劉錦生, 徐勝金,*, 王慶洋, 鮑歡歡, 王 勇

(1. 清華大學 航天航空學院, 北京 100084; 2. 中國汽車工程研究院股份有限公司, 重慶 401122)

0 引 言

汽車行駛與氣流相互作用，會引出非常復雜的流體力學問題。圖1給出了一個行駛的汽車與空氣相互作用的示意圖。從固定在車身上的坐標系觀察，氣流圍繞汽車運動并最終在汽車尾部匯合。無論是車頂還是車底，遠離汽車的位置(數(shù)學上定義為無窮遠)流動速度與來流速度v相同。汽車是三維鈍體，即垂直流向方向的物理尺度相當。車身頂部鼓起，而車底可看成具有表面結構的平板，流動經(jīng)過車頂和車底時流動特征有本質(zhì)差別。一般情況，以車身長度定義的雷諾數(shù)范圍Re=5×105～107，即車身周圍的流動基本上都是湍流。所以，汽車周圍的流動既有三維的湍流繞流，也有平板邊界層流動，這些流動經(jīng)過車身發(fā)生流動分離、產(chǎn)生剪切流、生成大尺度渦結構，并在尾部匯合、混合，形成含有豐富渦系的尾流。

圖1 車身周圍的流動

這些復雜的流動與氣動力有緊密關聯(lián)，根據(jù)雷諾輸運定理，其關系可用式(1)和(2)定性描述：

(1)

M=r×∑F

(2)

式中，Π和S分別是圍繞汽車選定的控制體的體積和表面積，F(xiàn)為氣動力矢量，M為氣動力矩矢量，U是控制體內(nèi)的流動速度矢量，是時間和空間的函數(shù)，ρ是空氣密度?？梢钥吹剑瑲鈩恿εc控制體內(nèi)時空變化的流動直接相關。所以，摸清流動物理規(guī)律就能理解和控制氣動力。然而，汽車周圍流動非常復雜，給認識和分析帶來巨大挑戰(zhàn)：(1) 盡管Π和S選定后是不變的，但控制體內(nèi)的流動是時間和空間的函數(shù)，以當前的實驗和計算手段，只能做到在有限時間內(nèi)、局部空間上對流動進行片面的觀察，要獲得全時空變化的物理量則要付出無法承受的代價；(2)不同物理量之間存在時間和空間上的關聯(lián)，物理機制復雜；(3)湍流的隨機性、多尺度性，以及尺度之間的耦合，導致汽車繞流問題非常復雜；(4)汽車是彈性結構，在氣動力作用下可產(chǎn)生形變或振動，這反過來會影響接觸的流體，二者耦合使氣動力產(chǎn)生隨機脈動，可能引起疲勞、寬頻噪聲等問題。為了以較低代價解決上述挑戰(zhàn)問題，人們設計制作了汽車空氣動力學研究模型，利用實驗和計算手段開展相應的空氣動力學研究。與實車相比，汽車空氣動力學模型在外形進行了適度的抽象和簡化，保留了與實車一樣或者相似的幾何特征，在相似的前提下確保模型的流體物理特征與實車可以互為映射。這樣，可通過對模型的流體物理研究，弄清模型空氣動力學機制和規(guī)律，建立相應的理論去理解實車的空氣動力學本質(zhì)，再利用這些認識和理論為實車的創(chuàng)新設計提供支持。值得注意的是，在汽車行業(yè)里稱這種模型為汽車空氣動力學標準模型或參考模型。本文為了不與流體力學基本概念沖突，稱之為汽車空氣動力學物理模型。

自20世紀80年代以來，國際上出現(xiàn)了十幾種具有不同特征的模型(見表1)，如Ahmed、 SAE、 Rover、Davis、DOCTON、Ford Block、GM、ASMO、RMIIT、Chrysler、MIRA、DrivAer模型等。利用這些模型，人們對涉及到的流體物理規(guī)律、氣動力產(chǎn)生機理、氣動力或流動的控制等問題進行了廣泛的研究，積累了較為豐富的研究數(shù)據(jù)，為建立現(xiàn)代汽車空氣動力學理論框架奠定了基礎。 表1列出了這十幾種模型的設計機構和產(chǎn)生時間。其中，最著名、最流行的有Ahmed、MIRA和DrivAer等3種模型。

圖2給出了Ahmed、MIRA和DrivAer模型的示意圖。其中，Ahmed模型與實車的形狀有很大區(qū)別，也被稱為類車體，其基本輪廓為規(guī)則的長方體，后背是個傾斜的斜面。模型上沒有任何實車附件，如后視鏡、ABC柱、車門、車窗、天線、車輪等，是一個表面光滑、棱角分明的簡單幾何體。MIRA模型外形已經(jīng)有了車的外觀，甚至帶有不能轉(zhuǎn)動的車輪。但其局部幾何特征仍與實車有較大區(qū)別，大部分區(qū)域都是平面，面與面為直角連接，棱角分明。DrivAer外形與真車相同，面與面之間過渡圓滑，有后視鏡、天線、車門、車窗、ABC柱、車輪等局部結構。上述3種模型形狀從簡單到復雜，是3個典型的汽車空氣動力學物理模型代表。根據(jù)研究目的不同，其尺寸可以做到1∶1，也可以做成縮比模型。

表1 汽車空氣動力學物理模型列表Table 1 List of automotive aerodynamic physical models

圖2 Ahmed、MIRA和DrivAer模型的側輪廓圖

1 基于物理模型的汽車空氣動力學研究進展

本節(jié)主要以Ahmed、MIRA和DrivAer模型為例，梳理汽車空氣動力學研究成果。

1.1 氣動力與繞流流場

氣流繞過Ahmed、MIRA和DrivAer模型時，因模型幾何外形的變化、流體存在慣性和粘性，導致流動在模型不同部位產(chǎn)生分離。分離的流動一般含有不同剪切強度、不同尺度的流動結構，形成包含以渦或波為典型特征結構的流動。其中，以大尺度渦為典型特征的流動結構一般稱為相干結構，相干結構與汽車周圍流體一起沿著流動方向持續(xù)很長的距離，成為渦街。渦街的幾何特征及運動特性能反映模型上的壓力的分布和變化，因而也體現(xiàn)了氣動力的變化。以波為特征的流動結構一般出現(xiàn)在距離模型表面很近的薄層里，形成以高低速區(qū)分為特征的條帶，這些結構與壁面摩擦力具有很強的關聯(lián)。

圖3是文獻[18]總結的氣流繞過Ahmed(后背傾角φ= 25°)模型表面后可能生成的時均渦系結構及所處的空間位置。可以看到，模型頭部棱角的后面可能產(chǎn)生分離泡。流動向下游運動過程中，會出現(xiàn)發(fā)卡渦、側壁渦、大尺度的展向渦、C柱渦等復雜的渦結構，也可能會因后背傾角不同再次產(chǎn)生分離泡。尾部模型底部的流動也會向上卷起在下半部形成分離泡及分離渦。這些流動結構改變了模型表面的壓強，不但引起壓差阻力，其向下游的輸運和分離也產(chǎn)生了脈動力，這些脈動力是不可忽視的噪聲源。因Ahmed模型特殊的幾何外形，流動從模型棱角處就產(chǎn)生流動分離，并產(chǎn)生具有特點的渦結構。在較低雷諾數(shù)時，靠近頭部還可能出現(xiàn)存在不斷自循環(huán)的分離泡，這些分離泡并不穩(wěn)定，隨雷諾數(shù)增加會破裂消失，但它的出現(xiàn)已經(jīng)改變了Ahmed頭部的氣動外形，也改變了繞流的流動特征。在模型中部，流動會再度分離并產(chǎn)生渦。尾部的流動分離最為明顯，流動分離后不再附著在模型上，而是在模型尾部與其他流動混合向下游輸運，形成結構復雜、幾何特征不明顯、非定常的混合尾流。

Ahmed模型在后背傾角φ=30°時阻力系數(shù)出現(xiàn)了一個突然間斷的特殊現(xiàn)象，如圖4所示。當φ接近30°時，傾斜的后背也會產(chǎn)生分離泡，使分離區(qū)增大。具有大量渦結構的區(qū)域反映了當?shù)貕簭娮兊?，導致整個模型阻力增加。當φ>30°時，分離泡破裂消失，且其他渦結構所占區(qū)域減少，使模型尾部壓強迅速回升，總阻力也迅速降低。

圖3 Ahmed模型周圍的流動結構[18]，Re =(0.45～2.40)×105

Fig.3 A conceptual model of the flow structure around the Ahmed model[18],Re=(0.45～2.40)×105

圖4 Ahmed模型風阻系數(shù)隨后背角度的變化關系[1]

Fig.4 Drag coefficient of an Ahmed model with different base slant angles[1]

文獻[1]還對Ahmed后背傾角0°<φ≤12.5°和12.5°<φ≤30°時阻力系數(shù)從平緩到急劇上升的機理進行了研究。這個機理就是通過精細研究尾部的流動結構而獲得的。當0°<φ≤12.5°，模型尾流結構基本相同，如圖5(a)所示。氣流在傾斜面上附著較好，到達尾部曲面后，氣流從尾部垂直面頂邊分離形成尾渦，隨著φ增加，尾渦分離范圍縮小，阻力系數(shù)減小。氣流在尾部垂直面頂邊和底邊分離后進入尾流區(qū)形成馬蹄形渦A和B，兩渦與尾部垂直面基本平行并被分離泡D包圍；傾斜表面左右側邊附近剪切層卷起形成一對流向渦C。在這個后背傾角區(qū)間，這些渦結構能穩(wěn)定存在，模型尾部當?shù)貕簭娀静蛔儯虼?，阻力系?shù)基本保持不變。當12.5°<φ≤30°，可以看到氣流在傾斜面上也產(chǎn)生了分離，出現(xiàn)了分離泡(圖5(b))，改變了模型尾部的氣動外形，局部壓強降低;隨后背傾角增加，分離泡增大，渦結構與模型尾部接觸面積增加，使總的壓差阻力增加。

圖5 Ahmed模型不同后背角的尾部流動結構示意圖[1]

Fig.5 Flow structures behind an Ahmed model with different base slant angles[1]

Ahmed模型的流場研究結果可以推論到實車。盡管實車周圍流動會更復雜，但其主要的流場結構與該模型展現(xiàn)的類似, 與模型一樣，實車后背傾角的不同對尾流的渦系、模型尾部壓力分布有重要影響，僅從阻力方面考慮，后背的傾斜方式關乎著阻力系數(shù)的高低。

MIRA模型用3種背部構型反映乘用車的3種常用的車身類型，即方背式(Squareback)、快背式(Fastback)和階背式(Notchback)，如圖6所示?？梢钥吹剑?種后背形狀一方面影響著乘用空間，另一方面對阻力也有重要的影響[19-20]。與Ahmed模型類似，這與其尾部的流動結構有關聯(lián)，尾部沿著C柱形成的2個流向渦，在背部后窗上還會產(chǎn)生一個流動分離區(qū)，模型尾部從下至上也會形成小的回流區(qū)。值得注意的是，分離區(qū)里含有不同尺度渦的流動結構。這些結構都對模型尾部形成低壓區(qū)有貢獻。低壓區(qū)的大小與流向渦的強度、分離區(qū)大小及內(nèi)部流動結構強弱相關，渦越強、分離區(qū)尺寸越大，引起的局部壓力會越低。

(1)基于詞向量與深度學習的語義相似度計算模型的優(yōu)點是考慮到了文本中語義語法等信息，具有準確率較高、泛化能力較強的特點，并省去了大量的人工提取特征的工作。

圖6 MIRA模型不同后背的相干結構[19]及風阻系數(shù)[20]

Fig.6 Flow structures and the drag coefficients of a MIRA model with different backs[19-20]

幾種后背形式相比，快背式具有相對較低的總阻力系數(shù)。文獻[21]和[22]對快背式模型周圍流場大尺度渦結構的實驗和數(shù)值計算結果進行了詳細的總結。C柱渦兩側分別存在轉(zhuǎn)動方向相反、強度較小的流向渦，模型后背分離的剪切層會進入尾部形成分離泡，模型兩側的邊界層也在粘性的作用下逐漸發(fā)生流動分離進而形成更為復雜的渦系(見圖7)。 這些復雜的渦系勢必會對氣動性能、車身污染物的附著及分離、噪聲等有不同程度影響。

圖7 MIRA快背式模型周圍的渦結構[21-22]

同樣，DrivAer模型也設計了3種不同的背部構型，其表面的時均流動結構與MIRA模型基本一致。與前2種模型一樣，其C柱位置同樣形成2個反向旋轉(zhuǎn)的流向渦，在后窗上形成一個低壓區(qū)。由于車頂與和后窗的過渡連接處相對光滑，此處的流動分離結構相對較小，相對MIRA尾部的粗壯、零散的流動結構，其表面產(chǎn)生的流動結構形狀細小而集中(見圖8)。與MIRA模型類似，快背式后背能獲得更小的阻力系數(shù)。

圖8 DrivAer模型Fastback尾部的相干結構[23]及不同后背的風阻系數(shù)[24]

Fig.8 Flow structures of the DrivAer fastback model and the drag coefficient of a DrivAer model with different backs[23-24]

此外，模型實驗的代價低，可以獲得精準的實驗數(shù)據(jù)，已有汽車空氣動力學物理模型豐富的研究數(shù)據(jù)可以直接被借鑒。例如，深入了解模型周圍流動的能量分布，是模型受力、動力學分析一個重要的輸入條件。通過對流動的動量和能量輸運規(guī)律研究，也可以對類似“為什么產(chǎn)生這種流動結構”的問題進行回答。通過流場能量分析功率譜方法[18]以及DMD[25-26]、POD[27]等方法，可以了解流場中不同能級的結構組成以及演化特征。如Ahmed模型尾部中軸線上不同法向位置處的速度的功率譜Eu頻譜信息表(見圖9)，尾部流動是模型不同位置產(chǎn)生的渦系的混合，存在多個主導頻率。在距離模型尾部不同距離、不同高度位置，主導的頻率也不同，說明這些渦系之間存在相互作用，具有明顯的非定常性，這些頻率的空間分布信息可以為流動控制方法及控制指標的選擇提供依據(jù)[18]。圖10為DrivAer模型流場的POD分解結果，通過分析這些模態(tài)能量的占比關系，可以為開發(fā)精度較高的低成本降階數(shù)值模擬技術提供指導[27]。

圖9 Ahmed模型尾部不同位置處速度信號的功率譜特征[18]

Fig.9 The power spectral density functionEuof the hot-wire signal measured at center line in the wake[18]

圖10 DrivAer模型仿真流場的POD分析[27]

1.2 流動控制

因受乘坐空間、美學的限制，在汽車造型設計中，外形的改變空間非常有限。為了追求更低的風阻，一個可能的途徑是進行流動控制。流動控制方法可籠統(tǒng)地分為被動控制和主動控制2大類?？刂茖崿F(xiàn)的方式可以是開環(huán)控制也可以是閉環(huán)控制。從控制效果上看，被動控制和開環(huán)控制方法代價低、技術要求低，容易實現(xiàn)，但控制效果往往并不理想。閉環(huán)主動控制一直被期望能發(fā)揮更好的作用， 但閉環(huán)主動控制技術非常復雜、代價也更高，且可控性本身仍值得探討。流動控制的目的基本上是提升需要的力分量指標，降低消耗能量的分力指標；也可能需要控制氣動力的脈動使其平穩(wěn)變化或遠離共振、顫振，增加車輛的可操控性，減弱噪聲。不管控制目的如何，機理上都是通過抑制流動分離、改變流動分離位置、延緩流動轉(zhuǎn)捩、改變流動結構特征、改變流動相互作用等方式減弱低壓流動結構(如渦)強度、改變其空間位置及運動特征、減小低壓流動結構與物體的接觸面積，從而改變氣動力。流動控制在航空領域已經(jīng)有成熟的技術應用案例，例如，波音、空客飛機利用翼稍小翼減弱翼尖渦對氣動力的干擾，機翼及發(fā)動機外殼布置渦流發(fā)生器，推遲邊界層轉(zhuǎn)捩、減弱橫流不穩(wěn)定性、推遲橫流轉(zhuǎn)捩等。建筑和橋梁的流致振動控制、海洋輸油管路振動的控制、水下航行器空泡減阻和噪聲抑制等也都屬于流動控制。流動控制不僅需要精確的理論、精確的實驗方法和計算方法，也需要電測技術和傳感器技術的配合，因此，流動控制具有重要的學術意義和工程價值，其控制理論和方法本身就值得研究。同樣，汽車空氣動力學物理模型在研發(fā)流動控制方法和技術方面也起著重要的作用，例如，在模型尾部添加擾流板[28-29]、渦流發(fā)生器[30]、安裝射流裝置[31-34]，在表面設置微結構[35]，在汽車前部添加氣壩、底盤抽吸[36]等都是對模型表面的剪切層進行控制，改變其尾流特性，降低壓差阻力,從而實現(xiàn)減阻。

文獻[28]在對Ahmed模型表面的流動特征充分了解的基礎上，在尾部兩側添加擾流板對主流向渦進行被動控制(見圖11)。當擾流板與后背的角度接近70°時，擾流板一定程度上影響了兩側流向渦的形成，減弱了渦的強度，并給背部分離泡自由成長提供了空間。背部分離區(qū)的流動與被削弱的流向渦有很強的相互作用，進一步降低了含渦結構的強度，從而使模型尾部的壓強升高，降低了模型的阻力(見圖12)[28]。

圖11 擾流板對Ahmed模型兩側流向渦的控制[28]

圖12 阻力系數(shù)隨繞流板傾斜角度的變化[28]

Fig.12 Evolution of the drag of the bluff body as a function of the angle of the flap relative to the slant surface[28]

圖13為Ahmed模型(φ= 25°)尾部采用射流對尾部分離流進行主動控制后獲得的尾流結構，在尾部采用主動射流控制后(藍色為射流口)，模型兩側的流向渦的尺度和強度均得到了抑制，使背部分離區(qū)的范圍擴大，促進了模型尾部傾斜表面和底部表面的壓力恢復。實驗結果表明，選取適當射流位置和射流強度，最大可以獲得29%的減阻效率[34]。

圖13 Ahmed模型尾部進行主動射流控制[34]

Fig.13 Conceptual model of the flow structure under the combined actuation[34]

1.3 驗證計算及對標

這些汽車空氣動力學物理模型也給利用CFD研究汽車空氣動力學問題帶來了方便。

針對同一模型，可以選用不同計算方法、比較不同湍流模型的計算結果，以獲取最合適的計算方法。圖14給出了采用不同計算方法對Ahmed標準模型表面流動結構解析結果。利用雷諾平均方法可以很好地再現(xiàn)尾部2個反向旋轉(zhuǎn)的縱向渦，但無法對瞬態(tài)流場進行精細解析；SAS-SST方法能夠很好地再現(xiàn)尾部較大的流動結構，但對小尺度結構卻很難捕捉；而大渦模擬(LES)方法對較小尺度的斜向結構和尾跡結構的展現(xiàn)有一定的優(yōu)勢，但得到的阻力值偏差卻較大[37]。

圖14 采用不同湍流模型計算Ahmed模型的繞流流場[37]

Fig.14 Simulation of flow around the Ahmed model using different turbulence models[37]

正是因為這些模型的便利，可以開展難度較高的非定常[38-39]、非穩(wěn)態(tài)[17,18,23,40]流場數(shù)值計算研究，獲得基于時間相關的流場信息，為理解汽車繞流流場提供了更豐富的素材。如文獻[38]基于Ahmed模型，采用LES模擬獲得了尾部橫截面時均/瞬時流場結構以及氣動力隨時間的變化(見圖15)。從瞬時流場上看，尾部流場結構具有非定常性，阻力系數(shù)呈隨機的脈動變化，側向力系數(shù)隨時間也是隨機變化，且存在較大幅度的低頻波動，這也充分反映了流場與氣動力數(shù)據(jù)之間存在內(nèi)在的聯(lián)系[38]。

圖15 采用LES方法仿真分析Ahmed模型氣動特征[38]

Fig.15 Simulation and analysis of aerodynamic characteristics of Ahmed model by LES method and the plane used to visualize the flow[38]

利用這些標準模型還可以開展側風穩(wěn)定性影響[41-42]、汽車零部件(后視鏡[23],見圖16;車輪[24],見圖17)對汽車流場和氣動力的影響等方面的研究。如文獻[41]對DrivAer模型進行的橫側風穩(wěn)定性、非定常氣動力的風洞實驗和數(shù)值模擬結果表明，模型橫側風實驗結果受試驗環(huán)境影響較大，穩(wěn)態(tài)計算方法難以預測其氣動力和力矩的動態(tài)特性；文獻[42]比較了方背式和階背式構型DrivAer汽車模型轉(zhuǎn)彎過程的氣動性能，結果表明汽車在過彎時風阻和穩(wěn)定性與直行時存在較大的差異，且方背式構型的汽車的氣動特性受彎道曲率的影響更大。

此外，汽車空氣動力學物理模型在CFD計算程序開發(fā)上也發(fā)揮了重要的作用，為驗證CFD代碼提供了測試算例。汽車CFD技術早期借鑒了許多航空CFD技術，但兩者存在一定的差異，而汽車空氣動力學物理模型豐富的氣動力數(shù)據(jù)就成了測試和改進CFD代碼準確性、考察數(shù)值仿真中的網(wǎng)格和湍流模型正確性的對標依據(jù)。

圖16 后視鏡對車窗表面壓力系數(shù)分布的影響[23]

Fig.16 Effect of rearview mirror on distribution of the pressure coefficient at the side window[23]

圖17 車輪轉(zhuǎn)動狀態(tài)對輪倉內(nèi)表面壓力的影響[24]

1.4 風洞實驗對標

風洞、實驗模型、測試手段、實驗者等的不同都可能對實驗結果的不確定性有所貢獻，而如何控制這些因素產(chǎn)生的不確定性一直是個難題。利用統(tǒng)一的實驗模型，可以減少因模型帶來的不確定性，因此，這些汽車空氣動力學物理模型可以用于風洞實驗的對標工作。由于模型外形、尺寸等數(shù)據(jù)一致，可以很好地避免加工誤差帶來數(shù)據(jù)的不確定性。從大型汽車風洞的使用經(jīng)驗來看，不少風洞在建設和運行過程中均會選用一款或多款模型進行對標測試，確保風洞實驗段流場指標或測試方法滿足要求，如MIRA風洞每3個月會使用MIRA全尺寸模型對風洞的流場、測試技術進行一次校準。

汽車空氣動力學物理模型也可用于分析風洞實驗段阻塞比的影響[2,12,43]，地面效應的影響[44]、實驗段壓力梯度對測試結果的影響[45-47]等實驗。圖18為利用DrivAer模型研究風洞實驗段阻塞比對其氣動力測試的影響，該數(shù)據(jù)可為風洞阻塞比修正方法提供參考[43]。文獻[48-49]使用MIRA模型，研究了風洞邊界層厚度對氣動力測量結果的影響，為汽車風洞設計邊界層控制系統(tǒng)提供了參考依據(jù)。

1.5 多車相互作用空氣動力學研究

基于物理模型還可以進行多車相互作用(跟車、會車、超車等)空氣動力學問題研究，分析評估汽車在多車相互作用下的行駛安全。文獻[50]利用類車體模型，采用風洞實驗測量了不同跟車距離下模型表面的壓力分布、側向力和偏航力矩，明確了跟車距離會嚴重影響車輛的行駛穩(wěn)定性。文獻[51]則采用數(shù)值仿真的方法研究了DrivAer模型超越卡車過程的空氣動力學問題，分析了平均流場、瞬態(tài)流場、車身表面壓力、阻力、升力和側向力以及相應的力矩在超車過程變化。圖19給出了2車不同相對位置(x/L)時的速度云圖，其中DrivAer模型在超車過程中，其阻力系數(shù)會先減小后增大，這些結果對制定交通規(guī)則也有一定的參考作用。

圖18 阻塞比AM/AN對DrivAer模型氣動力測試的影響[43]

Fig.18 Effect of jet expansion on the drag coefficient ΔCDfor different blockage ratiosAM/AN[43]

(a) 位置x/L=-0.8

(b) 位置x/L=0.39

圖19 基于DrivAer模型模擬轎車超越卡車過程中兩車周圍流場的變化[51]

Fig.19 Instantaneous velocity field when a car overtaking truck based on DrivAer model[51]

1.6 其他與空氣動力學有關的研究

基于汽車物理模型還可以開展風噪[52-54]、污染(車窗、車身、輪轂、后視鏡等)[55]、通風與冷卻[25]等方面的研究。如圖20所示,基于DrivAer模型,文獻[52]研究了汽車輪胎噪聲預測的方法，并對比分析輪轂造型、轉(zhuǎn)動狀態(tài)對噪聲強度的影響，認為旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的開式輪轂噪音水平更高；文獻[53-54]探究了汽車在恒速和加速狀態(tài)下的輪胎噪聲情況，綜合比較了輪轂襯套、發(fā)動機下護罩、車身下面板和后備箱下面板等處的降噪措施。

圖20 不同車輪構型和轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的70 dB等噪聲面分布[52]

Fig.20 Acoustic power sound sources at 70 dB with wheel configurations and rotation states[52]

在污染控制研究方面，文獻[55]基于改型MIRA模型采用數(shù)值方法研究車輪濺水及其對車身表面的污染，研究發(fā)現(xiàn)車輪濺起液滴的運動軌跡與車身外流場中的氣流運動軌跡密切相關，車身兩側的車門區(qū)域、尾部的車燈區(qū)域是污染最容易富集的區(qū)域，而通過增加輪罩護板、車尾頂部導流片、車尾底部擾流板、車尾兩側導流片可降低車身表面污染程度。

最新的DrivAer模型設置了發(fā)動機熱管理模塊，進一步拓展了這些物理模型的使用范圍，如文獻[25]通過實驗和數(shù)值仿真方法比較了冷卻器出現(xiàn)流量泄漏時對底盤表面的壓力分布、冷卻阻力和升力的影響(圖21)。

2 存在的問題

盡管基于物理模型的汽車空氣動力學研究產(chǎn)生了許多實驗和計算數(shù)據(jù)，但仍沒有在此基礎上形成系統(tǒng)的理論。研究者選用的研究模型不統(tǒng)一，研究數(shù)據(jù)不通用，難以形成規(guī)律性認識，為理論的形成制造了困難。而且，已有的研究中也有些問題缺乏機理性的認識，需要深入研究。例如：

(1) Ahmed模型阻力系數(shù)在后背傾角為30°時出現(xiàn)間斷，目前的研究只有阻力系數(shù)變化和定性流場的結果，沒有針對性的機理解釋。這個問題可能需要利用流動穩(wěn)定性理論建立相應的數(shù)學模型，進行求解計算，以獲得分叉解。即便是實驗研究，后背傾角在30°附近攝動時的阻力系數(shù)規(guī)律也不清楚，而對這種臨界點附近流動狀態(tài)的理解顯然對加深理解汽車空氣動力學有幫助。

圖21 冷卻器泄漏對冷卻器周圍流場和底盤高壓力系數(shù)分布的影響[25]： A. 進氣格柵封閉, B. 進氣格柵開啟(冷卻器無泄漏), C. 進氣格柵開啟(冷卻器泄漏)

Fig.21 Velocity magnitude in the center plane and pressure coefficient distribution of the three simulated setups[25]

(2) 汽車行駛過程中顆粒物、污水對車身的污染研究中，顆粒物或污水在車身表面的聚集特征仍不清楚。當前的研究主要基于運動學分析，得到了污水滴濺落的運動特征，對接觸到車身后的運動及對邊界層流動的影響也不清楚。

(3) 從風洞實驗獲得的汽車模型阻力系數(shù)，是在比較理想的流動環(huán)境中獲得的，與汽車行駛過程所處的真實環(huán)境不同。因此，汽車工業(yè)也用道路滑行的方法進行阻力測試，其中包括風阻。風洞實驗結果與道路測試結果之間的相關性目前還缺乏系統(tǒng)研究，經(jīng)常是做完風洞實驗還要做道路測試，造成巨大的浪費。

(4) 與汽車聲學有關的科學問題，嚴格地講，模型實驗與實車實驗是不相似的，但如果能建立其中近似的相似關系，就可以利用模型實驗結果近似地預測實車結果，必定會節(jié)省資源。

除此之外，因為汽車空氣動力學尚無系統(tǒng)的理論，只有比較多的零散數(shù)據(jù)，所以汽車空氣動力學在汽車造型階段的作用無法突顯。假設汽車造型設計價值函數(shù)I的形式為：

(3)

其中，Φ表示汽車空氣動力學指標函數(shù)，φi(i= 1，2，…n)代表其他指標，如美學、成本、舒適、哲學、文化等。Φ也有可能和其他一些指標相關，可以寫成如下函數(shù)：

(4)

汽車最終的優(yōu)化設計就是對式(3)的泛函求變分，即獲得變分I= 0 時各個指標函數(shù)應該滿足的條件。這里面要發(fā)揮空氣動力學的作用，就必須尋找式(4)函數(shù)的顯式表達，這一點與汽車空氣動力學研究的系統(tǒng)性有關。只有全面的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的理論才能幫助設計師利用好汽車空氣動力學指標。

3 展望

當前，基于汽車物理模型進行的空氣動力學研究取得了豐碩的成果，積累了許多重要的數(shù)據(jù)。但還缺乏一個清晰的主線，將這些研究凝結起來，形成系統(tǒng)的理論?？偟膩砜矗磥淼钠嚳諝鈩恿W研究需要至少在3個方面盡快形成成熟的知識體系：

(1) 基于空氣動力學指導的汽車造型理論。當前汽車設計首要考慮的是成本、市場、實用，需要融和美學、價值觀等考慮，為空氣動力學的施展限定了空間，如何利用好這一空間，需要經(jīng)得住考驗的、實用的理論。這方面，可以憑借對模型研究積累大量的數(shù)據(jù)，形成系統(tǒng)的理論，指導造型設計。

(2) 通用的空氣動力學物理模型建設的必要性。當前，汽車企業(yè)眾多，開發(fā)的模型不盡相同。在開發(fā)過程中，進行大量重復的風洞實驗和計算，造成資源的極大浪費。利用模型幫助設計時，也會因模型的不一致，造成實驗和計算結果出現(xiàn)很多不好控制的不確定性。在制定實驗標準、計算標準上也會造成諸多的不一致，對行業(yè)內(nèi)技術交流和溝通制造了障礙，造成各說各話的局面。 如果存在一個通用的空氣動力學模型，針對模型可以統(tǒng)一實驗和計算標準，更容易積累相關性強的數(shù)據(jù)，有利于理論的建立。同時，也會成為行業(yè)交流的語言，使資源得到更合理的利用。

(3) 面向未來汽車的發(fā)展，利用模型進行空氣動力學數(shù)據(jù)的儲備。無論是傳統(tǒng)的汽車，還是當前的新能源汽車、未來的飛行汽車，空氣動力學的作用越來越重要，為了優(yōu)化設計，儲備空氣動力學數(shù)據(jù)，進行大數(shù)據(jù)分析，為人工智能控制、無人駕駛技術積累數(shù)據(jù)，是至關重要的。這一目的，可以先通過通用的汽車空氣動力學物理模型實現(xiàn)，利用通用模型進行實驗和計算研究，積累數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為未來實現(xiàn)利用人工智能進行無人駕駛積累學習和訓練數(shù)據(jù)。