1. 研究目的 - 从零偏角Cd0到综合风阻Cdw

在常规的空气动力学风阻开发过程中，评价标准通常是0°偏角，低湍流度下的风阻。然而，用户在实际使用过程中，受到自然风，周边环境以及交通的影响，来流的角度和湍流强度与理想条件有一定差异。

这个现实造成两个主要问题：第一，在当前的评价标准下，通常是汽车风阻最低的状态。任何基于此风阻计算的排放，能耗都将低估风阻的贡献量；第二，在开发中由于仅关注一个角度的流场，优化出的车辆有很高的侧风敏感性，然而实际使用过程中风阻未必更优，误导设计决策。特别是第二个问题，笔者认为是关系到大量开发资源是否得到最有效利用，达到节能减排效果的关键问题。

在国内，与实际道路来流参数的相关研究还比较缺乏。由于中国气候多样，道路，车辆分布也非常不均匀，不适合使用气象数据和大气边界层进行理论计算。本研究采用了实车道路采集的方法，在国内典型的高速公路以及用于测量滑行阻力的跑道上，进行了数据采集。为了使数据更加有普适性，本研究根据气象数据和车辆密度提出了适用于全国道路的应用建议。

2. 道路选择

道路的选择需综合参考地貌和路况的因素，确保常见的场景如桥梁、隧洞、海拔、会车、超车等因素在测试路线中都能覆盖。课题组在重庆、海口以及广州的典型高速公路进行了数据采集。在海南期间，同时在琼海汽车试验场性能道做了采集。总共覆盖2377km，平均车速75km/h。图1为路试位置概况，图2为海南琼海汽车试验场路试场景，图3为三个城市周边道路实际测试时的录像图。


图1 实测道路分布


图2 琼海汽车试验场


图3 重庆、海口、广州路试录像图

3. 数据分析

道路测试数据采样频率1000Hz，但考虑到巨大的样本量，以及目前研究专注于统计概论平均分布，数据统计分析过程中采用了1Hz平均值。由于低速下测量横摆角度误差较大，数据处理过程中去除了40km/h速度以下的数据。由此处理后，有效样本量达到10.2万条，累积时长31小时。测试数据GPS速度分布如图4所示。


图4 路试中GPS速度分布
（纵坐标为样本量，每个样本1秒）

横摆角分布在0°左右，呈正态分布状，如图5所示。测试结果符合预期，分布在0°～1°的比例占比61%。


图5 横摆角分布

具体拆分每日的测量数据，虽然0～1°的占比最多，但不同地区、不同地点的差异仍然较大，见表1。

表1 不同地区横摆角分布


经过分析，基本能排除测试路段地貌以及交通繁忙度（与前车距离）带来的差异，而环境风带来的影响非常显著。为了系统地研究环境风带来的影响，需要为每条数据匹配时间和位置的气象信息。ERA5是欧盟主导的国际气象预报数据库，它实时收集并处理全球共享气象站测量的数据。整理数据后可以明显地看出环境风与横摆角的关系，如图6所示。在较小环境风速下，小横摆角比例较多；随着环境风风速增加，小横摆角比例逐步减少，大横摆角占比增加。虽然关联性不具有严格的单向性，但趋势性较为明显。如果样本量继续增多，这个关系会更加明确。


图6 横摆角β与环境风（气象数据V@10m）关联
(测量地表风速的气象标准为10m高度）

测量数据有区域和时间维度上的局限性。为了得到适用于汽车开发的全国的参数，横摆角分布需要考虑全国汽车保有量分布和全国自然风分布的权重。数据处理逻辑如图7：


图7 横摆角分布参数处理逻辑

这里需要说明的是，全国地理范围内的平均风速并不适用，由于风速的分布随着地理位置有显著差异，而车辆密度分布主要在城市及周边。例如，平均风速最大的地区包括内蒙古北部，青藏高原等，显然这些地区并不是车辆人口密集的局域。如果使用简单的全国平均风速计算会造成较大误差。

对于不同地区的风速分布，使用同样数据源获得全国汽车保有量最高的30个城市及周边2017-2020年的全年平均风速。通过各个城市的风速分布可以看出较大差异，沿海以及东北地区风速明显较大，如上海，深圳，沈阳。而中原和四川地区风速明显较小，如成都，重庆，西安等。其余城市风速分布处于中间，这与表1的实车道路测试结果是一致的，重庆地区一般风速较低，那么小角度（0°~1°）横摆角概率较高，而广州地区一般风速较高，小角度横摆角占比降低。

从汽车保有量来看，主要分布在一线、二线城市以及周边地区。汽车保有量与销量并非有严格的对应关系，但前30名的城市汽车保有量分布比较具有代表性，可作为自然风速的基础数据地区。

综上数据和计算方法去除了区域性和时间上的敏感性，得到适用于全国的横摆角度分布参数构成的综合风阻系数，这里展示间隔为1°的统计结果。其中Cdw代表综合风阻系数，Cdx代表在x度横摆角下的风阻系数。（这里假设车辆风阻系数对称，如果不对称则需要将横摆角度参数除以2处理，此外由于5°以上横摆角占比小于2%，这里忽略并重新分布使权重之和为1。）
Cdw=0.614Cd0+ 0.246Cd1+ 0.080Cd2+ 0.031Cd3+ 0.018Cd4+0.011Cd5

4.应用价值

根据上述的综合风阻的计算公式，可以综合考虑横摆角带来的影响，在车型开发中降低实际风阻。

图8统计了部分过往开发车型的综合风阻，可以看出综合风阻在大部分车型中都较0°偏角风阻增加。侧风敏感性较高的车型超过4%以上。如果按照Cd=0.3估算，是12 Count的增加量。这对于油耗或续航里程的计算有较大的影响。


图8 综合风阻分析

在一个车型开发过程中，在风洞试验中测试底护板的效果。加装底护板在0偏角没有起到减阻作用，然而在有偏航角度时效果明显（图9）。很显然，如果评价指标仅仅是Cd0, 底护板应该去除，然而，从综合风阻角度来看，护板的作用明显。


图9 某车型底护板在不同横摆角下的降阻效果

5. 总结

为了更好使研发工作贴近用户使用场景，广汽研究院会持续关注空气动力学开发中的评价工况，最合理的利用开发资源使得产品在空气动力学性能方面更加有竞争力。

后续将对该研究进行进一步挖掘。主要研究以下几方面的内容：湍流强度分布、风洞的道路流场复现、前车尾流对来流参数的影响、强侧风以及高速下车辆的稳定性等。