基于Fluent的考慮旋轉(zhuǎn)車輪影響的汽車外流場分析

譚妍瑋, 張眾華, 劉秋生

(西華大學汽車與交通學院, 成都610039)

摘要：以某型轎車為基礎(chǔ)，建立了包含后視鏡、車輪及車身造型的整車外流場模型，利用Fluent軟件對車輪在靜止與旋轉(zhuǎn)條件下的外流場進行了數(shù)值模擬，并進行對比分析。仿真結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)車輪影響整車所受的氣動阻力和氣動升力，同時旋轉(zhuǎn)車輪還對車身底部和尾部以及后視鏡處的渦流形態(tài)和尺度有很大影響?？梢姡D(zhuǎn)車輪對整車外流場的分析結(jié)果具有重要影響，不可忽略。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)車輪;CFD;外流場

文章編號：1673-1549(2015)04-0017-05

DOI:10.11863/j.suse.2015.04.04

收稿日期:2015-06-09

基金項目:西華大學研究生創(chuàng)新基金( ycjj2015034)

作者簡介:譚妍瑋(1990-)，女，四川廣安人，碩士生，主要從事汽車性能測試與仿真方面的研究，(E-mail) tanyanwei1205@163．com

中圖分類號：U462

文獻標志碼：A

引言

汽車空氣動力學是流體力學的一部分，它是研究汽車與周圍空氣在相對運動時兩者之間相互作用力的關(guān)系及運動規(guī)律的科學。對于空氣動力學的研究主要采用理論分析、數(shù)值計算和實驗三大類方法。傳統(tǒng)的研究大多是在風洞中進行實驗，費用昂貴、開發(fā)周期長。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算流體力學(CFD)蓬勃興起，由于CFD方法能夠解決一些理論分析法和實驗法難以處理的復雜流動問題，而且費用低、周期短，被廣泛地應用到汽車的空氣動力學特性研究中[2-4]。

汽車外流場是一種復雜的擾流流動，車輪的旋轉(zhuǎn)使得車體周圍的流場更加復雜[5]。在以前的汽車外流場的研究中，常常對汽車做了很多的簡化，模型的建立上沒有考慮后視鏡、車門柱等車身附件的影響，同時忽略了車輪的旋轉(zhuǎn)對整車外流場形態(tài)的影響，結(jié)果盡管具有一定的參考價值，但是與真實情況還是存在一定的差異[6-8]。本文建立了包含后視鏡等附件的汽車模型，利用Fluent軟件對汽車外流場進行了數(shù)值模擬，得出了靜止車輪和旋轉(zhuǎn)車輪的汽車外流場特性。

1模型的建立與網(wǎng)格劃分

1.1　三維模型

采用Solidworks軟件來建立轎車的三維模型，模型基本參數(shù)為車身長：L=4500 mm；車寬：W=2200 mm；車高：H=1350 mm。此次建模過程中保留了后視鏡、門柱、車身腰線等主要特征，對汽車表面和底部做了相應的平整處理，以平整面替換車底的真實凹凸形狀。計算區(qū)域設(shè)置為：前方為3倍車長，后方為7倍車長，單側(cè)寬度為2倍車寬，車頂面為5倍車高[9-10]。轎車模型如圖1所示。

圖1　轎車三維模型

1.2　網(wǎng)格劃分

考慮到車身曲面的復雜性，本文采用了混合網(wǎng)格劃分方法，該方法可以充分發(fā)揮四面體網(wǎng)格貼合性好和六面體網(wǎng)格計算精度高的優(yōu)點[11]。首先采用整體控制法將計算域的網(wǎng)格尺寸控制在4 mm～8 mm之間；然后對車身壁面周圍的網(wǎng)格進行整體細化，單元體長度尺寸控制為5 mm，車身、輪胎及輪罩的近壁面采用了膨脹層網(wǎng)格，以提高近壁面的計算精度。在保證網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，盡量減少網(wǎng)格的數(shù)量，總網(wǎng)格數(shù)約為840萬。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2　網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.3　邊界條件

一般認為汽車外流場是三維、等溫、定常、不可壓的湍流運動。本文為了避免求解整個計算域，減少計算成本，采用了對稱邊界條件，將計算量減少一半，這里將汽車的縱向?qū)ΨQ平面(YZ平面)設(shè)置為對稱邊界條件。進口邊界速度設(shè)定為28 m/s，出口邊界為壓力出口。對于靜止車輪，利用移動壁面條件模擬汽車與地面的相對運動，移動速度為28 m/s，而旋轉(zhuǎn)車輪，除了設(shè)置移動壁面外，還利用旋轉(zhuǎn)壁面條件模擬車輪的旋轉(zhuǎn)運動，即設(shè)置車輪的壁面為moving wall，并給定旋轉(zhuǎn)角速度為100 rad/s。

由于雷諾平均法是工程中應用最為廣泛的方法，因此本文選用雷諾方程(RANS)來進行汽車外流場數(shù)值模擬計算。在數(shù)值模擬求解過程中，必須選取適當?shù)耐牧髂Ｐ褪乖摲匠涕]合，因為RNG湍流模型考慮了旋轉(zhuǎn)流動，能更準確地模擬轎車復雜外流場的流動情況，因此這里選擇RNG湍流模型進行求解[12]。

2結(jié)果分析

由仿真結(jié)果可以得到汽車所受到各個氣動力，以及汽車外流場在任意截面上的速度矢量圖、流線圖和壓力分布圖等。

2.1　對稱面流速和壓力分析

汽車向前行駛時，所承受的空氣作用力是比較復雜的。旋轉(zhuǎn)車輪對稱面速度矢量如圖3所示，壓力云圖如圖4所示。首先當前方均勻來流到達車頭時氣流受到阻滯，流速降低，壓力增大，在頭部產(chǎn)生一個高的正壓區(qū)。然后氣流產(chǎn)生分支，一部分從車底流過，大部分沿發(fā)動機罩和門窗向頂部和側(cè)面流去，氣流基本上沿著車身表面平滑流動，流動過程中速度增大，壓力減小，并在車身頂部形成了負壓區(qū)。而來自汽車頂部和底部的兩股氣流在汽車車尾處形成渦流。

圖3　對稱面速度矢量圖

圖4　對稱面壓力云圖

2.2　整車氣動力分析

汽車行駛過程中，車輪的旋轉(zhuǎn)對整車的氣動性能產(chǎn)生重要的影響，這里對比分析靜止車輪和旋轉(zhuǎn)車輪的整車氣動力大小可以發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)車輪的存在使得整車的阻力和升力增大(表1)。由此可見車輪旋轉(zhuǎn)帶動車底氣流流動，引起整車的壓力變化，進而影響車身的氣動力。

表1　整車氣動力

2.3　車輪氣動力和壓力分析

車輪的旋轉(zhuǎn)是影響車輪周圍氣流流動的因素。這里將整車里的前后車輪剝離出來分析，見表2和表3。對比數(shù)據(jù)可以看到，不論車輪處于靜止還是轉(zhuǎn)動條件，汽車后輪受到的阻力和升力都小于前輪所受的阻力和升力，這是因為汽車的前輪直接面對迎面而來的氣流，氣流經(jīng)過前輪后流向后輪，即后輪處于前輪的尾流影響中，所以前后輪所處流場的初始條件不同，進而產(chǎn)生的氣動力大小有很大的差異。

表2　靜止車輪氣動力

表3　旋轉(zhuǎn)車輪氣動力

將靜止車輪和轉(zhuǎn)動車輪的氣動力進行比較，可知不論前輪還是后輪，車輪在轉(zhuǎn)動條件下產(chǎn)生的阻力大于靜止車輪，而升力方面，旋轉(zhuǎn)車輪的前輪升力大于靜止車輪，后輪升力卻小于靜止車輪。這是由于車輪旋轉(zhuǎn)過程中在輪罩周圍產(chǎn)生了復雜的流場，對阻力和升力產(chǎn)生了影響。

圖5和圖6為靜止車輪和旋轉(zhuǎn)車輪的前后輪表面壓力分布云圖，由云圖可以看出輪胎正前下方呈現(xiàn)高壓分布，這是因為氣流沿車底流動首先流向車輪正下方，速度減小、壓力增大。對比前后輪可以發(fā)現(xiàn)：由于前輪直接受到來流的沖擊，表面氣流流速加快，于是表面壓力低于后輪。對比靜止車輪和旋轉(zhuǎn)車輪的壓力可知：車輪在旋轉(zhuǎn)的過程中，車輪帶動其附近的氣流一起旋轉(zhuǎn)，引起旋轉(zhuǎn)車輪上半部分的壓力大于靜止車輪。

圖5　靜止車輪表面壓力分布圖

圖6　旋轉(zhuǎn)車輪表面壓力分布圖

2.4　靜止車輪和旋轉(zhuǎn)車輪的外流場對比分析

流經(jīng)車身底部的氣流一部分沿著平滑的車身順利流向車尾，另一部分則通過輪胎與輪罩之間的間隙流向車尾。圖7為汽車前輪附件速度矢量圖，分析車身底部車輪處的流場發(fā)現(xiàn)，由于車輪的旋轉(zhuǎn)方向與氣流速度方向相反，進一步阻礙了氣流流動，使流向輪胎兩側(cè)的空氣流量增大，從而誘發(fā)渦流的產(chǎn)生。

流經(jīng)車身側(cè)面的氣流經(jīng)過后視鏡時，由于后視鏡的阻礙作用，速度降低，加上車輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的作用，使后視鏡后面產(chǎn)生的渦流發(fā)生了一定的變化。這里在后視鏡后方0.1 m且平行于XY平面的地方建立一個截面來觀測后視鏡處的渦流，如圖8所示(圖1已經(jīng)建立了坐標軸)，可以看到車輪靜止和旋轉(zhuǎn)條件下，在后視鏡后方均產(chǎn)生上下兩個渦流，旋轉(zhuǎn)車輪使得上方渦流尺度變小，下面渦流尺度增大，并使下方渦流位置上移。

圖7　車身底部前輪附近的速度矢量圖

圖8　距離后視鏡后方0.1 m處速度矢量圖

圖9為靜止車輪和旋轉(zhuǎn)車輪對稱面尾部的速度矢量圖。車輪靜止時，來自前方的氣流順利經(jīng)過車頂、擋風玻璃和行李艙蓋到達汽車尾部時氣流突然失去附著，產(chǎn)生氣流分離，在尾跡區(qū)產(chǎn)生了順時針和逆時針兩個渦流，并形成一定的壓差阻力。對于旋轉(zhuǎn)的車輪，它將氣流推向汽車的尾部和側(cè)面，最后導致尾跡區(qū)渦流的位置和形態(tài)發(fā)生變化。尾部上方產(chǎn)生了一個較大的拖曳渦，它是由頂蓋和后窗上氣流翻卷形成。

圖9　車身對稱面尾部的速度矢量圖

3結(jié)論

(1)本文基于Fluent軟件得到了汽車的氣動力以及汽車外流場的速度矢量圖和壓力云圖等。

(2)本文創(chuàng)建的包含后視鏡、車輪及車門柱等特征的數(shù)值模型提高了計算精度，采用RNG湍流模型和Inflation近壁面網(wǎng)格方法成功捕捉到了車尾和后視鏡等處的湍流運動。

(3)通過對比車輪靜止和旋轉(zhuǎn)情況下的流場差異，可知旋轉(zhuǎn)車輪的存在對轎車外流場特性有很大的影響，不僅影響氣動力的大小，同時還影響車身底部輪罩處和轎車尾部附件以及后視鏡處的渦流形態(tài)和尺度。

參 考 文 獻：

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Analysis of Automobile External Flow Field With the Influence of

Rotating Vehicle Wheel Based on Fluent

TANYanwei,ZHANGZhonghua,LIUQiusheng

(School of Automobile and Transportation, Xihua University, Chengdu 610039, China)

Abstract:On the basis of a certain type of car, the external flow field model including rearview mirror, wheels and body modeling is established, and the outflow field of wheels under the condition of static and spinning is numerically simulated, compared and analyzed by Fluent software. The simulation results show that the rotating wheels affect the aerodynamic drag and the aerodynamic lift of the whole automobile, at the same time, the rotating wheels also have a great influence on the bottom of the body, stern and the eddy current form and scale at rearview mirror. Therefore, the rotating wheels have an important influence on the analysis of vehicle outflow field, which should not be neglected.

Key words: rotating wheel; CFD; outflow field