汽車車輪擾流板降阻效果數(shù)值模擬分析

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）

車輪作為汽車上重要的組成部分，直接影響著整車的外流場特性。由于車輪的作用，車身底部流場進(jìn)一步復(fù)雜化，在整車阻力分布中車輪帶來的氣動阻力占整車氣動阻力的30%，但其作為汽車必備附件不可去除[1]。以往對車輪的研究多集中在車輪本身結(jié)構(gòu)對車身流場的影響，對通過添加外部附件來控制車輪附近流場的研究則較少[2]。因此，文章考慮采用添加車輪擾流板的方式，梳理車輪附近及車體底部氣流，從而達(dá)到降阻的目的。通過選取整車全細(xì)節(jié)模型，采用計算流體力學(xué)方法，模擬出添加前后車輪擾流板后，車輪附近及車底流場變化情況，考察風(fēng)阻系數(shù)變化情況。通過分析計算結(jié)果，評估出前后車輪擾流板的降阻效果的差異性，明確前后車輪擾流板的耦合作用機理。為采用添加車輪擾流板來降低車身氣動阻力提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值仿真計算

1.1 幾何模型的建立

為分析車輪及底盤附近氣流分布情況，模型應(yīng)盡量體現(xiàn)整車實際狀態(tài)，因此需建立帶有機艙及全細(xì)節(jié)汽車底盤模型。模型包括車身外表面、機艙中的全部部件及底板上的全部細(xì)節(jié)，如圖1所示。

圖1 汽車幾何模型圖

1.2 仿真方案的確定

為對比添加前后車輪擾流板后車體底部流場變化，找尋前后車輪擾流板之間的耦合關(guān)系，確定了4種方案，具體方案說明，如表1所示。

表1 添加前后車輪擾流板方案對比表

前車輪擾流板設(shè)計成平板加半弧形結(jié)構(gòu)，高度為0.05 m，寬度為0.321 m，設(shè)置在距離前車輪0.15 m位置處。前車輪擾流板詳細(xì)布置位置及尺寸，如圖2所示。

圖2 前車輪擾流板布置方案示意圖

后車輪擾流板設(shè)計成平板結(jié)構(gòu)，高度為0.05 m，寬度為0.17 m，設(shè)置在距離后車輪0.13 m位置處。后車輪擾流板詳細(xì)位置及尺寸，如圖3所示。

圖3 后車輪擾流板布置方案示意圖

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

在建立風(fēng)洞計算域模型時，需盡量避免風(fēng)洞邊界對計算結(jié)果的影響，因此需要將風(fēng)洞尺寸適當(dāng)放大。風(fēng)洞模型長度為10個車身長度，高度為6個車身高度，寬度為11個車身寬度。具體尺寸，如圖4所示。

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。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，因此在車身表面設(shè)置了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[3]。為更好地捕捉車身表面氣流分布狀態(tài)，計算模型中對車身附件關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密設(shè)置，具體加密區(qū)域的位置，如圖5所示。加密后體網(wǎng)格數(shù)約為1 800萬個。

圖5 流體域體網(wǎng)格加密區(qū)域設(shè)置模型圖

物理模型采用Realizable k-ε湍流模型，三維穩(wěn)態(tài)計算，具體模型設(shè)置顯示界面，如圖6所示。

圖6 算例物理模型設(shè)置顯示界面

風(fēng)洞入口邊界類型為Velocity Inlet（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，其他壁面邊界類型為Wall[4]。為正確反映機艙內(nèi)氣流狀態(tài)，計算模型中考慮換熱器（散熱器、冷凝器）的阻尼特性以及風(fēng)扇轉(zhuǎn)動對整車外氣動性能的影響，空氣體積質(zhì)量為1.184 15 kg/m3，車輪輪速為100 km/h，地面速度為100 km/h。

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4個方案的計算結(jié)果，如表2所示。

表2 添加前后車輪擾流板方案結(jié)果統(tǒng)計表

對比方案1與方案2的計算結(jié)果可知，添加前車輪擾流板后，風(fēng)阻系數(shù)（Cd）有了明顯的下降，下降了0.027；對比方案1與方案3計算結(jié)果可知，添加后車輪擾流板后，Cd下降了0.005；對比方案2與方案4計算結(jié)果可知，在已經(jīng)添加前車輪擾流板的基礎(chǔ)上添加后輪擾流板，Cd則無明顯變化。說明與后車輪擾流板相比，前車輪擾流板的降阻效果較為明顯。為進(jìn)一步明確前車輪擾流板的降阻效果及前后車輪擾流板的耦合關(guān)系機理，將重點對比方案1、方案2及方案4流場速度分布云圖及車底壁面壓力云圖。

圖7示出車體前端車身壁面壓力云圖。對比圖7a及圖7b，可以看出，添加前車輪擾流板后，可阻止高速氣流對前輪及輪罩的沖擊，這在一定程度上降低了前車輪及前輪罩區(qū)域帶來的氣動阻力。前車輪擾流板在降低前輪及其輪罩氣動阻力的同時又降低了氣流對后輪的沖擊。

圖7 車體前端車身壁面壓力云圖

為清楚查看添加前車輪擾流板后，后車輪附近流場的變化情況，需截取流域內(nèi)高度為0.92 m處水平截面的流場速度分布云圖進(jìn)行分析，該截面的具體位置，如圖8所示。

圖8 流域內(nèi)0.92 m高度處水平截面位置示意圖

流域內(nèi)高度為0.92 m處水平截面流場速度分布情況，如圖9所示。對比圖9a及圖9b速度云圖，可以看出，添加前車輪擾流板后，后車輪前端氣流流速明顯降低，降低了氣流對后輪的沖擊。

圖9 添加前車輪擾流板后流域內(nèi)0.92 m高度處水平截面位置流場速度云圖

圖10示出車體底部壁面壓力云圖，對比圖10a及圖10b，可以看出，添加前車輪擾流板后，后車輪前端壓力明顯降低，說明由其產(chǎn)生的氣動阻力減小，與后車輪擾流板相比，前車輪擾流板不僅可以降低前車輪及輪罩引起的氣動阻力，更在一定程度上降低了后車輪帶來的氣動阻力，因此其降阻效果明顯。

圖10 添加前車輪擾流板后車體底部壁面壓力云圖

圖11示出流域內(nèi)0.92 m高度位置流場速度云圖。對比圖11a及圖11b，可以看出，在添加前車輪擾流板的基礎(chǔ)上添加添加后車輪擾流板，車底部流場無明顯變化，因此風(fēng)阻系數(shù)亦無變化。

圖11 添加前后車輪擾流板后流域內(nèi)0.92 m高度處水平截面位置流場速度云圖

圖12示出車體底部壁面壓力云圖，由圖12a及圖12b對比可知，在添加前車輪擾流板的基礎(chǔ)上添加后車輪擾流板，車底部壓力場無明顯變化。這主要是由于前車輪擾流板與后車輪擾流板具有一定的耦合作用，在已經(jīng)添加前車輪擾流板的情況下，后車輪前端的氣流流速已經(jīng)降低，氣流對后輪的沖擊已經(jīng)減小。因此，在此基礎(chǔ)上添加后車輪擾流板無明顯的降阻效果。

圖12 添加前后車輪擾流板后車體底部壁面壓力云圖

3 結(jié)論

文章以汽車全細(xì)節(jié)模型為基礎(chǔ)，采用計算流體力學(xué)方法，模擬出添加前后車輪擾流板后，車輪附近及車底流場的變化情況，通過不同方案的對比分析得出：1）與后車輪擾流板相比，前車輪擾流板的降阻效果較為明顯；2）前車輪擾流板與后車輪擾流板具有一定的耦合作用，在已經(jīng)添加前車輪擾流板的基礎(chǔ)上添加后車輪擾流板，后車輪擾流板的降阻效果被減弱。