王夫亮，尹章順，陳 楓，閆 石

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

2016025

車輪旋轉(zhuǎn)條件下前輪導(dǎo)流板氣動減阻機(jī)理研究

王夫亮，尹章順，陳 楓，閆 石

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

為優(yōu)化上海通用某款車型的氣動特性，降低風(fēng)阻系數(shù)，利用風(fēng)洞試驗和流場數(shù)值模擬研究了不同高度的前輪導(dǎo)流板的減阻效果。數(shù)值模擬實現(xiàn)了車輪轉(zhuǎn)動和地面移動，其結(jié)果與風(fēng)洞試驗值基本一致，各導(dǎo)流板方案減阻效果明顯。根據(jù)數(shù)值模擬獲得的流場分布信息，分析了前輪導(dǎo)流板的減阻機(jī)理及其對整車流場特性影響，為導(dǎo)流板減阻設(shè)計提供了參考。

汽車空氣動力學(xué);前輪導(dǎo)流板;風(fēng)洞試驗;數(shù)值模擬;旋轉(zhuǎn)車輪;移動地面

前言

目前，為了降低油耗和提高最高車速，以降低車輛氣動阻力為目標(biāo)的空氣動力性能開發(fā)顯得越來越重要[1]。

研究結(jié)果顯示，上車身引起的風(fēng)阻約占總氣動阻力的50%[2-4]，汽車底板、車輪和輪腔引起的氣動阻力占總氣動阻力的40%～50%[2,5-8]，其中，車輪和輪腔引起的氣動阻力約占總氣動阻力的25%[9]。由于多數(shù)車輛車底表面不夠平整，存在很多凸起和凹陷，與車輛其它位置相比，底板、車輪和輪腔的減阻潛力更大[10]。

因此，僅對上車身進(jìn)行氣動減阻優(yōu)化不能保證獲得足夠的低風(fēng)阻競爭力，對汽車底板、車輪和輪腔進(jìn)行氣動優(yōu)化可以顯著降低氣動阻力，與優(yōu)化上車身具有同樣的重要性[11]。

然而這些區(qū)域的幾何形狀比較復(fù)雜，難以在風(fēng)洞試驗中對這些區(qū)域進(jìn)行氣動數(shù)據(jù)的測量和流態(tài)顯示。CFD是一種有利的工具，可獲得比較詳細(xì)的流場信息，以分析這些區(qū)域的流場分布特點，進(jìn)行減阻優(yōu)化。

本文中針對上海通用某款車型，進(jìn)行了加裝前輪導(dǎo)流板的氣動減阻優(yōu)化。前輪導(dǎo)流板按照高度不同分為15種方案，結(jié)合沒有加裝導(dǎo)流板的方案，本文中共研究了16種方案的氣動特性。進(jìn)行了所有方案的流場數(shù)值模擬，對5種方案進(jìn)行了風(fēng)洞試驗，對比了數(shù)值計算與風(fēng)洞試驗結(jié)果的一致性。根據(jù)數(shù)值模擬獲得的流場信息，分析不同高度前輪導(dǎo)流板對整車流場的影響和前輪導(dǎo)流板氣動減阻的流場機(jī)理，為前輪導(dǎo)流板減阻優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 前輪導(dǎo)流板方案

本文中研究的16種方案如圖1所示，包括無導(dǎo)流板方案(1)和15種不同前輪導(dǎo)流板高度的方案。從方案(2)到方案(16)，導(dǎo)流板高度依次增加5mm。進(jìn)行了16種方案的數(shù)值模擬，并對其中的方案(1)、(6)、(8)、(10)和(12)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗。

2 風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬

上述5種方案的風(fēng)洞試驗在上海地面交通工具風(fēng)洞中心的氣動聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞配備了組合式邊界層控制系統(tǒng)，包括水平抽吸、基礎(chǔ)抽吸、切向射流和移動帶，該組合式邊界層控制系統(tǒng)提高了近地面氣流速度，較好地保證了車身周圍的氣流特別是車底的氣流與車輛相對運(yùn)動狀態(tài)的真實性和試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

試驗車輛通過支桿固定，支桿和車輪移動帶與風(fēng)洞天平系統(tǒng)相連，天平系統(tǒng)對試驗車輛所受到的氣動力和力矩進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

試驗過程中邊界層控制系統(tǒng)開啟，中央移動帶和車輪移動帶都以試驗風(fēng)速v運(yùn)轉(zhuǎn)，以模擬地面效應(yīng)和實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)動。與之相對應(yīng)，外流場數(shù)值模擬的計算域地面和車輪(外邊緣)分別以速度v移動和轉(zhuǎn)動，如圖2所示。在風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬過程中實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)動，保證了車輪附近流場的真實性，有助于更準(zhǔn)確地研究前輪導(dǎo)流板對氣動特性的影響。

CFD計算網(wǎng)格反映了車身外表面、發(fā)動機(jī)艙和底盤等部件的幾何細(xì)節(jié)，但忽略了輪胎表面的花紋和輪輻厚度，將胎面和輪輻處理成無厚度的面網(wǎng)格，用旋轉(zhuǎn)壁面邊界條件實現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)動，用移動壁面邊界條件實現(xiàn)地面的移動，采用專業(yè)商用軟件FLUENT進(jìn)行流場計算。

計算網(wǎng)格如圖3所示，車身表面生成棱柱體網(wǎng)格，車體附近的空間網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，以提高計算精度。計算選用基于壓力修正的SIMPLE算法，湍流模型為Realizablek-ε模型，近壁區(qū)流場采用非平衡壁面函數(shù)進(jìn)行處理，壓力離散格式為Standard，動量、湍流動能和湍流耗散率離散格式為2階迎風(fēng)格式。

以張量指標(biāo)形式表示的流場控制方程，即為時均連續(xù)方程、Reynolds方程和標(biāo)量φ的時均輸運(yùn)方程[12]，分別為

(1)

(2)

(3)

式中:ρ為空氣密度，t為時間，u為速度，u′為脈動速度，p為壓力，S為源項，下標(biāo)i和j指標(biāo)取值范圍為(1,2,3)。冷凝器和散熱器內(nèi)的流場利用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬，多孔介質(zhì)上壓降與速度的關(guān)系用Darcy′s定律描述，具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:μ為空氣的動力黏度，1/α為黏性阻力系數(shù)，C2為慣性阻力系數(shù)，ρ為空氣密度，t為多孔介質(zhì)厚度。

3 結(jié)果對比與分析

3.1 風(fēng)阻系數(shù)結(jié)果對比

5種方案的風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬的風(fēng)阻系數(shù)Cd結(jié)果對比如圖4所示，風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬結(jié)果一致性較好，可以認(rèn)為通過數(shù)值模擬能夠獲得比較準(zhǔn)確的流場信息。相對于無導(dǎo)流板方案，4種導(dǎo)流板方案平均減阻約6.5%，減阻效果明顯。

風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬結(jié)果顯示，不同高度的導(dǎo)流板方案之間風(fēng)阻系數(shù)差別較小，導(dǎo)流板(6)、(8)、(10)和(12)之間高度依次增加10mm，導(dǎo)流板高度的明顯增加并沒有引起風(fēng)阻的顯著變化。

圖5所示為所有方案風(fēng)阻的CFD計算結(jié)果?？梢钥闯黾友b導(dǎo)流板后風(fēng)阻明顯降低，但是15種不同高度的導(dǎo)流板方案之間風(fēng)阻系數(shù)比較接近，變化趨勢平緩。各導(dǎo)流板方案之間最大高度差為70mm，但是風(fēng)阻系數(shù)沒有明顯差別，這表明風(fēng)阻系數(shù)對是否加裝導(dǎo)流板比較敏感，而對導(dǎo)流板高度的變化并不敏感。

對比分析各研究方案之間車輛各個部件的風(fēng)阻貢獻(xiàn)量的變化，有助于探尋是否加裝導(dǎo)流板和不同導(dǎo)流板高度對流場產(chǎn)生明顯影響的區(qū)域，進(jìn)而研究導(dǎo)流板的減阻機(jī)理，為合理設(shè)計導(dǎo)流板提供參考依據(jù)。

通過對比分析全部16種方案中各個部件風(fēng)阻貢獻(xiàn)量，發(fā)現(xiàn)加裝導(dǎo)流板的15種方案之間各部件的風(fēng)阻貢獻(xiàn)量基本一致，這15種方案中某些部件的風(fēng)阻貢獻(xiàn)量與不加裝導(dǎo)流板的方案(1)有明顯差別，這與圖4和圖5展示的結(jié)果相吻合。

限于篇幅，本文中僅在圖6中列出加裝導(dǎo)流板(10)方案后，各部件風(fēng)阻貢獻(xiàn)量的變化，其中，CRFM為冷凝器(Condenser)、散熱器(Radiator)和風(fēng)扇(Fan)模塊(Module)的簡稱。結(jié)果顯示，風(fēng)阻貢獻(xiàn)量減小的部件大部分都位于前輪腔內(nèi)，如前輪腔內(nèi)壁、左右前輪、驅(qū)動軸與制動角和左右后輪等。

風(fēng)阻貢獻(xiàn)量變大的部件主要有前輪導(dǎo)流板、前保險杠和發(fā)動機(jī)體等。綜合來看，減小的風(fēng)阻貢獻(xiàn)量占優(yōu)勢，加裝前輪導(dǎo)流板后整車風(fēng)阻有顯著降低。

3.2 導(dǎo)流板對流動狀態(tài)的影響

圖7所示為y=-0.6m截面(約為前輪導(dǎo)流板和輪腔在y方向的中間位置)內(nèi)的流場速度分布對比。可以看出，在沒有安裝前輪導(dǎo)流板的情況下，來自前方進(jìn)入前輪腔的氣流速度較高，速度較高的氣流受到前輪腔內(nèi)壁、前輪、驅(qū)動軸、制動角、轉(zhuǎn)向節(jié)和懸架等部件的阻礙，速度降低，產(chǎn)生動量損失，這些動量損失是產(chǎn)生風(fēng)阻的重要來源[13]。

安裝前輪導(dǎo)流板后，導(dǎo)流板降低了前方的氣流速度，進(jìn)入前輪腔的氣流速度降低，減小了前輪腔內(nèi)的氣流動量損失，對降低風(fēng)阻有利。如圖6所示，安裝前輪導(dǎo)流板后，前輪腔內(nèi)的部件對風(fēng)阻的貢獻(xiàn)量顯著減小，是導(dǎo)致風(fēng)阻降低的主要原因。

隨著導(dǎo)流板高度的增加，導(dǎo)流板前方的氣流速度略有降低，導(dǎo)流板下方的氣流速度略有增加，但是高速氣流基本經(jīng)由輪罩下方流向后方車底，流入前輪腔的氣流速度較低，不同導(dǎo)流板高度下的前輪腔流動狀態(tài)很接近，4種高度的導(dǎo)流板方案減阻效果相近。

3.3 前輪腔內(nèi)流動狀態(tài)

前輪腔內(nèi)流動狀態(tài)如圖8所示，沒有安裝前輪導(dǎo)流板時，進(jìn)入前輪腔的氣流速度較高，輪腔內(nèi)壁、驅(qū)動軸、制動角、轉(zhuǎn)向節(jié)和懸架等部件對氣流產(chǎn)生阻礙作用，氣流速度降低，產(chǎn)生動量損失，壓力升高(圖9)，產(chǎn)生較高的風(fēng)阻。

安裝導(dǎo)流板后，進(jìn)入輪腔的氣流速度降低，由輪腔內(nèi)壁和腔內(nèi)部件阻礙作用所產(chǎn)生的動量損失和部件表面產(chǎn)生的滯止壓力都減小，從而減小了前輪腔內(nèi)的部件所受到的阻力。

前輪導(dǎo)流板在降低輪腔內(nèi)動量損失和表面壓力的同時，其自身迎風(fēng)面和附近的前保險杠表面也形成了較高的滯止壓力，導(dǎo)致前輪導(dǎo)流板產(chǎn)生阻力且增加前保險杠阻力。

圖10為前輪表面壓力分布對比，加裝導(dǎo)流板后，高速氣流在前輪和輪圈迎風(fēng)面形成的高壓區(qū)域主要位于導(dǎo)流板下緣水平高度以下，相對于不加裝導(dǎo)流板的情況，高壓區(qū)域明顯減小，車輪受到的氣動阻力也減小。

3.4 導(dǎo)流板對CRFM流動狀態(tài)的影響

圖11為加裝導(dǎo)流板前后冷凝器入口氣流速度的對比?？梢钥闯?，加裝導(dǎo)流板后，冷凝器入口速度有所增加，這說明導(dǎo)流板對前端氣流的流量分配產(chǎn)生了影響，導(dǎo)流板增加了輪腔前方的流動阻力，流入前輪腔的氣流速度降低，流量減小，經(jīng)前格柵流入發(fā)動機(jī)艙的氣流速度升高，流量增加。前格柵處氣流速度增加，導(dǎo)致在格柵和牌照板位置產(chǎn)生的滯止壓力升高，風(fēng)阻增加。

經(jīng)過CRFM的氣流量增加有利于提高其換熱性能，但流速增加(表1)也會導(dǎo)致冷凝器和散熱器進(jìn)出口壓差變大(表2)，引起風(fēng)阻增加。

流出CRFM的氣流，受到發(fā)動機(jī)體和變速器的阻礙，氣流速度降低，產(chǎn)生動量損失并在發(fā)動機(jī)體和變速器表面形成滯止壓力。安裝導(dǎo)流板后，流出CRFM的氣流流量和流速增加，在發(fā)動機(jī)體和變速器表面形成的滯止壓力升高，導(dǎo)致阻力增加。

表1 加裝導(dǎo)流板后入口平均速度增加值 m·s-1

表2 加裝導(dǎo)流板后進(jìn)出口壓差增加值 Pa

3.5 上車身壓力系數(shù)對比

圖12所示為加裝導(dǎo)流板前后車體上表面中線上的壓力系數(shù)對比?？梢钥闯?，兩種狀態(tài)下的壓力系數(shù)沒有明顯差異，這說明前輪導(dǎo)流板對車身上表面附近的氣流流態(tài)沒有明顯影響，車身上表面的氣動阻力沒有明顯變化。

4 結(jié)論

本文中針對上海通用某款車型，加裝前輪導(dǎo)流板后，改善了前輪腔內(nèi)的流動狀態(tài)，使整車風(fēng)阻系數(shù)降低了約6.5%，減阻效果明顯。對無導(dǎo)流板和15種高度的導(dǎo)流板方案進(jìn)行了風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。根據(jù)數(shù)值模擬獲得的流場結(jié)果，分析了前輪導(dǎo)流板對整車流場狀態(tài)的影響和前輪導(dǎo)流板的減阻機(jī)理?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

(1) 利用轉(zhuǎn)動車輪和移動地面邊界條件，可以獲得與試驗結(jié)果基本一致的數(shù)值模擬結(jié)果，更準(zhǔn)確地模擬流場特性；

(2) 前輪導(dǎo)流板減小了流入前輪腔內(nèi)的氣流速度和流量，降低了前輪腔內(nèi)的動量損失和表面壓力，引起前輪腔內(nèi)零部件的風(fēng)阻降低；但其迎風(fēng)面和附近的前保險杠表面形成較高的滯止壓力也使風(fēng)阻增加；

(3) 加裝前輪導(dǎo)流板后，經(jīng)過前格柵開口和CRFM的流速和流量有所升高，引起CRFM壓差變大以及前格柵、發(fā)動機(jī)體和變速器滯止壓力增加，引起風(fēng)阻增加；

(4) 前輪導(dǎo)流板對上車身附近的流動狀態(tài)沒有明顯影響，上車身表面風(fēng)阻沒有明顯變化。

綜合來看，前輪導(dǎo)流板引起的前輪腔內(nèi)的風(fēng)阻降低占優(yōu)勢，提高了整車的氣動特性。

[1] Dimitrios Sapnaras, Ioannis Dimitriou. Experimental Analysis of the Underbody Pressure Distribution of a Series Vehicle on the Road and in the Wind Tunnel[C]. SAE Paper 2008-01-0802.

[2] HUCHO W H. Aerodynamics of Road Vehicles[M]. 4th edition. SAE Publications Group, 1998.

[3] PFADENHAUER M, WICKERN G, ZWICKER K. On the Influence of Wheels and Tires on the Aerodynamic Drag of Vehicles[C]. MIRA International Conference on Vehicle Aerodynamics, Proc. Sponsored by the Engineer, October, 1996.

[4] SKEA A F, BULLEN P R, QIAO J. CFD Simulations and Experimental Measurements of the Flow over a Rotating Wheel in a Wheel Arch[C]. SAE Paper 2000-01-0487.

[5] SKEA A F, BULLEN P R, HARVEY J K. The Use of CFD to Predict the Air Flow around a Rotating Wheels[C]. 2nd MIRA International Conference on Vehicle Aerodynamics, 1998.

[6] SKEA A F, BULLEN P R, QIAO J. Underbody Aerodynamics: Using CFD to Simulate the Airflow around a Rotating Wheel of a Passenger Car[C]. Birmingham, 1999.

[7] SKEA A F, BULLEN P R, QIAO J. Review of Underbody Aerodynamics: Testing Techniques; Airflow Characteristics; CFD Contribution[J]. Ford Technical Journal, 1998.

[8] VITALI D, CASELLA M, BERGAMINI P. CFD Prediction of the Effect on Aerodynamic Drag of Vehicle Underbody[C]. ECCOMAS 96 Proceedings, John Wiley & Sons, UK, 1996.

[9] Christoffer Landstr?m, Tim Walker, Lasse Christoffersen, et al. Influences of Different Front and Rear Wheel Designs on Aerodynamic Drag of a Sedan Type Passenger Car[C]. SAE Paper 2011-01-0165.

[10] Simone Sebben. Numerical Simulations of a Car Underbody: Effect of Front-Wheel Deflectors[C]. SAE Paper 2004-01-1307.

[11] Christoffer Landstr?m, Lennart L?fdahl, Tim Walker. Detailed Flow Studies in Close Proximity of Rotating Wheels on a Passenger Car[C]. SAE Paper 2009-01-0778.

[12] Fluent Inc., FLUENT User’s Guide[M]. Fluent Inc., 2003.

[13] Lasse Christoffersen, Lennart L?fdahl, Anders J?nson. Interference Between Engine Bay Flow and External Aerodynamics of Road Vehicles[C].SAE Paper 2010-01-0288.

A Research on the Aerodynamic Drag Reduction Mechanismof Front Wheel Deflectors in a Condition of Wheel Rotation

Wang Fuliang, Yin Zhangshun, Chen Feng & Yan Shi

PanAsiaTechnicalAutomotiveCenter,Shanghai201201

To optimize the aerodynamic characteristics and reduce the drag coefficient of a SGM vehicle model, the drag reduction effects of front wheel deflectors with different heights are investigated by utilizing wind tunnel test and flow field numerical simulation, in which wheel rotation and ground moving are realized. The results of simulation well agree with wind tunnel test data, and all schemes of deflector have significant drag reduction effects. Based on the flow field distribution information acquired from simulation, the drag reduction mechanism of reflector and its effects on the flow field characteristics of vehicle are analyzed, providing references for the drag reduction design of reflector.

vehicle aerodynamics; front wheel deflector; wind tunnel test; numerical simulation; rotating wheels; moving ground

原稿收到日期為2014年7月18日，修改稿收到日期為2014年11月13日。