唐洪濤，耿勝民，王君帥，劉學(xué)龍

（1. 天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2. 中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 300300）

基于車(chē)輪的整車(chē)氣動(dòng)減阻的研究

唐洪濤1，耿勝民1，王君帥1，劉學(xué)龍2

（1. 天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2. 中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 300300）

針對(duì)國(guó)內(nèi)某運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(chē)（SUV），采用均勻設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)，進(jìn)行了車(chē)輪氣動(dòng)減阻研究.研究發(fā)現(xiàn)：使用均勻設(shè)計(jì)方法基于車(chē)輪的氣動(dòng)減阻能夠有效地降低整車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)，降幅可達(dá)15.9%；前輪阻流板寬度對(duì)于針對(duì)車(chē)輪氣動(dòng)減阻的氣動(dòng)阻力系數(shù)的影響最大，前輪、后輪阻流板高度、寬度，輪輞面積對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)存在不同的影響趨勢(shì).

車(chē)輪；氣動(dòng)減阻；均勻設(shè)計(jì)；計(jì)算流體力學(xué)

隨著大氣污染日益嚴(yán)重以及能源危機(jī)愈演愈烈，節(jié)能減排已成為時(shí)代的主旋律.汽車(chē)作為人們出行的主要交通工具之一，其能源消耗量以及尾氣排放量日益增多，對(duì)汽車(chē)氣動(dòng)減阻的研究勢(shì)在必行.

研究發(fā)現(xiàn)，車(chē)輪對(duì)整車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)的貢獻(xiàn)較大，流線型汽車(chē)甚至可達(dá)50%［1］，車(chē)輪氣動(dòng)阻力是汽車(chē)氣動(dòng)減阻的重災(zāi)區(qū).當(dāng)前，對(duì)車(chē)輪氣動(dòng)阻力的研究已取得了一系列的成果.文獻(xiàn)［2-3］的研究闡明了車(chē)輪寬度對(duì)車(chē)輪及整車(chē)氣動(dòng)阻力的影響，其中增大車(chē)輪寬度造成的車(chē)輪尾部渦流增大是引起氣動(dòng)阻力增大的主要原因.文獻(xiàn)［4-5］研究了車(chē)輪輻板的幾何外形對(duì)車(chē)輪氣動(dòng)特性的影響，其中文獻(xiàn)［4］的研究表明，車(chē)輪輻板的幾何外形對(duì)車(chē)輪局部流場(chǎng)及整車(chē)外流場(chǎng)均有較大的影響，輻板處渦流的變化是造成能量耗散改變的主要原因；文獻(xiàn)［5］闡明了車(chē)輪輻板的開(kāi)孔面積及開(kāi)孔數(shù)目對(duì)車(chē)輪的氣動(dòng)阻力系數(shù)的影響，得出開(kāi)孔數(shù)目不變，隨著開(kāi)孔面積的增大，前后輪的氣動(dòng)阻力系數(shù)均增大，整車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)先增大后減小等結(jié)論.文獻(xiàn)［6-7］就旋轉(zhuǎn)車(chē)輪對(duì)整車(chē)外流場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究.研究發(fā)現(xiàn)，車(chē)輪旋轉(zhuǎn)不僅能夠改變車(chē)輪局部流場(chǎng)，而且能夠引起整車(chē)外流場(chǎng)的變化.文獻(xiàn)［6］闡明了車(chē)輪旋轉(zhuǎn)能夠降低車(chē)輪處的氣動(dòng)阻力，但造成的最主要的影響是車(chē)身氣動(dòng)阻力的降低；文獻(xiàn)［7］得出車(chē)輪旋轉(zhuǎn)使得汽車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)較車(chē)輪靜止時(shí)均下降的結(jié)論.文獻(xiàn)［8-9］使用阻流板對(duì)整車(chē)進(jìn)行了氣動(dòng)減阻，研究結(jié)果表明，添加阻流板能顯著降低汽車(chē)的氣動(dòng)阻力，進(jìn)而達(dá)到氣動(dòng)減阻的目的.上述研究對(duì)于車(chē)輪處的流場(chǎng)特性以及氣動(dòng)減阻方向的車(chē)輪設(shè)計(jì)方面具有一定的指導(dǎo)意義.但是，實(shí)際的汽車(chē)氣動(dòng)減阻過(guò)程中，往往會(huì)對(duì)多個(gè)部位的不同部件進(jìn)行修改，上述針對(duì)單一部件的研究成果可能在實(shí)際氣動(dòng)減阻過(guò)程中不再適用.車(chē)輪作為汽車(chē)氣動(dòng)阻力的重災(zāi)區(qū)，其對(duì)于氣動(dòng)阻力是極其敏感的.造成車(chē)輪氣動(dòng)阻力大的因素較多，不同因素的減阻能力可能會(huì)因其他因素的改變而改變，如何根據(jù)這些因素進(jìn)行優(yōu)化并匹配得到最好的減阻效果值得進(jìn)行深入的研究.

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(chē)（SUV），采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（DOE），應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)（CFD），進(jìn)行了基于車(chē)輪的整車(chē)氣動(dòng)減阻研究，其具體流程為：原始模型的仿真分析，確定影響車(chē)輪氣動(dòng)阻力的可能的因素，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)表進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，最后進(jìn)行尋優(yōu).

1 原始模型建模及仿真分析

1.1 原始模型的建模

本文研究的車(chē)型為某運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(chē)（SUV），在建模時(shí)，省略了雨刷及機(jī)艙內(nèi)的部件，但是保留了底盤(pán)的數(shù)據(jù)特征.原始模型如圖1所示.

圖1 原始模型Fig. 1 Baseline model

1.2 網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行面網(wǎng)格劃分時(shí)，采用三角形網(wǎng)格.原始模型的計(jì)算域如圖2所示.

圖2 原始模型的計(jì)算域Fig. 2 Computational area of the baseline model

計(jì)算域的長(zhǎng)、寬、高分別為10倍車(chē)長(zhǎng)、10倍車(chē)寬、5倍車(chē)高.為了模擬汽車(chē)行駛過(guò)程中地面的真實(shí)情況，將地面平面分為前后兩部分，前部為3倍車(chē)長(zhǎng)，后部為7倍車(chē)長(zhǎng).計(jì)算域離散時(shí)采用切割體網(wǎng)格，生成體網(wǎng)格數(shù)為2.5×107.

1.3 湍流模型的選擇以及邊界條件的設(shè)定

本文研究的汽車(chē)車(chē)速為120，km/h，馬赫數(shù)約為0.098，小于0.3，因此可以認(rèn)為此時(shí)的氣體是不可壓縮的［10］.選擇Realizable k-ε湍流模型來(lái)封閉三維Navier-Stokes方程［5］，根據(jù)文獻(xiàn)［5］可知，Realizable kε湍流模型用于汽車(chē)外流場(chǎng)仿真時(shí)，仿真結(jié)果是準(zhǔn)確的.入口采用速度入口邊界條件，速度為120，km/h；出口采用壓力出口邊界條件，壓力為0.為了更好地模擬汽車(chē)真實(shí)行駛時(shí)的狀態(tài)，車(chē)頭前部地面設(shè)為滑移壁面，剩余地面設(shè)為無(wú)滑移壁面邊界條件［11］，地面設(shè)置為移動(dòng)地面，速度為120，km/h；車(chē)身以及其他計(jì)算域壁面設(shè)置為壁面邊界條件，車(chē)輪設(shè)置為旋轉(zhuǎn)車(chē)輪，采用的方法為多參考系（MRF）模型，車(chē)輪轉(zhuǎn)速為14.733，r/s.

1.4 原始模型的仿真分析

壓力系數(shù)是表征車(chē)身表面壓力大小的物理量，前輪壓力系數(shù)分布如圖3所示.由前輪的壓力系數(shù)分布圖可以看出，在車(chē)輪迎向來(lái)流的一側(cè)，由于氣流直接擊打在車(chē)輪上，在氣流擊打位置出現(xiàn)氣流駐點(diǎn)區(qū)，導(dǎo)致此處的壓強(qiáng)較大，適當(dāng)添加阻流板能夠改善此處的流場(chǎng)，達(dá)到降低阻力的效果［8-9］.

圖3 前輪壓力系數(shù)Fig. 3 Pressure coefficient of front wheels

圖4為x=0，mm截面處左前輪速度矢量圖.由圖4中可以看出，輪輞開(kāi)孔兩側(cè)有明顯的渦流，渦流的形成是阻力損失的根本原因，減小渦流尺度或者減少渦流的個(gè)數(shù)，能夠有效地降低阻力.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)減小輪輞的開(kāi)孔面積能夠起到降低阻力的效果.后輪車(chē)輪本身的阻力形成原理與前輪相似，不再贅述.

圖5為左后輪處的流線圖.可以看出，在后輪輪艙處，由于輪艙在面向底盤(pán)的一側(cè)有缺口，使得來(lái)自底盤(pán)的氣流能夠進(jìn)入輪艙內(nèi)，從而加劇后輪處流場(chǎng)的復(fù)雜性.若在此處增加輪艙的密封板，從底盤(pán)來(lái)的氣流受到密封板的阻擋，無(wú)法進(jìn)入后輪輪艙內(nèi)，而是平順地向后部流動(dòng)，對(duì)于后輪處的減阻應(yīng)該能夠起到一定的效果.

圖4 x=0，mm截面處左前輪速度矢量圖Fig. 4 Velocity vector of the left front wheel at x=0，mm section

圖5 左后輪處流線Fig. 5 Streamline of the left rear wheel

綜上所述，針對(duì)此模型車(chē)輪氣動(dòng)減阻的可能方法是，增加前后輪的阻流板、減小前后輪的輪輞的開(kāi)孔面積及增加后輪輪艙的內(nèi)側(cè)密封板.

2 試驗(yàn)方案及模型

2.1 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

選取前后輪阻流板、前后輪輪輞面積以及后輪輪艙內(nèi)側(cè)密封板作為影響因素，由于阻流板存在高度以及寬度兩個(gè)變量，所以因素?cái)?shù)為7因素.由于因素眾多，為方便試驗(yàn)和后期的數(shù)據(jù)處理，選擇均勻設(shè)計(jì)的方法來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案.為方便后文描述，將前輪阻流板高度、前輪阻流板寬度、后輪阻流板高度、后輪阻流板寬度、前輪輪輞面積、后輪輪輞面積、后輪輪艙密封板高度7因素分別以A、B、C、D、E、F、G表示，響應(yīng)值選取氣動(dòng)阻力系數(shù)Cd.

因素水平表見(jiàn)表1，試驗(yàn)設(shè)計(jì)表見(jiàn)表2.

表1 因素水平表Tab. 1 Table of factor level

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Tab. 2 Table of test design

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建

使用大型CAD軟件CATIA對(duì)試驗(yàn)方案中的前輪阻流板、后輪阻流板以及輪艙的密封板進(jìn)行了建模，而輪輞開(kāi)孔面積的變化則直接在STARCCM+軟件中修改.算例15（表2中編號(hào)15）的試驗(yàn)方案的模型如圖6所示.將CATIA建立的CAD模型劃分網(wǎng)格加入到原始模型中，設(shè)置邊界條件等進(jìn)行計(jì)算.

圖6 算例15試驗(yàn)方案Fig. 6 Test design of case 15

3 算例的數(shù)據(jù)處理

對(duì)30個(gè)算例進(jìn)行計(jì)算，所有算例的氣動(dòng)阻力系數(shù)見(jiàn)表3.

表3 算例Cd值統(tǒng)計(jì)表Tab. 3 Table of all case Cd

使用Minitab軟件對(duì)算例的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.鑒于使用的是均勻設(shè)計(jì)，故而采用逐步回歸的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理［12］.經(jīng)過(guò)回歸分析，得回歸方程為

Cd=0.326，85+0.011，342，A+0.026，45，B-0.030，14，C+0.019，69，D-0.016，65，E+0.004，212，F(xiàn)+ 0.041，54，G+0.001，035，B2+0.002，930，C2-0.005，749，D2+0.001，980，E2-0.008，895，G2-0.002，434，AC-0.003，831，AG-0.004，858，BD-0.005，647，BE+0.001，435，BF-0.002，312，BG+ 0.004，595，CD+0.008，858，CE-0.006，200，CF+ 0.003，320，CG+0.001，323，DE-0.000，875，DG-0.000，394，EG

在擬合回歸方程中，二次項(xiàng)如AC、AG項(xiàng)充分說(shuō)明了前后輪的流場(chǎng)是有相互作用的.在這些二次系數(shù)中，有正有負(fù)，說(shuō)明在優(yōu)化過(guò)程中，某些參數(shù)的疊加對(duì)優(yōu)化結(jié)果起好的作用，有的則起反作用.

回歸模型的多元相關(guān)系數(shù)R2為0.999，7，修正的多元相關(guān)系數(shù)R2（調(diào)整）為0.997，5，兩者相差較小，且都接近1，說(shuō)明回歸模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相當(dāng)吻合，回歸模型可靠.預(yù)測(cè)的多元相關(guān)系數(shù)R2（預(yù)測(cè)）達(dá)到0.976，0，能夠滿足一般工程的需要.

圖7為各因素對(duì)Cd值的影響圖，可以看出，各因素對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)的影響程度由大到小依次是：B＞F＞G＞D＞C＞A＞E，即前輪阻流板寬度＞后輪輪輞面積＞后輪輪艙密封板高度＞后輪阻流板寬度＞后輪阻流板高度＞前輪阻流板高度＞前輪輪輞面積；其中，前輪阻流板高度、后輪阻流板高度、前輪輪輞面積對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)的影響較小，前輪阻流板寬度對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)起反作用，前后輪阻流板高度、寬度、輪輞面積對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)存在不同的影響趨勢(shì).

圖7 各因素對(duì)Cd值的影響Fig. 7 The influence of signal factor on Cd

通過(guò)MINITAB軟件的響應(yīng)優(yōu)化器進(jìn)行尋優(yōu)，得到最佳的試驗(yàn)方案為A1B1C3D1E1F3G1，具體取值見(jiàn)表1.

4 最優(yōu)模型的計(jì)算及對(duì)比分析

4.1 氣動(dòng)阻力的對(duì)比分析

通過(guò)表4可以看出，優(yōu)化后的整車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)下降0.062，降幅為15.9%，氣動(dòng)阻力降低110，N，降幅為14.4%，說(shuō)明汽車(chē)車(chē)輪對(duì)于氣動(dòng)特性是敏感的，同時(shí)也說(shuō)明針對(duì)汽車(chē)車(chē)輪的氣動(dòng)減阻能夠達(dá)到降低整車(chē)氣動(dòng)阻力的目的.

表4 整車(chē)氣動(dòng)阻力的對(duì)比Tab. 4 Comparison of aerodynamics drag of the car

另外，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前后發(fā)生變化的部位主要是車(chē)輪局部流場(chǎng)、底部流場(chǎng)及尾流區(qū)域，因此還需對(duì)這些部位進(jìn)行分析.

4.2 前輪局部流場(chǎng)的對(duì)比分析

圖8為前輪的壓力系數(shù)分布圖.從圖8中可知，優(yōu)化后前輪正對(duì)來(lái)流方向上的正壓區(qū)明顯降低，正壓區(qū)周?chē)霈F(xiàn)明顯的負(fù)壓區(qū)，說(shuō)明氣流在此處提前發(fā)生了分離，氣流提前分離使得負(fù)壓區(qū)增大，再加之正壓區(qū)減小，車(chē)輪阻力降低.

圖9是y=-700，mm截面上的速度矢量圖.

圖8 前輪壓力系數(shù)圖Fig. 8 Pressure coefficient of the front wheel

圖9 y=-700，mm截面速度矢量圖Fig. 9 Velocity vector at y=-700，mm section

從圖9可以看出：增加前輪阻流板之后，車(chē)輪處的渦流的位置、個(gè)數(shù)以及渦流的強(qiáng)度都發(fā)生了變化，可見(jiàn)，增加前輪阻流板改變了車(chē)輪處的流場(chǎng).增加阻流板，使得原本直接沖擊車(chē)輪的氣流，被阻流板導(dǎo)流到車(chē)輪兩側(cè)，車(chē)輪前方來(lái)流在圖中紅色虛線處與車(chē)輪后方隨車(chē)輪旋轉(zhuǎn)的氣流相遇，優(yōu)化之后的兩者氣流交匯處明顯靠前，這樣，進(jìn)入輪腔的氣流減少，前后氣流交匯形成的渦流尺度減小，進(jìn)而減小了前輪處的能量損失，阻力下降.

4.3 汽車(chē)底部流場(chǎng)的對(duì)比分析

圖10為z=200，mm截面上的速度矢量圖.由圖中可以看出，后輪處在前輪的影響區(qū)中，前輪處流場(chǎng)的優(yōu)化效果的優(yōu)劣，會(huì)直接影響到后輪流場(chǎng)的優(yōu)化效果，這與上文中擬合回歸方程的結(jié)果是匹配的.由圖10圈出部位可以看出，優(yōu)化之后，汽車(chē)底部位于前后輪之間的低速氣流區(qū)域明顯收縮，氣流總體速度增大且梯度減小，使得氣流總體得到梳理，改善了底部流場(chǎng)，降低了阻力損失.

圖10 z=200，mm截面速度矢量圖Fig. 10 Velocity vector at z=200，mm section

4.4 汽車(chē)后輪局部流場(chǎng)及尾部流場(chǎng)對(duì)比分析

圖11為位于y=-760，mm截面上的左側(cè)后輪之后部分的速度矢量圖.可以看出：優(yōu)化之后，前方來(lái)流直接撞擊到左后輪時(shí)的速度降低，根據(jù)伯努利方程知，左后輪暴露在氣流中部分的壓力降低；而且，輪腔內(nèi)的速度梯度明顯降低，對(duì)輪罩的沖擊減小，阻力降低.優(yōu)化之后，車(chē)尾部氣流的上洗運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，使得尾部流場(chǎng)的氣流滯止區(qū)明顯減小，前后壓差減小，阻力降低.

圖11 y=-760，mm截面速度矢量Fig. 11 Velocity vectors at y=-760，mm section

5 結(jié) 論

（1）使用均勻設(shè)計(jì)的方法針對(duì)車(chē)輪的整車(chē)氣動(dòng)減阻能夠有效地降低整車(chē)的氣動(dòng)阻力系數(shù)，降幅可達(dá)15.9%，整車(chē)氣動(dòng)阻力降低14.4%降幅明顯，說(shuō)明該方法是可行的.

（2）前輪阻流板寬度對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)的影響最大，前后輪阻流板高度、寬度，輪輞面積對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)存在不同的影響趨勢(shì)，進(jìn)行氣動(dòng)減阻時(shí)，不能將兩者完全做相同處理，只進(jìn)行前輪研究，然后將前輪研究成果應(yīng)用到后輪上的做法并不可行.

（3）基于車(chē)輪的整車(chē)氣動(dòng)減阻能夠有效地改變車(chē)輪局部流場(chǎng)、底部流場(chǎng)以及尾流，進(jìn)而達(dá)到降阻的目的.

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責(zé)任編輯：常濤

Car Aerodynamics Drag Reduction Based on Wheels

TANG Hongtao1，GENG Shengmin1，WANG Junshuai1，LIU Xuelong2
（1.College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China；2.China Automotive Technology & Research Center，Tianjin 300300，China）

The computational fluid dynamics technology and the uniform design approach were applied to the research on car aerodynamics drag reduction for a sports utility vehicle（SUV）.The research shows that the use of uniform design method based on wheels for aerodynamics drag reduction can effectively reduce car aerodynamic drag coefficient，a decline of up to 15.9%.The width of the front wheel spoiler is the largest contribution to aerodynamic drag coefficient based on wheels.As to the affecting aerodynamic drag coefficient，the weight，the width and the rim area of the front wheel spoiler are different from those of the rear wheel spoiler.

wheel；aerodynamics drag reduction；uniform design；computational fluid dynamics

U467.1

A

1672-6510（2016）05-0057-06

10.13364/j.issn.1672-6510.20150103

2015-08-15；

2016-02-01

天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201510057117，201610057030）

唐洪濤（1968—），男，黑龍江海林人，副教授，tanghongtao@tust.edu.cn.