警灯对车辆行驶阻力和气动噪声有多大影响？有没有想过
研究背景
随着全球努力减少与交通相关的温室气体（GHG）排放，所有交通部门都应考虑减少道路车辆的燃油和能源消耗的方法。欧洲环境署（EEA）估计，大约25%的总GHG排放来自交通。一个非常适合改进的领域是紧急车辆领域，这是一组主要由警察、救护车和消防部门运输工具组成的道路车辆。紧急车辆需要使用照明系统来宣布它们的存在，同时帮助为它们的通行清除道路。历史上，这些照明系统由大型屋顶安装的结构组成，这些结构使用旋转的白炽灯来产生光线，同时也产生了大量的不希望有的空气动力学噪声和阻力。如今，警灯已经变得更小，以应对这些负面影响，主要在美国和许多欧盟国家由低轮廓的屋顶安装LED单元组成，尤其是在美国和许多欧盟国家。内部照明也是一个受欢迎的选择，其中照明条安装在前挡风玻璃和后挡风玻璃内部，这消除了与警灯相关的阻力产生。这些系统的一个主要缺点是它们不提供360度照明，但它们有适合更隐蔽操作的优势，类似于低轮廓警灯。不同部门存在不同的需求，但是当车辆在城市环境之外以高平均速度运行时，空气动力学需求开始超过能见度问题，这在燃油支出和环境影响方面尤为重要。这些紧急部门的车队管理者目前面临的挑战是选择最佳选项。随着对车队电气化的推动，需要回答使用外部警灯会损失多少行驶里程以及额外的CO2生产和燃油使用量。本文旨在回答这些问题，并旨在为车队管理者提供最佳决策指标，以帮助他们确定传统的屋顶安装警灯是否适合他们的电动汽车。此外，这些警灯系统的安装者对警灯的最佳安装位置以及如何在屋顶上最佳定位警灯以获得最佳的空气动力学和噪声性能有疑问。这些警灯系统的制造商也是关键利益相关者，他们需要知道什么是最具空气动力学优化的警灯外形，因为今天使用的大多数外形都是通用的高宽比矩形。屋顶安装的警灯通常安装在车辆的B柱上，因为这一点在车顶上有结构支撑横穿，这非常适合将警灯固定在车顶上。其他安装方法包括磁力安装，这在高速追逐场景中不太适合，因为在高速行驶时由于风险较高可能会导致脱落。在将屋顶安装的警灯纳入车辆时，还需要考虑操控性，以及警灯对车辆升力特性的影响，这在高速转弯或超车时可能尤为重要。噪声的重要性不容忽视。爱尔兰警察部队的一名车队管理者描述的一个实例突出了在追逐速度下车辆内部的噪声水平问题。如果警灯的设计没有考虑到降噪，它可能会为官员创造一个困难的工作环境。这在新一代奥迪Q7车队上安装了上一代警灯时表现得很明显，这导致车队暂停，直到进行了修改以减少高速下车内的噪声水平。
研究方法
研究使用了计算流体动力学（CFD）模拟，基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程和混合大涡模拟（LES）来预测车辆周围的气流。模拟使用了ANSYS Fluent软件，采用了k-ω SST模型来模拟湍流。研究还涉及了对车辆几何形状的详细建模，包括车辆的尺寸、形状和警灯的安装位置。此外，研究还考虑了警灯的角度调整、位置变化以及附加设备对空气阻力的影响。
研究内容
研究了警灯对不同类型紧急车辆的空气动力学影响。选择了四种警车和一辆救护车，基于它们在爱尔兰紧急车辆中的相关性。模拟结果显示，安装警灯后，车辆的阻力平均增加了8-11%。其中，现代i40车型的阻力增加最大，而途胜由于其较大的体型，受到警灯影响较小。这些结果对于车队管理者在选择车辆时具有重要意义，因为如果计划安装警灯，选择直背车型比斜背车型更为合适。
研究了警灯安装位置对车辆阻力的影响，包括警灯相对于车顶的高度、警灯的方向以及选择的安装柱。研究发现，降低警灯高度并不会减少阻力，反而略微增加了阻力。提高警灯高度则导致超过10%的阻力增加。将警灯纵向安装在车辆上可以减少5%的阻力。此外，对于直背车型，如现代i40，将警灯安装在C柱和D柱与B柱的阻力影响大致相同。
研究了简化版警灯与详细版警灯的空气动力学性能差异。简化警灯在阻力上与详细警灯几乎相同，但在某些配置上表现出更好的空气动力学性能。例如，降低简化警灯可以减少阻力，而分裂警灯设计提供了边际的阻力减少。警灯的倾斜角度在2.5度以内对阻力影响不大，但超过这个角度后，每增加2.5度阻力增加约4%。
为了提供对比，研究了旧一代警灯与新一代警灯之间的阻力差异。旧一代警灯导致阻力增加了近22%，是新一代警灯的两倍。这表明新一代警灯在空气动力学设计上的进步，使得它们更适合电动车辆。
研究了在警灯前安装减阻板的可能性。测试了八种不同的减阻板设计，但所有设计都没有实现降低基础阻力的目标。大多数设计增加了车顶的阻力分量，并在某些情况下导致车辆后部的阻力显著增加。
由于模拟配置数量较多，完全采用混合大涡模拟（LES）方法不可行，因此只对现代i40和Kona进行了混合LES方法的比较。结果显示，两种方法的整体阻力预测相当相似，但在某些车辆表面的个别贡献上存在差异。
使用Ffowcs Williams和Hawkings模型预测了警灯在六个不同接收器处的远场噪声水平。结果表明，警灯的后部是噪声产生最高的区域，这与阻力预测结果一致，后者发现警灯的后部对阻力贡献最大。
研究了四种初始替代警灯外形，旨在减少警灯的空气动力学阻力。结果表明，鼓励气流从警灯上方通过的设计减少了阻力，而鼓励气流从下方通过的设计增加了阻力。其中，V1设计表现最佳，提供了近4%的阻力减少。
基于LDL V1设计的最佳性能，研究了是否可以使用前部和后部夹层部分实现类似的阻力减少效果。结果表明，仅使用后部夹层可以减少大约2.5%的车辆阻力，而前部夹层单独使用则增加了阻力。
基于前面的研究结果，开发了最终的低阻力警灯设计。这种设计比当前一代警灯减少了5.7%的阻力，并且在未标记的车辆上仅增加了2.8%的阻力，这是一个三倍于当前警灯的改进。
