杨静

（重庆交通大学）

汽车空气动力学作为流体力学的一个重要分支学科，近年来逐渐受到各大汽车厂商的高度重视。汽车在行驶过程中常会受到气动扰流的影响，这种扰流对于汽车来讲主要表现为侧风干扰，当高速行驶的汽车受到侧风干扰时，汽车所受气动力将发生显著变化，严重时将威胁到汽车行驶时的操纵稳定性，因此进行侧风环境下汽车气动特性的相关研究显得尤为重要。文章综合分析了近年来侧风环境下汽车气动特性的研究进展，介绍了现阶段主要的空气动力学车辆模型，总结并探讨了风洞试验和数值模拟研究方法，并对侧风环境下汽车气动特性研究进行了展望。

1 研究进展

关于侧风对高速行驶车辆影响的研究起源于国外学者对火车、卡车等重型车辆的研究，因火车、卡车等重型车辆侧面积较大，在行驶时很容易受到侧风干扰。随着家用汽车的不断发展，研究者将注意力逐渐转向轿车等轻型车辆。文献[1]首次进行了侧风环境下汽车稳定性的研究，结果表明流线型好的低风阻汽车的侧风稳定性相对较好。文献[2]考虑驾驶员反应、车辆悬架结构和空气动力学因素，提出风敏因子（WS）作为侧风环境下汽车操纵性的评价指标。文献[3]分析了高速汽车侧风响应特点，并研究了结构参数对侧风环境下汽车稳定性的影响。文献[4]将横摆角速度和质心侧偏角确定为汽车侧风稳定性的主要评价指标。文献[5]研究发现直接横摆力矩控制（DYC）和主动前轮转向（AFS）都能有效改善汽车在侧风环境下的动态响应特性和抗侧向干扰能力。

为进一步研究侧风对车辆气动性能和行驶稳定性的影响，国内外学者通过风洞试验和数值模拟对单车模型进行了研究[6-8]，结果表明：侧风强度、方向等变化均会引起车辆气动特性的改变，此外，不同道路形态对车辆气动性能也有较大影响，在侧风条件下进行超车时，车辆的气动特性变化更为复杂。文献[9]分析了侧风环境下前窗倾角对气动特性的影响规律，研究发现，当前窗倾角为35°时，车辆行驶稳定性最好。文献[10]以类汽车形体为研究对象，分析其在受到侧向风干扰时的气动力和流场结构。文献[11]模拟了直背式轿车简化模型在无侧风、稳态侧风、非稳态侧风3 种情形下周围流场的变化，研究发现侧风风速对直背式轿车气动力影响显著。文献[12]以客车为研究对象，利用流固耦合方法对不同侧风工况下客车的气动特性进行了研究。文献[13]比较了动态和稳态2 种常用的数值模拟方法在气动力和流场计算方面的优劣。文献[7]比较了3 种不同的侧风计算方法，其结果与风洞试验结果具有较高的一致性。文献[14]利用大涡模拟方法研究了汽车在受到瞬态风影响时气动力和流场的变化。文献[15]通过建立桥- 车- 路耦合系统，研究了汽车行驶过程中受到侧风干扰时流场和气动力的变化规律及其对车辆行驶稳定性的影响。

2 车辆模型研究

为了提升汽车空气动力学研究的效率，国内外学者普遍采用了简化的地面车辆模型，如Ahmed 车辆模型[16]、Willy 模型[17]、Windsor 模型[18]和Davis 模型[19]等。为了能最大程度地提高研究的准确性，文献[20]选用某轿车1:1 模型对轿车外流场进行研究。

Ahmed 汽车模型是国内外学者最常用的一种简化的地面车辆模型，用来研究地面车辆上的流场和作用力的特性。其中，文献[21]研究了侧风环境下Ahmed 模型在不同偏航角（-25°≤β≤25°）的试验。除了Ahmed模型外，用于研究侧风影响的还有其他简化的车辆模型，文献[17]通过在风洞试验中采用Willy 模型，观察到偏航力矩对偏航角（β）的变化归因于2 个漩涡识别模型的背面，发现模型背风侧对偏航力矩影响的重要性。此外，文献[18]采用Windsor 模型，在试验中借助特制的双风洞设施，发现尾翼背风侧的流动特征最容易受侧风影响，而背风涡的环流与侧风系数的瞬变演化有关。文献[19]在风洞试验中采用了另一种简化的车辆模型——Davis 模型，该模型在偏航面上振荡，以模拟非定常开始的流动条件，并指出模型振荡对径向后柱下游尾流的影响大于方形后柱。图1 示出某汽车空气动力学模型。

图1 某汽车空气动力学模型[22]

3 研究方法

侧风环境下汽车气动特性的研究主要有静态和动态2 种方法，主要通过风洞试验和数值计算来实现。静态研究将汽车模型偏转不同角度以模拟不同来流方向的侧风，以此研究侧风大小及方向对车辆气动特性的影响[23]；动态研究方法比较有局限性，如动态横摆模型、牵引模型等都只能得到汽车运动对其气动特性单方面的影响，而忽略汽车气动特性对汽车运动的影响[24]。

3.1 风洞试验

风洞试验中的车辆模型可分为固定和移动两大类。前者更为常见，特别适用于处理固定的空气动力学问题，而移动车辆模型试验通过模仿车辆的移动来获得更真实的车辆气动特性。在静态试验中，目标车辆被固定在风洞的地板上，入口流是均匀光滑的。考虑到车辆在行驶过程中所受的侧风是完全湍流的，在准稳态假设下，空气动力系数对固定偏航角的依赖关系是研究车辆相对偏航角连续变化与脉动风引起的入流的传统方法。因此，空气动力系数常通过在风洞中沿一定的偏航角旋转来测量。文献[25]在全尺寸风洞中开发并安装了湍流生成系统，并在环境湍流条件下测量了阻力和升力，然而作为一种相对较新的技术，在风洞中移动车辆的试验研究仍面临着许多挑战。在风洞试验中，常采用染料喷射流可视化和激光粒子速度场测量技术（PIV）深入了解车辆模型尾流区在侧风作用下的速度场特征，以验证流场数值模拟的正确性[26]。

尽管目前许多关于环境湍流和阵风引起的非定常空气动力响应的研究都采用了先进的试验装置，但由于难以捕捉到非定常的气动力和测量的受限物理值，所以只能采集获得有限的试验数据。此外，非定常空气动力学分析的附加试验装置代价高昂，不适合工业发展过程。

3.2 数值模拟

计算流体动力学（CFD）是目前汽车空气动力学研究广泛运用的一种方法，它可以提供大量的瞬态数据和关于流场的详细的三维信息[6]，这可以帮助阐明车辆与公路非定常空气动力机制。然而，常规的雷诺数（RANS）模拟并不适用于瞬态分析，尤其是在波动的流入流量与车辆的尾流湍流相互作用的情况下，这些复杂的非定常流的再现对湍流模拟形成阻碍。

目前，国内外学者运用最多的是大涡模拟（LES），其中大涡直接求解，而小涡和通用涡只建模，利用该方法可以解释非稳态三维涡流引起的瞬态气动响应的物理机制。文献[27]为研究某轿车在侧风工况下的风振噪声特性，采用大涡模拟方法对不同侧风速度、角度对风振噪声的影响进行分析，同时为抑制风振噪声，研究提出在B 柱内壁上使用V 型沟槽的解决方案。

文献[20]为研究侧风对轿车气动力特性的影响，采用混合网格方案对不同强度侧风作用下的某轿车1:1模型外流场进行数值模拟，并分析不同侧风强度作用下车辆的流场速度和压力分布，结果表明，汽车侧向力系数和升力系数与侧风强度成正相关。

文献[14]通过用户自定义函数实现计算网格的动态更新和侧面入口速度随时间的变化，动态模拟汽车通过一个侧风速度随时间不断增强的区域，研究结果表明，汽车升力、侧向力和横摆力矩受侧风速度影响较大，而阻力、侧倾力矩和纵倾力矩受侧风影响相对较小。

文献[13]为比较汽车气动特性数值模拟研究中稳态方法和基于动网格技术的动态方法的优劣，分别对汽车在侧风作用下的外部流场进行了固定地面稳态模拟、移动地面稳态模拟和动态模拟3 种情况的数值模拟，将模拟结果相互对比，并与试验值对比。结果表明，采用稳态方法和动态方法试验得到的汽车流场分布、阻力系数和升力系数以及较弱侧风条件下的侧向力系数基本一致，强侧风条件下的侧向力系数则差别较大，由此可得，采用合适的数值模拟方法能有效地模拟出与风洞试验近似的结果。

文献[7]研究了不同侧风状态下车辆气动阻力系数和侧力系数与横摆角的关系，在FLUENT 软件中对某轿车侧风状态下的气动特性进行数值模拟，得到相应的变化关系曲线，并将其与风洞试验进行对比。对比结果表明，在一定程度上，合理选用数值模拟方案可省时省力地获得较满意的计算结果。

4 结论

综上，对侧风环境下汽车气动特性的研究方法进行了较为全面的分析。风洞试验能够很好地还原实车状况，获得准确的试验结果，但该方法耗资巨大，且过程复杂。而数值仿真模拟方法操作简单、试验成本低，合理选用数值模拟方案可获得较满意的计算结果，但无法完全还原实车的情况，试验精度和效果有待提高。目前国内外学者普遍采用将仿真试验与风洞试验相结合的办法，不断提升仿真试验的精度和效率，成效显著。

综合考虑当前侧风环境下汽车气动特性研究中存在的问题以及当前该领域的发展趋势，对未来的工作进行了展望，总体分为以下4 个方向：

1）考虑研究模型的差异性。建立侧风车辆模型时充分结合研究对象的差异，有针对性地选择或者建立研究模型，以减小其他因素对试验结果的影响，最大程度地发挥模型的作用。

2）考虑风洞试验的效率。在进行风洞试验时根据主要研究对象，结合研究车型特点，在对试验结果不影响或影响尽量小的情况下将研究对象中的无关因素和变量简化，以降低风洞试验的时间，提升风洞试验效率。

3）考虑数值仿真模拟的精度。数值仿真模拟时充分考虑各个因素对试验结果的影响，尽可能提高仿真试验精度，以获得理想的试验效果，减小试验结果与实际的误差。必要时将数值模拟与风洞试验相结合，但由于各指标间难以统一，耗时过长，如何提出更为合理高效的试验方法，获得均衡优化的试验结果，仍需要进一步研究。

4）考虑不同侧风环境。目前仅对不同强度、不同方向的侧风环境下的车辆模型进行研究，对不同车身姿态（如俯仰、侧倾等）运动下的车辆模型仍需要进一步研究。