風洞試驗中車輛錨定方式對氣動力測量的影響分析*

陳 力，劉曉暉，龐加斌，楊志剛

(1.同濟大學上海地面交通工具風洞中心,上海 201804; 2.同濟大學汽車學院，上海 201804)

前言

國家法規和消費者對車輛燃油經濟性的關注迫使汽車企業重視車輛的空氣動力學性能。風洞試驗成為研究和開發車輛的重要手段。獲得反映道路車輛真實運行的高精度的氣動力數據是車輛開發必不可少的數據。為此，企業試驗人員和風洞科研人員從未停止對氣動力測試技術和測試方法的研究。在眾多測試技術和測試方法的研究中[1-2]，車輛的固定方式卻未被重視，相關的研究也很少。

早期的風洞試驗，車輛的錨定都采用浮動模式[3]，即僅以車輛自身質量和自帶靜態制動方式(如手剎等)進行錨定。在試驗過程中，隨著風速的增大，由于升力的增加可能使被測車輛尾部上翹，從而導致測量結果不可靠。隨著試驗設備和相關技術的發展，移動地面系統(路面模擬系統和車輛轉動系統)相繼被新建[4]和改造[5]的風洞采用。車輛的錨定方式發生改變，即以裝配在天平測量平臺上的車輛限位裝置固定試驗車輛。一方面保證了被測車輛在整個試驗過程中位置不發生改變，另一方面保證相關設備的安全。當然，限位裝置的存在可能對測量結果產生影響。

傳統的浮動模式和上述的固定模式在風洞氣動力測量中仍被使用。本文中重點對兩種錨定方式在風洞氣動力測量中的差異和根源進行研究。利用國內首個整車氣動-聲學風洞，對某車型進行浮動模式和固定模式的氣動力測量，考慮到限位裝置的有無會在一定程度上對測量結果產生影響，在浮動模式測量時，僅斷開車輛與限位裝置連接，見圖1(a)，車身起始姿態保持一致，最大程度地保證試驗數據的可比性，經過對氣動阻力和氣動升力結果的分析，給出了相關解析，為氣動力測量選用合理的車輛錨定方式提供試驗和理論依據。

1 試驗設備與方法

整車氣動-聲學風洞配備高精度六分量氣動天平和移動地面系統，滿足了浮動模式和固定模式的試驗條件。0.005%的阻力和0.007%的升力測量精度極大地滿足了區別兩種錨定方式所要求的氣動力測量精度。

試驗采用圖1所示的浮動模式和固定模式。分別測量了來流風速60～200km/h(步長為20km/h)的被測車輛的氣動阻力和氣動升力。利用經緯儀觀察記錄前后輪緣參考位置的變化，參考標尺位置如圖2所示。

氣動阻力系數Cd和氣動升力系數Cl分別為

(1)

式中：Ddrag和Dlift分別為氣動阻力和氣動升力，N；ρ為空氣密度，kg/m3；U為來流速度，m/s；A為迎風面積，取2.174m2。

2 試驗結果討論

2.1 氣動阻力系數

圖3為兩種模式下氣動阻力系數的試驗結果。可以看出，當風速為60～100km/h時，兩種模式得到的氣動阻力系數非常接近；但當風速為120～200km/h時，采用浮動模式得到整車氣動阻力系數大于采用固定模式，且差距在0.002～0.006之間。風速越高，差距越大。

利用經緯儀記錄浮動模式下，高度方向位移增量δz，如表1所示。在所有試驗風速下，前輪緣的δz基本為0。在較小風速時后輪緣的δz很小，但在較大風速時其δz較大，最大可達19mm。由于車尾的上翹，使車身尾部的負壓區增大，前后壓差阻力也變大，從而導致整車氣動阻力系數Cd在浮動模式下比固定模式大。

表1 前后輪緣δz

2.2 氣動升力系數

空氣以一定速度流經車輛時，由于車輛的底部和地面邊界層的作用，使得底部流速減小，壓力增大。同時，氣流流經車身上表面時，氣流加速、壓力減小，使車輛底部壓力大于頂部壓力，從而產生向上的升力，如圖4所示。兩種錨定方式下的氣動升力系數如表2所示。

表2 兩種錨定方式的氣動升力系數

注：C1f和C1r分別為車輛前部和車輛后部的氣動升力系數。

從表2可以看出，浮動模式與固定模式測得的車后部的氣動升力系數Clr不同，浮動模式下相比于固定模式要小些。在所有試驗風速下，約小0.015。這主要是由于試驗車輛在浮動模式下尾部由于升力(矩)作用而抬高，使底盤和地面邊界層厚度有所減小(δ浮動<δ固定)，通過底盤尾部的流速增大、壓力減小，車身尾部上下的壓力差變小，氣動升力系數由此變小。與之相反的是固定模式，由于車身尾部高度無法因氣動升力(矩)的作用而變化，地面和底盤的邊界層厚度基本不變，車身尾部上下壓力也不變。

對于車前部的氣動升力系數Clf，情況有所不同，即浮動模式下比固定模式要大些。速度小于120km/h時，約大0.015；速度大于120km/h時，差距有所減少，特別是在速度升至200km/h時，差距僅為0.006。這與車輛底盤和地面邊界層引起的逆壓梯度有關。在固定模式下，風速越大，逆壓梯度對車身前部的升力影響也越大，使流經車頭底部的氣流速度迅速減小，上下壓差急劇增大，所以在Clf的表現上增大速率更為明顯。在浮動模式下，底盤和地面的邊界層厚度的減小使底盤的氣流速度增大，減小了車輛底部的逆壓梯度。由于車尾的抬高，對前部氣流有一定的泄壓作用，因此逆壓梯度的發展呈穩定的狀態，Clf隨風速的增大呈穩定的狀態。

車后部氣動升力系數，浮動模式小于固定模式；而車前部氣動升力系數，浮動模式大于固定模式。綜合結果，兩種錨定方式差別不大，速度高于100km/h時，總氣動升力系數，浮動模式小于固定模式。應該指出的是，浮動模式下，車輛尾部上翹幅度與風速、車質量等多個因素有關。盡管同一輛車，也有可能因為某些輕微的改動，使車輛試驗狀態發生改變，測量出來的氣動升力系數不同，因此不具有可重復性。與之不同的是，固定模式能使所有試驗工況被測車輛的位置不變，可重復性較好。

3 結論

浮動模式與固定模式是試驗車輛的兩種錨定方式。在氣動力測量中，兩種方式得到氣動阻力和氣動升力是不同的。在氣動阻力方面，高風速時采用固定模式得到的氣動阻力系數比浮動模式小，其差距隨風速的增加而增大。在氣動升力方面，兩種錨定方式差別不大，速度高于100km/h時，固定模式的氣動升力系數比浮動模式稍大。

浮動模式簡單易操作，但由于車尾在高風速時上翹，存在一定運行操作安全問題，如在高風速下車輛容易飄逸產生事故。相反，固定模式在整個試驗過程中，被測車輛的位置固定不變，由此不僅保證試驗安全，而且同一車型試驗數據的可重復性和可比性也較好。

[1] Beauvais F N, Tignor S C, Turner T R. Problems of Ground Simulation in Wind Tunnel Testing of Automotive Models[C]. SAE Paper 680121.

[2] Hetherington B, Williams D B. Support Strut Interference Effects on Passenger and Racing Car Wind Tunnel Models[C]. SAE Paper 2006-01-0565.

[3] Wickern G, Beese E, et al. Computational and Experimental Evaluation of a Pad Correction for a Wind Tunnel Equipped for Rotating Wheels Balance[C]. SAE Paper 2002-01-0532.

[4] Duell E, Ebeling W, et al. The BMW AVZ Wind Tunnel Center[C]. SAE Paper 2010-01-0118.

[5] Johan S, Trevor B, et al. Upgrade of the Volvo Cars Aerodynamic Wind Tunnel[C]. SAE Paper 2007-01-1043.