履帶裝甲車輛空氣阻力系數(shù)試驗(yàn)測(cè)定

杜明剛，張金樂(lè)，張喜明，孫亞?wèn)|，毛飛鴻

(1.中國(guó)北方車輛研究所 車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100072; 2.32382部隊(duì)，北京 101100)

0 引言

隨著裝甲車輛最高車速越來(lái)越高，空氣阻力對(duì)車輛最高車速和轉(zhuǎn)向特性產(chǎn)生的影響越來(lái)越重要?，F(xiàn)有研究表明，裝甲車輛最高車速行駛時(shí)克服空氣阻力所消耗功率可達(dá)幾十千瓦，已成為影響動(dòng)力傳動(dòng)性能預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的重要因素，而精確計(jì)算車輛高速行駛空氣阻力的前提是準(zhǔn)確地獲取空氣阻力系數(shù)[1]。當(dāng)前，研究人員普遍采用試驗(yàn)、有限元分析、數(shù)據(jù)擬合等方法來(lái)標(biāo)定民用汽車行駛中的空氣阻力系數(shù)，提出了相應(yīng)車輛的空氣阻力系數(shù)表達(dá)式[2-3]。如Pikula等[4]在開(kāi)放式風(fēng)洞中測(cè)量了不同風(fēng)速下車輛的空氣阻力，進(jìn)而獲得了空氣阻力系數(shù)；田紅旗[5]利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了大風(fēng)環(huán)境下的列車空氣阻力特性。然而，對(duì)于裝甲車輛，其空氣阻力測(cè)試涉及相似比例模型構(gòu)建、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、信號(hào)處理等知識(shí)，使得準(zhǔn)確獲取空氣阻力系數(shù)值具有一定難度[6]。當(dāng)前計(jì)算裝甲車輛機(jī)動(dòng)性時(shí)，對(duì)于低速行駛工況，空氣阻力不大，計(jì)算中常忽略不計(jì)；而在高速工況，空氣阻力系數(shù)取值跨度較大，文獻(xiàn)[7]中取值0.59～0.74，缺乏針對(duì)不同類型裝甲車輛的具體指導(dǎo)。對(duì)于履帶裝甲車輛，相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)空氣阻力系數(shù)介紹較少，對(duì)阻力系數(shù)影響因子如空氣密度、車體流線型及車體外部零部件性質(zhì)等僅限定性描述[8]。

空氣阻力系數(shù)數(shù)值范圍跨度較大，對(duì)履帶裝甲車輛機(jī)動(dòng)性能的研究造成了較大的困難。本文針對(duì)多種履帶裝甲車輛采用微縮比例模型，利用相似理論，開(kāi)展風(fēng)洞試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，獲取不同類型履帶裝甲車輛的空氣阻力系數(shù)，對(duì)不同類型履帶裝甲車輛行駛空氣阻力、動(dòng)力傳動(dòng)性能精確計(jì)算具有指導(dǎo)意義。

1 基于相似理論的車輛空氣阻力測(cè)試原理

風(fēng)洞模型試驗(yàn)為了獲取試驗(yàn)對(duì)象在原型流場(chǎng)內(nèi)的空氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，需滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似等相似條件。本文通過(guò)三維(3D)打印技術(shù)手段，建立了履帶裝甲車輛縮微模型，開(kāi)展風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際戰(zhàn)車為等比例縮小關(guān)系，滿足幾何相似條件；試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際戰(zhàn)車行駛環(huán)境近似相同；試驗(yàn)為低速風(fēng)洞試驗(yàn)，空氣流體介質(zhì)可近似認(rèn)為處于定常狀態(tài)，滿足其他相似條件，保證了試驗(yàn)?zāi)軌蚰M真實(shí)戰(zhàn)車實(shí)際運(yùn)動(dòng)中空氣的流動(dòng)過(guò)程[9-10]。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，對(duì)于典型的低速附著流，當(dāng)風(fēng)洞雷諾數(shù)Re大于臨界雷諾數(shù)Rec時(shí)，Re變化幾乎不影響流場(chǎng)性質(zhì)。利用這種現(xiàn)象的自模性，可以解決試驗(yàn)Re比車輛實(shí)際行駛Re小的問(wèn)題，只需保持試驗(yàn)中Re>Rec即可，沒(méi)有必要花十分高昂代價(jià)使模型Re與實(shí)物Re相同。通常汽車模型長(zhǎng)度方向的Rec取值不小于0.7×106，具體取值可根據(jù)試驗(yàn)空氣阻力系數(shù)隨速度變化曲線來(lái)確定。

2 履帶車輛空氣阻力測(cè)試方法

2.1 測(cè)試模型構(gòu)建

采用數(shù)字化建模方法，用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件構(gòu)建典型履帶裝甲車輛三維立體微縮模型，然后利用3D打印技術(shù)打印模型部件，并打磨組裝，得到風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如?所示。試驗(yàn)縮微模型外部附件應(yīng)最大程度完整，以反映車輛真實(shí)表面特征[12]。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)組成

測(cè)試系統(tǒng)主要包括風(fēng)洞、試驗(yàn)臺(tái)和測(cè)力系統(tǒng)。試驗(yàn)風(fēng)洞主要功能為產(chǎn)生并且控制氣流、模擬車輛周圍氣體流動(dòng)情況。本試驗(yàn)風(fēng)洞的可用試驗(yàn)風(fēng)速最大值為50 m/s，在小于此風(fēng)速范圍內(nèi)，可以連續(xù)調(diào)節(jié)，并可以在任一風(fēng)速點(diǎn)維持穩(wěn)定。試驗(yàn)臺(tái)置于風(fēng)洞吹風(fēng)口，用于模擬地面，由表面噴漆處理且與大地固定的平板組成。平板中心位置開(kāi)有窗口，用于穿過(guò)測(cè)力系統(tǒng)的方位調(diào)整盤(pán)以固定模型。為方便測(cè)試，定義方位調(diào)整盤(pán)中心為原點(diǎn)；吹風(fēng)方向?yàn)閤軸方向，與風(fēng)向相同為正，即試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目諝庾枇Ψ较?；垂直于x軸、豎直向上為y軸正向，即試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳Ψ较?；z軸由右手定則確定，即垂直于Oxy面向左為z軸正向，如圖1所示。

圖1 空氣阻力測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

測(cè)力系統(tǒng)由方位調(diào)整盤(pán)、測(cè)力天平和支架組成，主要功能為固定并調(diào)整模型相對(duì)位置、測(cè)試模型所受阻力，如圖2所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b在與試驗(yàn)臺(tái)平板平行的方位調(diào)整盤(pán)上，方位調(diào)整盤(pán)與測(cè)力天平連接，測(cè)力天平固定在下方支架上，支架相對(duì)地面固定。為了準(zhǔn)確模擬車輛與地面的相對(duì)關(guān)系，通過(guò)調(diào)整方位調(diào)整盤(pán)的位置和高度，使試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞幱谄桨逯行那业撞柯膸卤砻媾c平板保持一定間隙(約為0.3～0.5 cm)。測(cè)力天平能夠?qū)崟r(shí)同步測(cè)試模型所受空氣阻力的3個(gè)方向(如圖1)分力Fx、Fy、Fz，并存儲(chǔ)、傳輸和顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)力天平每個(gè)方向量程為70 kg，精度為±0.000 1 kg，采樣頻率500 Hz.

圖2 空氣阻力試驗(yàn)測(cè)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 測(cè)試方案

試驗(yàn)選取傘兵戰(zhàn)車、自行高炮等9種不同型號(hào)履帶裝甲車輛作為研究對(duì)象，分別制作1∶8比例模型(依次記作模型A～模型I)開(kāi)展風(fēng)洞測(cè)試，如表1所示。每種模型設(shè)置5.0 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s共7個(gè)風(fēng)速工況，記作工況1～工況7.試驗(yàn)過(guò)程中，模型縱軸線與風(fēng)洞吹風(fēng)方向平行，如圖3所示，依次測(cè)試9種試驗(yàn)?zāi)Ｐ?模型A～模型Ⅰ)7種風(fēng)速工況下，風(fēng)速穩(wěn)定時(shí)3個(gè)方向所受的阻力，試驗(yàn)流程如圖4所示。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ托畔?/p>

圖3 模型擺放位置

圖4 試驗(yàn)流程圖

試驗(yàn)前測(cè)試風(fēng)洞吹風(fēng)口大氣環(huán)境信息如表2所示。

表2 試驗(yàn)大氣環(huán)境信息

3 空氣阻力測(cè)試結(jié)果

3.1 空氣阻力計(jì)算

試驗(yàn)中，每種工況均進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)試，每次測(cè)試采集1 s時(shí)長(zhǎng)的模型受力數(shù)據(jù)。圖5是模型F在風(fēng)速30 m/s工況所受的空氣阻力測(cè)試數(shù)據(jù)。由圖5可以看出，空氣阻力存在一定范圍的波動(dòng)，這是因?yàn)槟Ｐ透浇諝饬鲃?dòng)存在氣壓波動(dòng)。本文取各工況所測(cè)1 s時(shí)長(zhǎng)阻力數(shù)據(jù)的均方根值，作為該工況的空氣阻力。車輛行駛過(guò)程中的空氣阻力主要考慮迎風(fēng)阻力，9種車輛模型在7種風(fēng)速工況下的空氣阻力如表3所示。

圖5 模型F工況6力響應(yīng)曲線

表3 測(cè)試的模型迎風(fēng)阻力

3.2 空氣阻力系數(shù)計(jì)算

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可計(jì)算模型的空氣阻力系數(shù)，計(jì)算公式[10]為

(1)

式中：ρ為空氣密度；v為來(lái)流速度(m/s)；S為模型迎風(fēng)面積(m2)。

履帶車輛迎風(fēng)面積與車輛外形流線型、風(fēng)力相對(duì)方位等相關(guān)。計(jì)算試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥枇ο禂?shù)需要確定其迎風(fēng)面積，如直接測(cè)量實(shí)際模型迎風(fēng)面積，容易忽略一些細(xì)節(jié)部位面積，導(dǎo)致測(cè)量的迎風(fēng)面積精確度降低。為此，在CAD軟件環(huán)境中，在車輛行駛方向?qū)ξ⒖s模型進(jìn)行平面投影，計(jì)算出相應(yīng)的投影面積即試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀L(fēng)面積，經(jīng)過(guò)等比例放大即可得到真實(shí)車輛迎風(fēng)面積[13]。

圖6是計(jì)算得到的9種試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?種不同風(fēng)速工況對(duì)應(yīng)的空氣阻力系數(shù)，從圖中可以看出，空氣阻力系數(shù)一開(kāi)始隨著風(fēng)速增加呈波動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)30 m/s后，隨速度變化波動(dòng)很小。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算可知，風(fēng)速30 m/s對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為1.35×106，大于第1節(jié)所述0.7×106.以上條件說(shuō)明此時(shí)的試驗(yàn)條件滿足自模性要求，即風(fēng)速大于等于30 m/s時(shí)試驗(yàn)進(jìn)入自模區(qū)，此速度對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為臨界雷諾數(shù)(Rec=1.35×106)[14-15]。根據(jù)相似性原理，風(fēng)速30 m/s和35 m/s工況對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂諝庾枇ο禂?shù)可作為真實(shí)車輛空氣阻力系數(shù)。

圖6 不同車輛空氣阻力系數(shù)曲線

由圖6可以看出：在滿足自模性要求的風(fēng)速工況內(nèi)，自行高炮類型車輛空氣阻力系數(shù)最大，在0.97～1.03之間；主戰(zhàn)坦克空氣阻力系數(shù)次之，在0.89～0.95之間；兩棲突擊車、步兵戰(zhàn)車等類型車輛空氣阻力系數(shù)最小，在0.80～0.86之間。這與車輛外部形貌特征有關(guān)。根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，物體形狀越接近流線型，其空氣阻力系數(shù)越小。自行高炮類車輛帶有雷達(dá)和較高炮塔的特征影響空氣阻力系數(shù)較為突出；主戰(zhàn)坦克外部形體一般比兩棲突擊車、步兵戰(zhàn)車類車輛高大且復(fù)雜，所以主戰(zhàn)坦克空氣阻力系數(shù)大于后者。

綜合所有車輛模型，取試驗(yàn)結(jié)果平均值，自行高炮類型車輛、主戰(zhàn)坦克、兩棲突擊車和步兵戰(zhàn)車類車輛空氣阻力系數(shù)設(shè)計(jì)選值依次為0.99、0.92、0.83.

3.3 實(shí)車功率損耗計(jì)算

根據(jù)相似理論，7種工況模型試驗(yàn)風(fēng)速等效的真實(shí)車速為18 km/h、36 km/h、54 km/h、72 km/h、90 km/h、108 km/h、126 km/h，結(jié)合空氣阻力系數(shù)定義和圖6中數(shù)據(jù)，可反向計(jì)算出模型對(duì)應(yīng)的全尺寸車輛實(shí)際行駛空氣阻力，進(jìn)而計(jì)算出對(duì)應(yīng)的功率損耗，如圖7所示。

圖7 全尺寸車輛行駛空氣阻力功耗

由圖7可以看出，對(duì)于履帶裝甲車輛：行駛車速大于72 km/h時(shí)，用于克服空氣阻力所消耗的功率急劇增加；高速(126 km/h)行駛時(shí)，用于克服空氣阻力消耗的功率損失為20～30 kW.

4 結(jié)論

采用相似理論，開(kāi)展多種履帶裝甲車輛微縮比例模型風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)試7種風(fēng)速工況的模型迎風(fēng)空氣阻力，獲取了履帶裝甲車輛空氣阻力系數(shù)，結(jié)果表明：

1)采用基于風(fēng)洞試驗(yàn)的履帶裝甲車輛空氣阻力測(cè)試方法能夠有效獲取車輛空氣阻力系數(shù)。

2)自行高炮類型車輛帶有雷達(dá)和較高炮塔的特征，影響空氣阻力系數(shù)較為突出，空氣阻力系數(shù)最大，在0.97～1.03之間，設(shè)計(jì)可取0.99；主戰(zhàn)坦克空氣阻力系數(shù)次之，在0.89～0.94之間，設(shè)計(jì)可取0.92；兩棲突擊車、步兵戰(zhàn)車等類型車輛空氣阻力系數(shù)最小，在0.80～0.86之間，設(shè)計(jì)可取0.83.

3)當(dāng)履帶裝甲車輛行駛車速大于72 km/h時(shí)，用于克服空氣阻力所消耗的功率急劇增加。