輪輻通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)對車輪風(fēng)阻及通風(fēng)性能的影響

康 寧，梁玄勇

(北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)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(guān)的氣動阻力在整車的氣動總阻力中占有相當(dāng)?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(dǎo)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(yán)重事故.所以，對車輪風(fēng)阻及通風(fēng)性能的研究，有著重要的實際意義和工程應(yīng)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(jìn)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(xué)及車輪內(nèi)的散熱關(guān)系，為車輪輪輞孔型、結(jié)構(gòu)方面的設(shè)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(shè)計了一種風(fēng)冷降溫式車輪，輪輻設(shè)計成扇葉型，一定程度上改善了車輪的散熱效果.文獻(xiàn)［6］對離心式、軸流式葉片車輪以及傳統(tǒng)車輪進(jìn)行了研究，結(jié)果表明離心式葉片車輪的通風(fēng)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(fēng)孔的數(shù)量和面積，本文研究某型號鋼制車輪通風(fēng)孔開孔結(jié)構(gòu)對風(fēng)阻及通風(fēng)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(jìn)行數(shù)值模擬，研究經(jīng)過改型設(shè)計后車輪風(fēng)阻以及通過輪輻通風(fēng)孔通風(fēng)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(rèn)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(biāo)系固結(jié)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(cè)箭頭表示來流方向，右側(cè)箭頭表示車輪旋轉(zhuǎn)方向，數(shù)字表示10個通風(fēng)孔的編號.

改型輪輻是在原型基礎(chǔ)上，對原型輪輻通風(fēng)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(fēng)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(cè)均為3 W(車輪寬度).由于研究的是改型車輪風(fēng)阻以及通風(fēng)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(zhuǎn)問題，對包圍在車輪周圍的流體計算域單獨命名為旋轉(zhuǎn)計算域，見圖4.旋轉(zhuǎn)計算域內(nèi)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(jié)構(gòu)比較復(fù)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(jié)構(gòu)細(xì)小處還做了進(jìn)一步的加密處理.

對計算域建立非結(jié)構(gòu)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)格式.參考壓強為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.

1.6 邊界條件

計算域中旋轉(zhuǎn)計算域為旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)動中心為(0，0，0)，轉(zhuǎn)動坐標(biāo)軸為 (1，0，0)，轉(zhuǎn)動角速度為31 rad/s;進(jìn)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(cè)、頂部和底部均為滑移平動壁面條件，運動速度同進(jìn)口;輪輻、輪輞、制動鼓及輪胎表面均為無滑移旋轉(zhuǎn)壁面條件，旋轉(zhuǎn)情況同旋轉(zhuǎn)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(fēng)阻系數(shù)與文獻(xiàn)［7］中的實驗結(jié)果進(jìn)行比較.文獻(xiàn)［7］中車輪直徑為0.83 m，寬為2.5 m，車輪前進(jìn)速度為9.592 m/s.計算時所采用車輪的尺寸與文獻(xiàn)［7］的完全相同.

計算的靜止和滾動車輪風(fēng)阻系數(shù)與實驗結(jié)果的對比如表1所示.

表1 車輪風(fēng)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(jié)果和實驗結(jié)果的相對誤差都在7%以內(nèi)，因此認(rèn)為所用的流場計算方法可靠.

3 計算結(jié)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(fēng)孔處的流動狀態(tài)是完全相同的，所以車輪受到的風(fēng)阻以及通過同一編號通風(fēng)孔的通風(fēng)量也是完全一樣的.因此以下給出的原型結(jié)果，對左輪和右輪均適用.

車輪風(fēng)阻系數(shù)CD為:

式中:D為車輪風(fēng)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(fēng)阻系數(shù).左輪改型風(fēng)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(fēng)阻系數(shù)均有所增加，但增加的很小.

表2 風(fēng)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(fēng)孔的通風(fēng)量以及總通風(fēng)量.

由表3和圖6可知，3種型式車輪的通風(fēng)量隨通風(fēng)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(fēng)量都是通風(fēng)孔4，第二大通風(fēng)量都是通風(fēng)孔8，較小通風(fēng)量分別是通風(fēng)孔1、6和10.

對比3種型式車輪同一編號通風(fēng)孔的通風(fēng)量可知，右輪改型的通風(fēng)量最大，左輪改型的最小(通風(fēng)孔2除外).因此右輪改型的總通風(fēng)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(fēng)孔的通風(fēng)量.

表3 原型、左輪改型及右輪改型各通風(fēng)孔的通風(fēng)量 (m3·s)

圖6 原型、左輪改型及右輪改型各通風(fēng)孔的通風(fēng)量

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

通風(fēng)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(fēng)孔4，因此在車輪旋轉(zhuǎn)以及繞過輪胎來流的共同作用下，原型車輪內(nèi)部(右側(cè))大部分氣流從下往上通過通風(fēng)孔流出車輪.同時在通風(fēng)孔上部由于受到高壓的作用，氣流在車輪外部(左側(cè))變?yōu)橄蛳铝鲃?，見圖7.

左輪改型由于其結(jié)構(gòu)特點，即下部向里壓凹，上部向外壓凹(見圖2)，導(dǎo)致車輪內(nèi)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(nèi)部大部分氣流變?yōu)閺纳贤铝鞒鐾L(fēng)孔，外部部分氣流從下往上流入通風(fēng)孔，見圖8.

右輪改型的結(jié)構(gòu)正好與右輪改型相反，即下部向外壓凹，上部向里壓凹，導(dǎo)致車輪內(nèi)部從下往上通過通風(fēng)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(fēng)孔的氣流并不都是向下流動，在通風(fēng)孔下部，小部分車輪外部的氣流向上流入通風(fēng)孔，見圖9.

最終結(jié)果是右輪改型的通風(fēng)量最大，原型次之，左輪改型最小.

圖7 原型通風(fēng)孔4

圖8 左輪改型通風(fēng)孔4

圖9 右輪改型通風(fēng)孔4

4 結(jié)論

左輪改型風(fēng)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(fēng)阻系數(shù)均有所增加，但增加的很小.

3種型式車輪通風(fēng)量隨通風(fēng)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(fēng)量都是通風(fēng)孔4，第二大通風(fēng)量都是通風(fēng)孔8.

3種型式車輪同一編號通風(fēng)孔的通風(fēng)量，右輪改型的最大，左輪改型的最小(通風(fēng)孔2除外).右輪改型的總通風(fēng)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(fēng)孔的通風(fēng)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(xué)特性研究 ［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué) 版)，2006，34(12):1684-1688.

［2］王國華.車輪空氣減阻及其輪內(nèi)傳熱 ［D］.長春:吉林大學(xué)汽車工程學(xué)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(xué)機(jī)械與運載工程學(xué)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(dǎo)報，2011，29(6):57-61.

［5］蔣建軍.風(fēng)冷降溫式車輪開發(fā)與研究 ［D］.柳州:廣西科技大學(xué)機(jī)械設(shè)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.