康 寧，梁玄勇

(北京航空航天大學交通科學與工程學院，北京 100191)

汽車車輪周圍流場對汽車整車空氣動力性能有著重要的影響，車輪相關的氣動阻力在整車的氣動總阻力中占有相當?shù)谋戎?，同時汽車在制動行駛過程中，尤其對于一些重型車輛，由于制動時摩擦生熱，使制動裝置上產(chǎn)生高溫，導致剎車失靈，還會使輪胎溫度升高，加速輪胎老化，甚至引起輪胎著火、爆胎等嚴重事故.所以，對車輪風阻及通風性能的研究，有著重要的實際意義和工程應用價值.

胡興軍［1］等針對某款車輪不同輻板車輪的外流場進行研究發(fā)現(xiàn)，輻板的改變不僅影響車輪局部流場，還影響整車的氣動特性.王國華［2］通過CFD方法分析了簡化車輪輻板孔型、個數(shù)與空氣動力學及車輪內的散熱關系，為車輪輪輞孔型、結構方面的設計提供了理論依據(jù).蘆克龍［3］分析了輻板式樣、開孔數(shù)量和面積對制動盤散熱的影響.谷正氣［4］研究了輻板開孔個數(shù)和面積對整車氣動阻力的影響.蔣建軍［5］設計了一種風冷降溫式車輪，輪輻設計成扇葉型，一定程度上改善了車輪的散熱效果.文獻［6］對離心式、軸流式葉片車輪以及傳統(tǒng)車輪進行了研究，結果表明離心式葉片車輪的通風量提高的幅度最大.

以上的研究主要是針對車輪輻板的式樣以及通風孔的數(shù)量和面積，本文研究某型號鋼制車輪通風孔開孔結構對風阻及通風性能的影響.對裝在左輪及右輪上的原型和改型方案周圍空氣的流動現(xiàn)象進行數(shù)值模擬，研究經(jīng)過改型設計后車輪風阻以及通過輪輻通風孔通風量的變化情況.

1 計算模型及計算方法

1.1 控制方程組

汽車車輪周圍空氣的流動可認為是定常三維不可壓流動問題，滿足如下控制方程:

連續(xù)方程

動量方程

式中:u為速度分量;p為壓力;μ為動力粘性系數(shù)，ρ為密度.

1.2 車輪模型

本研究的鋼制車輪由輪輻、輪輞、制動鼓及輪胎組成，車輪模型見圖1.坐標系固結于車輪上，原點位于制動鼓與輪輻裝配面的中心處.

圖1 鋼制車輪

圖2給出了分別裝在左輪及右輪上的原型輪輻.圖中左側箭頭表示來流方向，右側箭頭表示車輪旋轉方向，數(shù)字表示10個通風孔的編號.

改型輪輻是在原型基礎上，對原型輪輻通風孔前后部分分別做不同方向的壓凹而得到的.裝在左輪上的是在通風孔前部向里壓凹(前凹)，后部向外壓凹(后凸)，裝在右輪上的正好與左輪相反(前凸后凹).圖3給出的是左輪改型和右輪改型的局部，其中改型輪輻編號同原型.

圖2 原型輪輻

圖3 改型輪輻

1.3 計算域模型

計算域在車輪前為2.5D(車輪直徑)，在車輪后為6.5D，在車輪左右兩側均為3 W(車輪寬度).由于研究的是改型車輪風阻以及通風量的變化情況，暫不考慮地面的影響，在車輪上下部均為2D，如圖4所示.

為了采用動參考系模型模擬車輪的旋轉問題，對包圍在車輪周圍的流體計算域單獨命名為旋轉計算域，見圖4.旋轉計算域內部為車輪，外部為靜止計算域.

圖4 計算域示意圖

1.4 網(wǎng)格劃分

由于輪輻、輪輞及制動鼓的結構比較復雜，流場變化劇烈，為了保證計算可靠性，提高計算效率，由車輪向外，網(wǎng)格由密到疏過渡，結構細小處還做了進一步的加密處理.

對計算域建立非結構四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目在490萬左右.圖5為輪胎、輪輻、輪輞及制動鼓的面網(wǎng)格分布情況.

圖5 車輪面網(wǎng)格分布圖

1.5 物性參數(shù)及求解設置

空氣密度為1.225 kg/m3，動力粘性系數(shù)為1.789×10－5kg/(m·s).

采用基于壓力求解器，隱式求解方法，一階隱式時間積分方案，標準k-ε湍流模型，SIMPLE速度和壓力耦合處理方法，動量及能量方程的離散格式采用一階迎風格式.參考壓強為一個標準大氣壓.

1.6 邊界條件

計算域中旋轉計算域為旋轉運動，轉動中心為(0，0，0)，轉動坐標軸為 (1，0，0)，轉動角速度為31 rad/s;進口為速度入口條件，流速為汽車行駛速度16.67 m/s;出口為壓力出口條件，表壓為0;計算域左右兩側、頂部和底部均為滑移平動壁面條件，運動速度同進口;輪輻、輪輞、制動鼓及輪胎表面均為無滑移旋轉壁面條件，旋轉情況同旋轉計算域，見圖4.

2 計算方法驗證

為驗證流場計算方法的可靠性，將所用方法計算得到的車輪風阻系數(shù)與文獻［7］中的實驗結果進行比較.文獻［7］中車輪直徑為0.83 m，寬為2.5 m，車輪前進速度為9.592 m/s.計算時所采用車輪的尺寸與文獻［7］的完全相同.

計算的靜止和滾動車輪風阻系數(shù)與實驗結果的對比如表1所示.

表1 車輪風阻系數(shù)計算值與實驗值

由表1可看出，靜止和滾動車輪的計算結果和實驗結果的相對誤差都在7%以內，因此認為所用的流場計算方法可靠.

3 計算結果及分析

根據(jù)原型輪輻周向一致性的特點，無論裝在左輪還是右輪，車輪周圍的流動狀態(tài)以及同一編號的通風孔處的流動狀態(tài)是完全相同的，所以車輪受到的風阻以及通過同一編號通風孔的通風量也是完全一樣的.因此以下給出的原型結果，對左輪和右輪均適用.

車輪風阻系數(shù)CD為:

式中:D為車輪風阻;V0為車輛行駛速度;A為車輪z向正投影面積.

表2為原型和左輪改型及右輪改型的風阻系數(shù).左輪改型風阻系數(shù)比原型增加了1.29%，右輪改型比原型增加了1.64%.說明改型的風阻系數(shù)均有所增加，但增加的很小.

表2 風阻系數(shù)

表3和圖6為通過原型、左輪改型和右輪改型10個通風孔的通風量以及總通風量.

由表3和圖6可知，3種型式車輪的通風量隨通風孔編號的變化情況都是先增大到最大值后減小，增加到第二個最大值后再減小.最大通風量都是通風孔4，第二大通風量都是通風孔8，較小通風量分別是通風孔1、6和10.

對比3種型式車輪同一編號通風孔的通風量可知，右輪改型的通風量最大，左輪改型的最小(通風孔2除外).因此右輪改型的總通風量最大，比原型增加了47.09%;左輪改型的最小，比原型減小了52.74%.說明改型輪輻只有裝在右輪上才有利于提高通過通風孔的通風量.

表3 原型、左輪改型及右輪改型各通風孔的通風量 (m3·s)

圖6 原型、左輪改型及右輪改型各通風孔的通風量

圖7～圖9為通過原型、左輪改型和右輪改型通風孔4中截面的速度矢量圖和壓強分布圖.

通風孔4位于輪輻前部偏下的位置(見圖2)，而輪輻處于輪胎中間，前方來流繞過輪胎，才能作用到通風孔4，因此在車輪旋轉以及繞過輪胎來流的共同作用下，原型車輪內部(右側)大部分氣流從下往上通過通風孔流出車輪.同時在通風孔上部由于受到高壓的作用，氣流在車輪外部(左側)變?yōu)橄蛳铝鲃?，見圖7.

左輪改型由于其結構特點，即下部向里壓凹，上部向外壓凹(見圖2)，導致車輪內部的氣流從上往下流出較易，外部的氣流從下往上流入較易，因此內部大部分氣流變?yōu)閺纳贤铝鞒鐾L孔，外部部分氣流從下往上流入通風孔，見圖8.

右輪改型的結構正好與右輪改型相反，即下部向外壓凹，上部向里壓凹，導致車輪內部從下往上通過通風孔的氣流更加容易流出.同時由于上部高壓區(qū)的壓強較原型的小些，流出通風孔的氣流并不都是向下流動，在通風孔下部，小部分車輪外部的氣流向上流入通風孔，見圖9.

最終結果是右輪改型的通風量最大，原型次之，左輪改型最小.

圖7 原型通風孔4

圖8 左輪改型通風孔4

圖9 右輪改型通風孔4

4 結論

左輪改型風阻系數(shù)比原型增加了1.29%，右輪改型增加了1.64%.說明改型的風阻系數(shù)均有所增加，但增加的很小.

3種型式車輪通風量隨通風孔編號的變化情況都是先增大到最大值后減小，增加到第二個最大值后再減小.最大通風量都是通風孔4，第二大通風量都是通風孔8.

3種型式車輪同一編號通風孔的通風量，右輪改型的最大，左輪改型的最小(通風孔2除外).右輪改型的總通風量最大，較原型增加了47.09%，左輪改型的最小，減小了52.74%.說明右輪改型有利于提高通過通風孔的通風量.

［1］胡興軍，傅立敏，張世村，等.具有不同輻板車輪的空氣動力學特性研究 ［J］.同濟大學學報 (自然科學 版)，2006，34(12):1684-1688.

［2］王國華.車輪空氣減阻及其輪內傳熱 ［D］.長春:吉林大學汽車工程學院，2010

［3］蘆克龍.基于CFD的汽車制動盤散熱性數(shù)值計算與優(yōu)化 ［D］.長沙:湖南大學機械與運載工程學院，2011

［4］谷正氣，林肖輝，李偉平，等.車輪輻板形狀對汽車氣動阻力影響分析 ［J］.科技導報，2011，29(6):57-61.

［5］蔣建軍.風冷降溫式車輪開發(fā)與研究 ［D］.柳州:廣西科技大學機械設計及理論，2013.

［6］Ryunosuke Kawashima1，Toshiaki Kanemo to.Automotive wheel with cooling fan for brake system and in-wheel motor［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2013，27(6):1687-1692

［7］Axon Lee，Garry Kevin，Howell J.An Evaluation of CFD for Modeling the Flow around Stationary and Rotating Isolated Wheels［C］.SAE Paper，980032.