付宇

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

汽車行駛過程中隨著車速的提升，氣動阻力占總阻力的比值逐漸增大。當(dāng)汽車以80 km/h的速度行駛時，其中60%的功率是用來克服氣動阻力，因此，減小氣動阻力是降低動力損耗、節(jié)約能源及降低用戶使用成本的根本途徑。而車輪作為汽車的主要運動部件，在氣動阻力方面的影響較大[1]，研究表明，車輪及輪轂占氣動阻力的30%。以往對于汽車車輪的研究，僅限于簡單形狀的模型，然而，選裝車輪的外流場情況復(fù)雜，外形幾何特征的細微變化會對整個流場有很大的影響[2]。因此，文章基于流體力學(xué)的分析方法，通過不同幾何特征的車輪對流場變化的影響趨勢，分析出輪胎的輪肩與輪轂之間存在較強的耦合關(guān)系，對改善汽車三維分離流動特性、降低車輪阻力及提高汽車空氣動力學(xué)性能有重要意義[3]。

1　數(shù)值仿真計算

1.1　幾何模型的建立

利用STAR-CCM+軟件對汽車模型進行仿真分析，為提高計算結(jié)果精度，選取整車全細節(jié)幾何模型，模型中包括車身外表面、機艙中的全部部件及底板中的全部部件。由于整車外流場仿真計算的區(qū)域為整車最外層表面以外的區(qū)域，因此乘員艙內(nèi)的部件模型無需建立。整車幾何模型，如圖1所示。

圖1　整車全細節(jié)幾何模型圖

1.2　仿真方案的選定

為深入研究輪肩曲率與輪轂之間的耦合關(guān)系，明確不同輪肩曲率下輪轂開閉及結(jié)構(gòu)變化給氣動阻力帶來影響程度的規(guī)律。文章根據(jù)表1所示的汽車車輪輪肩曲率與輪轂狀態(tài)單項方案狀態(tài)，共設(shè)計出8個組合方案，如表2所示。其中每個組合方案都是由輪肩曲率與輪轂開閉或輪轂結(jié)構(gòu)的不同方案狀態(tài)組合而成。

表1　汽車車輪輪肩曲率與輪轂狀態(tài)單項方案表

表2　汽車車輪輪肩曲率與輪轂狀態(tài)組合方案表

1.3　網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

應(yīng)用STAR-CCM+中的包面及網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)，對模型進行搭接及網(wǎng)格重構(gòu)處理，使其生成封閉腔體的面網(wǎng)格。建立風(fēng)洞計算域模型，如圖2所示。

圖2　風(fēng)洞計算域模型圖

在車體外表面與風(fēng)洞邊界之間生成體網(wǎng)格，體網(wǎng)格選用Trimmer網(wǎng)格，機艙及底板部件邊界層網(wǎng)格為2層，首層厚度為0.5 mm，邊界層總厚度為1 mm[4]。由于車身外表面氣流流速較高，車身表面附近的氣流速度梯度較大，因此設(shè)置5層邊界層，邊界層首層厚度為0.005 mm，邊界層總厚度為1 mm，體網(wǎng)格數(shù)約為1800萬個。

1.4　模型邊界條件及介質(zhì)屬性設(shè)置

風(fēng)洞入口邊界類型為VelocityInlet（速度入口），速度為100 km/h，出口邊界類型為pressure outlet（壓力出口），壓力為0，車輪轉(zhuǎn)速為100 km/h，地面速度為100 km/h，空氣體積質(zhì)量為1.184 15 kg/m3。為準(zhǔn)確模擬汽車行駛過程中氣流與地面之間無相對速度關(guān)系，地面無速度剪切，特將車身前方地面設(shè)置為滑移壁面，其他壁面邊界類型為wall[5]。該計算模型考慮地面運動、車輪轉(zhuǎn)動、換熱器（散熱器、冷凝器）的阻尼特性及風(fēng)扇轉(zhuǎn)動對整車外氣動性能的影響。物理模型采用Realizable k-ε湍流，三維穩(wěn)態(tài)模型。

2　數(shù)值仿真結(jié)果及分析

通過穩(wěn)態(tài)仿真計算得到上述8個組合方案的計算結(jié)果，下面分別對不同輪肩曲率下的輪轂開閉及輪轂結(jié)構(gòu)方案仿真計算結(jié)果進行分析。

2.1　不同輪肩曲率下輪轂開閉與氣動阻力之間的關(guān)系

方案1～4為對比不同輪肩曲率下輪轂開閉與氣動阻力之間關(guān)系的方案，這4個方案的車輪附近氣流分布狀況，如圖3所示。

圖3　組合方案1～4的汽車車輪附近氣流分布云圖

從圖3可以看出，與曲率大的輪肩相比，曲率小的輪肩其分離點較為靠前，即在輪轂之前，氣流已經(jīng)分離。因此，輪轂是否封閉，對氣流分離影響不大，分離點位置無明顯變化。相反，曲率大的輪肩封閉輪轂后，分離點明顯后移。

為進一步量化對比不同方案，表3統(tǒng)計出各個方案的風(fēng)阻系數(shù)變化量。以輪肩曲率大且輪轂打開的方案3為基準(zhǔn)參考方案，考察各方案的風(fēng)阻系數(shù)值，仍然能夠得到上述規(guī)律。從圖3a與圖3b及圖3c與圖3d的對比可以看出，輪肩曲率大的車輪，氣流分離點靠后。從圖3a與圖3c的對比可以看出，封閉輪轂后，分離點繼續(xù)向后移動90 mm，氣流貼體性更好，風(fēng)阻系數(shù)（Cd）下降了0.02。從圖3b與圖3d對比可知，輪肩曲率小的車輪，氣流分離點靠前，即在輪肩位置氣流已經(jīng)分離，輪轂開閉對分離點位置影響較小，Cd變化略小，只下降了0.009。因此，輪肩曲率大的車輪對輪轂開閉敏感性更強。

表3　組合方案1～4風(fēng)阻系數(shù)變化量統(tǒng)計表

2.2　不同輪肩曲率下輪轂造型結(jié)構(gòu)與氣動阻力之間的關(guān)系

方案5～8為對比不同輪肩曲率下輪轂造型結(jié)構(gòu)與氣動阻力之間關(guān)系的方案，Cd變化量計算結(jié)果，如表4所示，車輪附近氣流分布狀況，如圖4所示。

表4　組合方案5～8風(fēng)阻系數(shù)變化量統(tǒng)計表

圖4　組合方案5～8的汽車車輪附近氣流分布云圖

為明確輪轂造型改變所帶來的流場改變，以輪肩曲率大、輪轂結(jié)構(gòu)突出且開口面積大的方案7為基準(zhǔn)參考方案，考察各方案的風(fēng)阻系數(shù)。由表3可知，方案8的Cd較方案7下降了0.006，方案6較方案5 Cd下降了0.004。這主要是由于添加平整、開口面積小的輪轂后，高速氣流更加貼體，致使整車Cd均有所下降。從圖4a與圖4b對比可知，輪肩曲率大的車輪，分離點位置靠后，添加平整、開口面積小的輪轂后，Cd下降了0.006，效果明顯。而輪肩曲率小的車輪，分離點較為靠前，添加平整、開口面積小的輪轂后，Cd只下降了0.004，說明輪肩曲率大的車輪對輪轂結(jié)構(gòu)的敏感性更強。

3　結(jié)論

文章以汽車詳細模型為基礎(chǔ)，運用計算流體力學(xué)的方法對不同輪肩曲率、輪轂開閉及結(jié)構(gòu)方案進行計算，對比分析得到如下結(jié)論：

1）車輪輪轂開閉狀態(tài)及程度不同直接影響氣動阻力系數(shù)，在不同曲率輪肩的耦合作用下，其影響程度也不同；

2）大曲率輪肩氣流分離點較為靠后，輪轂的開閉及造型狀態(tài)對氣動阻力敏感性較強，因此，大曲率輪肩的車輪，在進行輪轂設(shè)計時，更要關(guān)注輪轂開閉和造型對氣動阻力的影響。