側(cè)風(fēng)環(huán)境下汽車氣動(dòng)特性研究綜述

楊靜

（重慶交通大學(xué)）

汽車空氣動(dòng)力學(xué)作為流體力學(xué)的一個(gè)重要分支學(xué)科，近年來逐漸受到各大汽車廠商的高度重視。汽車在行駛過程中常會(huì)受到氣動(dòng)擾流的影響，這種擾流對(duì)于汽車來講主要表現(xiàn)為側(cè)風(fēng)干擾，當(dāng)高速行駛的汽車受到側(cè)風(fēng)干擾時(shí)，汽車所受氣動(dòng)力將發(fā)生顯著變化，嚴(yán)重時(shí)將威脅到汽車行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性，因此進(jìn)行側(cè)風(fēng)環(huán)境下汽車氣動(dòng)特性的相關(guān)研究顯得尤為重要。文章綜合分析了近年來側(cè)風(fēng)環(huán)境下汽車氣動(dòng)特性的研究進(jìn)展，介紹了現(xiàn)階段主要的空氣動(dòng)力學(xué)車輛模型，總結(jié)并探討了風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究方法，并對(duì)側(cè)風(fēng)環(huán)境下汽車氣動(dòng)特性研究進(jìn)行了展望。

1 研究進(jìn)展

關(guān)于側(cè)風(fēng)對(duì)高速行駛車輛影響的研究起源于國外學(xué)者對(duì)火車、卡車等重型車輛的研究，因火車、卡車等重型車輛側(cè)面積較大，在行駛時(shí)很容易受到側(cè)風(fēng)干擾。隨著家用汽車的不斷發(fā)展，研究者將注意力逐漸轉(zhuǎn)向轎車等輕型車輛。文獻(xiàn)[1]首次進(jìn)行了側(cè)風(fēng)環(huán)境下汽車穩(wěn)定性的研究，結(jié)果表明流線型好的低風(fēng)阻汽車的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性相對(duì)較好。文獻(xiàn)[2]考慮駕駛員反應(yīng)、車輛懸架結(jié)構(gòu)和空氣動(dòng)力學(xué)因素，提出風(fēng)敏因子（WS）作為側(cè)風(fēng)環(huán)境下汽車操縱性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。文獻(xiàn)[3]分析了高速汽車側(cè)風(fēng)響應(yīng)特點(diǎn)，并研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)側(cè)風(fēng)環(huán)境下汽車穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[4]將橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角確定為汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。文獻(xiàn)[5]研究發(fā)現(xiàn)直接橫擺力矩控制（DYC）和主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向（AFS）都能有效改善汽車在側(cè)風(fēng)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和抗側(cè)向干擾能力。

為進(jìn)一步研究側(cè)風(fēng)對(duì)車輛氣動(dòng)性能和行駛穩(wěn)定性的影響，國內(nèi)外學(xué)者通過風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)單車模型進(jìn)行了研究[6-8]，結(jié)果表明：側(cè)風(fēng)強(qiáng)度、方向等變化均會(huì)引起車輛氣動(dòng)特性的改變，此外，不同道路形態(tài)對(duì)車輛氣動(dòng)性能也有較大影響，在側(cè)風(fēng)條件下進(jìn)行超車時(shí)，車輛的氣動(dòng)特性變化更為復(fù)雜。文獻(xiàn)[9]分析了側(cè)風(fēng)環(huán)境下前窗傾角對(duì)氣動(dòng)特性的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前窗傾角為35°時(shí)，車輛行駛穩(wěn)定性最好。文獻(xiàn)[10]以類汽車形體為研究對(duì)象，分析其在受到側(cè)向風(fēng)干擾時(shí)的氣動(dòng)力和流場結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[11]模擬了直背式轎車簡化模型在無側(cè)風(fēng)、穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)、非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)3 種情形下周圍流場的變化，研究發(fā)現(xiàn)側(cè)風(fēng)風(fēng)速對(duì)直背式轎車氣動(dòng)力影響顯著。文獻(xiàn)[12]以客車為研究對(duì)象，利用流固耦合方法對(duì)不同側(cè)風(fēng)工況下客車的氣動(dòng)特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[13]比較了動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)2 種常用的數(shù)值模擬方法在氣動(dòng)力和流場計(jì)算方面的優(yōu)劣。文獻(xiàn)[7]比較了3 種不同的側(cè)風(fēng)計(jì)算方法，其結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果具有較高的一致性。文獻(xiàn)[14]利用大渦模擬方法研究了汽車在受到瞬態(tài)風(fēng)影響時(shí)氣動(dòng)力和流場的變化。文獻(xiàn)[15]通過建立橋- 車- 路耦合系統(tǒng)，研究了汽車行駛過程中受到側(cè)風(fēng)干擾時(shí)流場和氣動(dòng)力的變化規(guī)律及其對(duì)車輛行駛穩(wěn)定性的影響。

2 車輛模型研究

為了提升汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究的效率，國內(nèi)外學(xué)者普遍采用了簡化的地面車輛模型，如Ahmed 車輛模型[16]、Willy 模型[17]、Windsor 模型[18]和Davis 模型[19]等。為了能最大程度地提高研究的準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)[20]選用某轎車1:1 模型對(duì)轎車外流場進(jìn)行研究。

Ahmed 汽車模型是國內(nèi)外學(xué)者最常用的一種簡化的地面車輛模型，用來研究地面車輛上的流場和作用力的特性。其中，文獻(xiàn)[21]研究了側(cè)風(fēng)環(huán)境下Ahmed 模型在不同偏航角（-25°≤β≤25°）的試驗(yàn)。除了Ahmed模型外，用于研究側(cè)風(fēng)影響的還有其他簡化的車輛模型，文獻(xiàn)[17]通過在風(fēng)洞試驗(yàn)中采用Willy 模型，觀察到偏航力矩對(duì)偏航角（β）的變化歸因于2 個(gè)漩渦識(shí)別模型的背面，發(fā)現(xiàn)模型背風(fēng)側(cè)對(duì)偏航力矩影響的重要性。此外，文獻(xiàn)[18]采用Windsor 模型，在試驗(yàn)中借助特制的雙風(fēng)洞設(shè)施，發(fā)現(xiàn)尾翼背風(fēng)側(cè)的流動(dòng)特征最容易受側(cè)風(fēng)影響，而背風(fēng)渦的環(huán)流與側(cè)風(fēng)系數(shù)的瞬變演化有關(guān)。文獻(xiàn)[19]在風(fēng)洞試驗(yàn)中采用了另一種簡化的車輛模型——Davis 模型，該模型在偏航面上振蕩，以模擬非定常開始的流動(dòng)條件，并指出模型振蕩對(duì)徑向后柱下游尾流的影響大于方形后柱。圖1 示出某汽車空氣動(dòng)力學(xué)模型。

圖1 某汽車空氣動(dòng)力學(xué)模型[22]

3 研究方法

側(cè)風(fēng)環(huán)境下汽車氣動(dòng)特性的研究主要有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2 種方法，主要通過風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。靜態(tài)研究將汽車模型偏轉(zhuǎn)不同角度以模擬不同來流方向的側(cè)風(fēng)，以此研究側(cè)風(fēng)大小及方向?qū)囕v氣動(dòng)特性的影響[23]；動(dòng)態(tài)研究方法比較有局限性，如動(dòng)態(tài)橫擺模型、牽引模型等都只能得到汽車運(yùn)動(dòng)對(duì)其氣動(dòng)特性單方面的影響，而忽略汽車氣動(dòng)特性對(duì)汽車運(yùn)動(dòng)的影響[24]。

3.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)中的車輛模型可分為固定和移動(dòng)兩大類。前者更為常見，特別適用于處理固定的空氣動(dòng)力學(xué)問題，而移動(dòng)車輛模型試驗(yàn)通過模仿車輛的移動(dòng)來獲得更真實(shí)的車輛氣動(dòng)特性。在靜態(tài)試驗(yàn)中，目標(biāo)車輛被固定在風(fēng)洞的地板上，入口流是均勻光滑的。考慮到車輛在行駛過程中所受的側(cè)風(fēng)是完全湍流的，在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)下，空氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)固定偏航角的依賴關(guān)系是研究車輛相對(duì)偏航角連續(xù)變化與脈動(dòng)風(fēng)引起的入流的傳統(tǒng)方法。因此，空氣動(dòng)力系數(shù)常通過在風(fēng)洞中沿一定的偏航角旋轉(zhuǎn)來測(cè)量。文獻(xiàn)[25]在全尺寸風(fēng)洞中開發(fā)并安裝了湍流生成系統(tǒng)，并在環(huán)境湍流條件下測(cè)量了阻力和升力，然而作為一種相對(duì)較新的技術(shù)，在風(fēng)洞中移動(dòng)車輛的試驗(yàn)研究仍面臨著許多挑戰(zhàn)。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，常采用染料噴射流可視化和激光粒子速度場測(cè)量技術(shù)（PIV）深入了解車輛模型尾流區(qū)在側(cè)風(fēng)作用下的速度場特征，以驗(yàn)證流場數(shù)值模擬的正確性[26]。

盡管目前許多關(guān)于環(huán)境湍流和陣風(fēng)引起的非定常空氣動(dòng)力響應(yīng)的研究都采用了先進(jìn)的試驗(yàn)裝置，但由于難以捕捉到非定常的氣動(dòng)力和測(cè)量的受限物理值，所以只能采集獲得有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，非定常空氣動(dòng)力學(xué)分析的附加試驗(yàn)裝置代價(jià)高昂，不適合工業(yè)發(fā)展過程。

3.2 數(shù)值模擬

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）是目前汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究廣泛運(yùn)用的一種方法，它可以提供大量的瞬態(tài)數(shù)據(jù)和關(guān)于流場的詳細(xì)的三維信息[6]，這可以幫助闡明車輛與公路非定常空氣動(dòng)力機(jī)制。然而，常規(guī)的雷諾數(shù)（RANS）模擬并不適用于瞬態(tài)分析，尤其是在波動(dòng)的流入流量與車輛的尾流湍流相互作用的情況下，這些復(fù)雜的非定常流的再現(xiàn)對(duì)湍流模擬形成阻礙。

目前，國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用最多的是大渦模擬（LES），其中大渦直接求解，而小渦和通用渦只建模，利用該方法可以解釋非穩(wěn)態(tài)三維渦流引起的瞬態(tài)氣動(dòng)響應(yīng)的物理機(jī)制。文獻(xiàn)[27]為研究某轎車在側(cè)風(fēng)工況下的風(fēng)振噪聲特性，采用大渦模擬方法對(duì)不同側(cè)風(fēng)速度、角度對(duì)風(fēng)振噪聲的影響進(jìn)行分析，同時(shí)為抑制風(fēng)振噪聲，研究提出在B 柱內(nèi)壁上使用V 型溝槽的解決方案。

文獻(xiàn)[20]為研究側(cè)風(fēng)對(duì)轎車氣動(dòng)力特性的影響，采用混合網(wǎng)格方案對(duì)不同強(qiáng)度側(cè)風(fēng)作用下的某轎車1:1模型外流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析不同側(cè)風(fēng)強(qiáng)度作用下車輛的流場速度和壓力分布，結(jié)果表明，汽車側(cè)向力系數(shù)和升力系數(shù)與側(cè)風(fēng)強(qiáng)度成正相關(guān)。

文獻(xiàn)[14]通過用戶自定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)更新和側(cè)面入口速度隨時(shí)間的變化，動(dòng)態(tài)模擬汽車通過一個(gè)側(cè)風(fēng)速度隨時(shí)間不斷增強(qiáng)的區(qū)域，研究結(jié)果表明，汽車升力、側(cè)向力和橫擺力矩受側(cè)風(fēng)速度影響較大，而阻力、側(cè)傾力矩和縱傾力矩受側(cè)風(fēng)影響相對(duì)較小。

文獻(xiàn)[13]為比較汽車氣動(dòng)特性數(shù)值模擬研究中穩(wěn)態(tài)方法和基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的動(dòng)態(tài)方法的優(yōu)劣，分別對(duì)汽車在側(cè)風(fēng)作用下的外部流場進(jìn)行了固定地面穩(wěn)態(tài)模擬、移動(dòng)地面穩(wěn)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)模擬3 種情況的數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果相互對(duì)比，并與試驗(yàn)值對(duì)比。結(jié)果表明，采用穩(wěn)態(tài)方法和動(dòng)態(tài)方法試驗(yàn)得到的汽車流場分布、阻力系數(shù)和升力系數(shù)以及較弱側(cè)風(fēng)條件下的側(cè)向力系數(shù)基本一致，強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下的側(cè)向力系數(shù)則差別較大，由此可得，采用合適的數(shù)值模擬方法能有效地模擬出與風(fēng)洞試驗(yàn)近似的結(jié)果。

文獻(xiàn)[7]研究了不同側(cè)風(fēng)狀態(tài)下車輛氣動(dòng)阻力系數(shù)和側(cè)力系數(shù)與橫擺角的關(guān)系，在FLUENT 軟件中對(duì)某轎車側(cè)風(fēng)狀態(tài)下的氣動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，得到相應(yīng)的變化關(guān)系曲線，并將其與風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，在一定程度上，合理選用數(shù)值模擬方案可省時(shí)省力地獲得較滿意的計(jì)算結(jié)果。

4 結(jié)論

綜上，對(duì)側(cè)風(fēng)環(huán)境下汽車氣動(dòng)特性的研究方法進(jìn)行了較為全面的分析。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫剡€原實(shí)車狀況，獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，但該方法耗資巨大，且過程復(fù)雜。而數(shù)值仿真模擬方法操作簡單、試驗(yàn)成本低，合理選用數(shù)值模擬方案可獲得較滿意的計(jì)算結(jié)果，但無法完全還原實(shí)車的情況，試驗(yàn)精度和效果有待提高。目前國內(nèi)外學(xué)者普遍采用將仿真試驗(yàn)與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的辦法，不斷提升仿真試驗(yàn)的精度和效率，成效顯著。

綜合考慮當(dāng)前側(cè)風(fēng)環(huán)境下汽車氣動(dòng)特性研究中存在的問題以及當(dāng)前該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)未來的工作進(jìn)行了展望，總體分為以下4 個(gè)方向：

1）考慮研究模型的差異性。建立側(cè)風(fēng)車輛模型時(shí)充分結(jié)合研究對(duì)象的差異，有針對(duì)性地選擇或者建立研究模型，以減小其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，最大程度地發(fā)揮模型的作用。

2）考慮風(fēng)洞試驗(yàn)的效率。在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)根據(jù)主要研究對(duì)象，結(jié)合研究車型特點(diǎn)，在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果不影響或影響盡量小的情況下將研究對(duì)象中的無關(guān)因素和變量簡化，以降低風(fēng)洞試驗(yàn)的時(shí)間，提升風(fēng)洞試驗(yàn)效率。

3）考慮數(shù)值仿真模擬的精度。數(shù)值仿真模擬時(shí)充分考慮各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，盡可能提高仿真試驗(yàn)精度，以獲得理想的試驗(yàn)效果，減小試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際的誤差。必要時(shí)將數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合，但由于各指標(biāo)間難以統(tǒng)一，耗時(shí)過長，如何提出更為合理高效的試驗(yàn)方法，獲得均衡優(yōu)化的試驗(yàn)結(jié)果，仍需要進(jìn)一步研究。

4）考慮不同側(cè)風(fēng)環(huán)境。目前僅對(duì)不同強(qiáng)度、不同方向的側(cè)風(fēng)環(huán)境下的車輛模型進(jìn)行研究，對(duì)不同車身姿態(tài)（如俯仰、側(cè)傾等）運(yùn)動(dòng)下的車輛模型仍需要進(jìn)一步研究。