道路湍流及其对汽车空气动力学性能的影响

风洞实验是汽车空气动力学的重要研究手段，在风洞实验室中通过设定特定的实验环境，定量控制实验条件，从而模拟汽车在路上行驶的状态，然而，风洞试验环境和真实道路环境是存在差距的。SAE J2071标准推荐的风洞实验室的湍流度要小于0.5%[1]，而真实道路上的湍流度一般大于2%，平均5%，最大为10-20%。真实道路环境和风洞环境的差异有多少？这种差异对汽车空气动力学性能有多大的影响？在风洞环境下进行的空气动力学设计在真实道路环境下表现如何？这些问题将在下文进行讨论。

首先从地面车辆的角度考虑近地面大气湍流的特征。近地面大气湍流的大量结论和数据来自气象和风工程领域，气象和风工程领域数据多采集于10 m以上高度，经过数学推理用来描述近地面区域的大气湍流特征。汽车行驶环境通常处在小于10 m的大气边界层内，这一区域属于大气边界层的底层，受路边障碍物、地形和交通环境等因素影响，因此，这一区域的大气环境非常复杂。最简单的情况是无风的天气，路边没有障碍物，地形平坦，并且路上没有其他车辆，这种就是通常在风洞试验和CFD中模拟的情况，然而这种情况却是极少出现的，近地面的时间平均风速的概率分布通常用威布尔分布拟合描述[2],如图1所示。

图1 典型的平均风分布特征[2]

图2 汽车行驶的真实道路环境[3]

由于空气的粘性，会在大气边界层内产生不同尺度的湍流以及产生湍流耗散的现象。在风工程领域，对于大气边界层内的湍流特征有准确的数学描述，可以参考ESDU(engineering sciences data unit)数据，图3显示了100米高度的湍流能谱，可以看到大气中存在很宽尺度范围的湍流。

图3 100米高度的湍流能谱[4]

泰勒冻结假设描述为：湍流脉动速度远小于平均速度，湍流好像冻结在空气中并随空气运动，在静止的一点和与平均速度同步的点测得相同的湍流脉动。近地面的大气湍流特征主要是用多孔压力探头测量道路上的湍流强度和尺度，以及地形、路边障碍物、交通状况和风速等条件的影响，图4显示了道路湍流的测量实验。

图4 道路湍流的测量及道路环境[5,6]

通过对测量结果的分析可知，道路湍流中纵向和横向湍流强度相当，垂向湍流强明显小于前两者，前车尾迹明显增大湍流强度。

(a) 不同道路环境的影响

(b) 不同方向湍流对比

图5 道路湍流强度[5,6]

道路湍流对空气动力学的许多方面都存在影响，这些方面包括：气动噪声、气动阻力、气动特性的动态响应、极限工况、散热以及造型优化等。道路测量和风洞试验结果对比表明：道路湍流对迎风侧气动噪声没有太大的影响，但随着湍流度的增加，背风侧气动噪声差距明显增大，道路测量的声压级低于风洞试验结果，这是由于实际道路上的瞬态流场受道路湍流的影响，在背风侧没有及时建立起来，没有达到风洞稳态试验的结果，从而导致声压级低于风洞实验结果。汽车车身不同的造型特征对道路湍流的敏感度不同。10-20Hz以上的道路湍流能量比较小，在这个频率范围车窗部分的非定常流动特征主要是自激振动。车内噪声对2-5 Hz以下的道路湍流的响应表现为准定常特性，更高频率的湍流对车内噪声影响不大。准定常和非定常的风洞试验表明：湍流对车内噪声平均声压级影响不大，但从室内乘员的主观感受来评价，湍流对噪声的调制作用比较明显，见图6。

(a) 右前内耳

 (b) 右前外耳

图6 道路湍流对车内总声压级的影响[7]

道路测量和风洞试验结果均表明：道路湍流增大了汽车气动阻力；降低了气动阻力对偏航角的敏感度，如图7所示。

图7 道路湍流度对车辆输出功率的影响[8]

许多文献研究了对于非定常来流下，汽车的气动特性响应，结果表明：在低频率大尺度湍流下表现为准定常特性，在高频小尺度湍流下表现为非定常特性；在2 Hz、3︒的动态摆动工况下，准定常结果高估了侧向力和翻滚力矩，低估了偏航力矩；与准定常结果相比，动态试验下侧向力和翻滚力矩有明显的延时，而偏航力矩表现为小的负延时。车身表面压力测量表明：与准定常结果相比动态试验中，车身前部压力基本相同，后部压力存在明显的幅值和相位的差距，从而导致侧向力减小，偏航力矩增大，如图8所示。

图8 准定常和非定常实验条件对迎风侧和背风侧压力差的影响[9]

超车、会车、跟车和转弯等极限工况下，车辆之间的相互作用容易导致舒适性、操纵性和安全性，因此需要研究这些工况下汽车的气动性能。从道路试验和CFD中可以得到超车会车过程中车辆之间有强烈的空气动力学相互作用，造成车身表面压力，侧向力，横摆力矩的变化，因此对稳定性造成影响，相互作用随着两车之间的距离减小而增强，如图9所示。

图9 会车过程中车身周围的压力分布[10]

道路湍流对整车热管理也有重要影响，研究表明，侧风可以明显减弱发动机冷却性能，偏航角越大越明显，道路试验与风洞试验结果一致；在进风量一定的情况下，散热器的散热性能随着进风湍流度的增加而增强；汽车许多流体区域散热性能受来流湍流度影响不大，因为本身这些区域就有充分的湍流；来流湍流增强空气与各个部件的热交换，湍流尺度影响不大，尾部风严重影响各个部件的散热，侧风不影响散热器的散热，但对底盘部件有较大影响。

图10 动力总成温度分布[11]

许多文献表明：是否考虑道路湍流分析获得的减阻优化的结果不同，通常在风洞试验中，低湍流度的条件下高估了一些减阻方法或气动部件的效果。

图11 卡车减阻量的道路与风洞测量结果对比[12]

风洞中湍流的模拟方式有主动与被动之分，被动系统主要是利用钝头体尾部的分离流动产生的湍流，基于阻力的系统，而主动系统包括基于阻力的和基于升力的系统。被动的TGS主要是利用网、柱或平板等钝头体尾迹分离特性产生湍流，所获得的湍流尺寸一半与这些钝体的尺寸相当或者更小，因此很难获得大尺度的湍流结构；让基于阻力的被动TGS按照一定频率振荡就能获得较大尺度的湍流，同时本来的小尺度高频湍流仍然存在，基于阻力的TGS很难获得低频的湍流；主动的基于升力的TGS通常是垂向摆动的翼型，能够获得大尺度的湍流，同时避免了钝体尾迹中高频小尺度湍流；track-side cross wind generator用于模拟侧风。典型的道路湍流产生装置如图12所示。

(a) TGS in Pininfarina [13]  

(b) FKFS swing® system [14]

图12 道路湍流的产生装置

参考文献：

[1] SAE J2071_199406 Aerodynamic Testing of Road Vehicles--Open Throat Wind Tunnel Adjustment.

[2] Cooper, Kevin R., and S. Watkins. The Unsteady Wind Environment of Road Vehicles, Part One: A Review of the On-road Turbulent Wind Environment. Society of Automotive Engineers (2007):315-332.

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[6] Wordley, S., & Saunders, J. (2009). On-road turbulence: Part 2. SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems, 2(2009-01-0002), 111-137.

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[11] Lan, K. T., & Srinivasan, K. (2009). Influences of Free Stream Conditions on Vehicle Thermal Management–An Analytical Study (No. 2009-01-1152). SAE Technical Paper.

[12] Watkins, S., & Cooper, K. R. (2007). The unsteady wind environment of road vehicles, part two: effects on vehicle development and simulation of turbulence (No. 2007-01-1237). SAE Technical Paper.

[13] Cogotti, A. (2004). Update on the Pininfarina “Turbulence Generation System” and its effects on the Car Aerodynamics and Aeroacoustics (No. 2004-01-0807). SAE Technical Paper.

[14] Blumrich, R., Widdecke, N., Wiedemann, J., Michelbach, A., Wittmeier, F., & Beland, O. (2015). New FKFS technology at the full-scale aeroacoustic wind tunnel of University of Stuttgart. SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems, 8(2015-01-1557), 294-305.