基于車輪的整車氣動減阻的研究

唐洪濤，耿勝民，王君帥，劉學(xué)龍

（1. 天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222；2. 中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

基于車輪的整車氣動減阻的研究

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)機械工程學(xué)院，天津 300222；2. 中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

針對國內(nèi)某運動型多用途汽車（SUV），采用均勻設(shè)計方法，應(yīng)用計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)，進行了車輪氣動減阻研究.研究發(fā)現(xiàn)：使用均勻設(shè)計方法基于車輪的氣動減阻能夠有效地降低整車氣動阻力系數(shù)，降幅可達15.9%；前輪阻流板寬度對于針對車輪氣動減阻的氣動阻力系數(shù)的影響最大，前輪、后輪阻流板高度、寬度，輪輞面積對氣動阻力系數(shù)存在不同的影響趨勢.

車輪；氣動減阻；均勻設(shè)計；計算流體力學(xué)

隨著大氣污染日益嚴重以及能源危機愈演愈烈，節(jié)能減排已成為時代的主旋律.汽車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，對汽車氣動減阻的研究勢在必行.

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

本文針對國內(nèi)某運動型多用途汽車（SUV），采用試驗設(shè)計方法（DOE），應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)（CFD），進行了基于車輪的整車氣動減阻研究，其具體流程為：原始模型的仿真分析，確定影響車輪氣動阻力的可能的因素，進行試驗設(shè)計，根據(jù)試驗設(shè)計表進行試驗，試驗數(shù)據(jù)處理，最后進行尋優(yōu).

1 原始模型建模及仿真分析

1.1 原始模型的建模

本文研究的車型為某運動型多用途汽車（SUV），在建模時，省略了雨刷及機艙內(nèi)的部件，但是保留了底盤的數(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

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

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

計算域的長、寬、高分別為10倍車長、10倍車寬、5倍車高.為了模擬汽車行駛過程中地面的真實情況，將地面平面分為前后兩部分，前部為3倍車長，后部為7倍車長.計算域離散時采用切割體網(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

本文研究的汽車車速為120，km/h，馬赫數(shù)約為0.098，小于0.3，因此可以認為此時的氣體是不可壓縮的［10］.選擇Realizable k-ε湍流模型來封閉三維Navier-Stokes方程［5］，根據(jù)文獻［5］可知，Realizable kε湍流模型用于汽車外流場仿真時，仿真結(jié)果是準確的.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真實行駛時的狀態(tài)，車頭前部地面設(shè)為滑移壁面，剩余地面設(shè)為無滑移壁面邊界條件［11］，地面設(shè)置為移動地面，速度為120，km/h；車身以及其他計算域壁面設(shè)置為壁面邊界條件，車輪設(shè)置為旋轉(zhuǎn)車輪，采用的方法為多參考系（MRF）模型，車輪轉(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，在車輪迎向來流的一側(cè)，由于氣流直接擊打在車輪上，在氣流擊打位置出現(xiàn)氣流駐點區(qū)，導(dǎo)致此處的壓強較大，適當(dāng)添加阻流板能夠改善此處的流場，達到降低阻力的效果［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數(shù)，能夠有效地降低阻力.根據(jù)經(jīng)驗，適當(dāng)減小輪輞的開孔面積能夠起到降低阻力的效果.后輪車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的一側(cè)有缺口，使得來自底盤的氣流能夠進入輪艙內(nèi)，從而加劇后輪處流場的復(fù)雜性.若在此處增加輪艙的密封板，從底盤來的氣流受到密封板的阻擋，無法進入后輪輪艙內(nèi)，而是平順地向后部流動，對于后輪處的減阻應(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，針對此模型車輪氣動減阻的可能方法是，增加前后輪的阻流板、減小前后輪的輪輞的開孔面積及增加后輪輪艙的內(nèi)側(cè)密封板.

2 試驗方案及模型

2.1 試驗方案的設(shè)計

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變量，所以因素數(shù)為7因素.由于因素眾多，為方便試驗和后期的數(shù)據(jù)處理，選擇均勻設(shè)計的方法來設(shè)計試驗方案.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)值選取氣動阻力系數(shù)Cd.

因素水平表見表1，試驗設(shè)計表見表2.

表1 因素水平表Tab. 1 Table of factor level

表2 試驗設(shè)計表Tab. 2 Table of test design

2.2 試驗?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建

使用大型CAD軟件CATIA對試驗方案中的前輪阻流板、后輪阻流板以及輪艙的密封板進行了建模，而輪輞開孔面積的變化則直接在STARCCM+軟件中修改.算例15（表2中編號15）的試驗方案的模型如圖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)置邊界條件等進行計算.

圖6 算例15試驗方案Fig. 6 Test design of case 15

3 算例的數(shù)據(jù)處理

對30個算例進行計算，所有算例的氣動阻力系數(shù)見表3.

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

使用Minitab軟件對算例的數(shù)據(jù)進行處理.鑒于使用的是均勻設(shè)計，故而采用逐步回歸的方法進行數(shù)據(jù)處理［12］.經(jīng)過回歸分析，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，二次項如AC、AG項充分說明了前后輪的流場是有相互作用的.在這些二次系數(shù)中，有正有負，說明在優(yōu)化過程中，某些參數(shù)的疊加對優(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，說明回歸模型與試驗數(shù)據(jù)相當(dāng)吻合，回歸模型可靠.預(yù)測的多元相關(guān)系數(shù)R2（預(yù)測）達到0.976，0，能夠滿足一般工程的需要.

圖7為各因素對Cd值的影響圖，可以看出，各因素對氣動阻力系數(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、前輪輪輞面積對氣動阻力系數(shù)的影響較小，前輪阻流板寬度對氣動阻力系數(shù)起反作用，前后輪阻流板高度、寬度、輪輞面積對氣動阻力系數(shù)存在不同的影響趨勢.

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

通過MINITAB軟件的響應(yīng)優(yōu)化器進行尋優(yōu)，得到最佳的試驗方案為A1B1C3D1E1F3G1，具體取值見表1.

4 最優(yōu)模型的計算及對比分析

4.1 氣動阻力的對比分析

通過表4可以看出，優(yōu)化后的整車氣動阻力系數(shù)下降0.062，降幅為15.9%，氣動阻力降低110，N，降幅為14.4%，說明汽車車輪對于氣動特性是敏感的，同時也說明針對汽車車輪的氣動減阻能夠達到降低整車氣動阻力的目的.

表4 整車氣動阻力的對比Tab. 4 Comparison of aerodynamics drag of the car

另外，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前后發(fā)生變化的部位主要是車輪局部流場、底部流場及尾流區(qū)域，因此還需對這些部位進行分析.

4.2 前輪局部流場的對比分析

圖8為前輪的壓力系數(shù)分布圖.從圖8中可知，優(yōu)化后前輪正對來流方向上的正壓區(qū)明顯降低，正壓區(qū)周圍出現(xiàn)明顯的負壓區(qū)，說明氣流在此處提前發(fā)生了分離，氣流提前分離使得負壓區(qū)增大，再加之正壓區(qū)減小，車輪阻力降低.

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，車輪處的渦流的位置、個數(shù)以及渦流的強度都發(fā)生了變化，可見，增加前輪阻流板改變了車輪處的流場.增加阻流板，使得原本直接沖擊車輪的氣流，被阻流板導(dǎo)流到車輪兩側(cè)，車輪前方來流在圖中紅色虛線處與車輪后方隨車輪旋轉(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，進入輪腔的氣流減少，前后氣流交匯形成的渦流尺度減小，進而減小了前輪處的能量損失，阻力下降.

4.3 汽車底部流場的對比分析

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，前輪處流場的優(yōu)化效果的優(yōu)劣，會直接影響到后輪流場的優(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，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 汽車后輪局部流場及尾部流場對比分析

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，前方來流直接撞擊到左后輪時的速度降低，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，對輪罩的沖擊減小，阻力降低.優(yōu)化之后，車尾部氣流的上洗運動明顯增強，使得尾部流場的氣流滯止區(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)計的方法針對車輪的整車氣動減阻能夠有效地降低整車的氣動阻力系數(shù)，降幅可達15.9%，整車氣動阻力降低14.4%降幅明顯，說明該方法是可行的.

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

（3）基于車輪的整車氣動減阻能夠有效地改變車輪局部流場、底部流場以及尾流，進而達到降阻的目的.

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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)練計劃（201510057117，201610057030）

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