汽車輪輞設(shè)計空氣動力學(xué)分析

梅 肖，付 強，張輝香

（吉利汽車研究院有限公司，浙江，寧波 315336）

汽車空氣動力學(xué)開發(fā)工作，不僅包含造型設(shè)計部分的上車體風(fēng)阻優(yōu)化，對汽車底盤布置、套件的開發(fā)及優(yōu)化也尤為重要[1]。在汽車高速行駛過程中，僅車輪帶來的氣動阻力損失就占據(jù)了整車氣動阻力損失的約30%[2]，而輪輞的形式，如輪輞內(nèi)外側(cè)開口面積、輪輞形面、樣式及不同開口數(shù)量等因素均會對整車氣動特性造成影響[3-6]。因此，如何在滿足工程可行性并保證造型美觀的前提下，對輪輞輪輻形式進(jìn)行合理設(shè)計，使其具備良好的氣動特性，對降低整車風(fēng)阻、節(jié)能減排、增加續(xù)駛里程都有重要意義。

目前，基于仿真軟件針對車輪輪輞對整車氣動阻力造成影響的研究還開展得較為有限。本文采用數(shù)值仿真方法[7]，對某電動車型低空氣動力學(xué)開發(fā)過程中，利用STAR-CCM+分析軟件針對多種汽車輪輞的形式對整車氣動阻力的影響進(jìn)行了研究，并使用了輪胎不旋轉(zhuǎn)、輪胎設(shè)置切線速度及MRF三種速度邊界條件設(shè)置方式對結(jié)果的影響進(jìn)行了對比分析。

1 模型建立

1.1 幾何模型

輪轂造型來自某電動車，后尾翼、前輪擾流板、下護(hù)板等空氣動力學(xué)套件完整，輪胎型號2225/45 R18，共對18個不同輪輞進(jìn)行了分析，輪胎型號一致。其中有6種輪輞造型，輪輞形式見表1和圖1。

表1 輪輞形式

圖1 輪輞造型

以上每一種形式的輪輞均對應(yīng)有540 cm2、340 cm2和140 cm2三種開口面積，因此本次仿真分析共有6×3=18種輪輞模型。

1.2 邊界條件

計算域的進(jìn)口邊界為速度進(jìn)口，入口速度為120 km/h，出口為0 Pa壓力出口，其余周圍4個面均設(shè)置為Slip Wall滑移壁面邊界條件[8]。車輪旋轉(zhuǎn)時的角速度為103 rad/s，與風(fēng)速匹配。為了對比不同車輪邊界條件設(shè)置方法帶來的計算結(jié)果差異，對每一種輪胎輪輞模型分別采用了輪胎不旋轉(zhuǎn)（Wall-Fixed）、輪胎設(shè)置切線速度（Wall-Local Rotation Rate）及MRF旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法，共3種邊界條件設(shè)置方式。

為輪胎輪輞建立MRF計算區(qū)域時需將輪輞與制動盤、車軸等部件做斷開處理，因此，為保持分析模型狀態(tài)的一致性，在輪胎不旋轉(zhuǎn)及輪胎設(shè)置切線速度的邊界條件下，模型同樣采用制動盤斷開連接處理方式（圖2）。

圖2 制動盤處理及MRF域建立

1.3 物理模型

采用分析軟件STAR CCM++進(jìn)行不可壓縮穩(wěn)態(tài)計算，湍流模型采用RNGκ-ε。

2 計算結(jié)果比較與分析

2.1 不同輪轂旋轉(zhuǎn)模擬設(shè)置方法結(jié)果比較

不同的輪轂旋轉(zhuǎn)模擬設(shè)置方法，在開口面積為340 cm2時C輪輞計算得到的阻力系數(shù)結(jié)果如圖3所示，MRF計算方法結(jié)果較另兩種方法結(jié)果偏大，Wall與Rotation的結(jié)果趨勢類似。

圖3 340 cm2 C輪輞不同輪轂旋轉(zhuǎn)模擬設(shè)置方法結(jié)果比較

340 cm2開口面積的C輪輞仿真中，Wall、Rotation與MRF設(shè)置方法，在左后輪胎和輪輞的阻力系數(shù)分解見表2。

表2 輪胎輪輞分項阻力系數(shù)

由結(jié)果可知，由于MRF的計算方式使輪胎及輪輞受到較大的壓力，而Rotation的剪切力最小，輪胎及輪輞的表面速度云圖如圖4所示，由于MRF的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法，輪胎及輪輞的表面速度均高于其它兩種方法，這樣在輪胎這種復(fù)雜氣流擾動區(qū)域，能量損失會增大，所以風(fēng)阻系數(shù)偏大。

圖4 輪輞C、開口面積340 cm2的輪胎輪輞表面速度云圖

2.2 不同輪輞方案計算Cd比較

將不同輪輞形式的仿真Cd結(jié)果進(jìn)行比較，如圖5所示。兩種普通型開口輪輞A、B在不同的設(shè)置條件下規(guī)律一致，風(fēng)阻系數(shù)均隨著輪輞開口面積減小而減小，當(dāng)外側(cè)開口面積變小后，Rotation方法的結(jié)果依然保持一致。但Wall與MRF的計算方法會出現(xiàn)不同規(guī)律，因此，在通過仿真手段為低風(fēng)阻輪輞進(jìn)行選型工作時，建議采用Rotation的方法，它相對另兩種方法結(jié)果的趨勢性更明顯。

在使用不同形式和不同開口面積的輪輞時，采用Wall與Rotation的方法兩者風(fēng)阻系數(shù)之間大小不確定，即在模擬輪胎不旋轉(zhuǎn)與設(shè)置輪胎切向速度旋轉(zhuǎn)的情況下，兩者風(fēng)阻系數(shù)之間大小不確定。

圖5 不同輪輞形式在3種邊界條件下的仿真整車風(fēng)阻系數(shù)結(jié)果

將輪輞開口面積為340 cm2，Rotation計算條件下的輪胎剖面速度場進(jìn)行對比，如圖6所示，并結(jié)合圖3的結(jié)果進(jìn)行了分析，輪輞A與B流場接近，原因為A的內(nèi)凹程度不明顯，當(dāng)輻面拉平，使輪輞前凹陷處的回流區(qū)域消失，輪輞內(nèi)側(cè)的氣流速度更低。在C方案將外側(cè)開口面積變小之后，可見輪輞內(nèi)部速度明顯變低，外部氣流與內(nèi)部氣流速度分界鮮明，氣流不易流入輪輞內(nèi)側(cè)，可以更快速地通過輪輞外側(cè)。D方案加倒角后，大量氣流由于輪輞開口處圓滑的邊緣不易分離，直接流入輪輞內(nèi)側(cè)，造成輪輞內(nèi)部氣流速度變高，能量耗散，因此，輪輞D的阻力系數(shù)比C大。E輪輞在輪輞A外側(cè)加上一個小開口平板件，這種形式類似特斯拉Model 3低風(fēng)阻可拆卸輪輞（圖7），小的開口使流入輪腔內(nèi)的氣流更少，整個平板內(nèi)側(cè)均為速度較低區(qū)域，外側(cè)氣流可更快流過，但低速回流的區(qū)域要大于輪輞C，因此，風(fēng)阻系數(shù)小于平整的小開口輪輞C。輪輞F在總開口面積不變的情況下，將5個開口變成10個更小的開口，小的開口使氣流更難流入輪輞內(nèi)，輪輞外側(cè)的氣流較快地沿著輪輞外側(cè)切線流過，風(fēng)阻系數(shù)比C低。

圖6 車輪附近截面速度對比

圖7 Model 3可拆卸空氣動力學(xué)輪輞

3 試驗結(jié)果

在該車型油泥模型進(jìn)行的風(fēng)洞試驗中，關(guān)于輪胎旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)，輪輞的開口面積分別為700 cm2、440 cm2及輪輞全封堵（圖8）的研究結(jié)果見表3。

由試驗結(jié)果可知，在本次風(fēng)洞試驗中，輪輞開口面積的大小對風(fēng)阻有很大影響，隨著開口變小至全封閉，風(fēng)阻系數(shù)共降低了0.01，而輪胎旋轉(zhuǎn)的時候比不轉(zhuǎn)的時候風(fēng)阻系數(shù)低了0.008左右，因此，在輪輞選型中，盡量選取開口面積較小的輪輞，對降低風(fēng)阻有更好的貢獻(xiàn)。

圖8 風(fēng)洞試驗輪輞示意結(jié)果

表3 風(fēng)洞試驗結(jié)果

4 結(jié)論

（1）采用輪胎不轉(zhuǎn)Wall、MRF域這兩種計算方法時，因輪輞方案不同，Cd與輪輞開口面積無明顯規(guī)律，在使用Rotation的速度設(shè)置方法時，輪輞開口面積變小，Cd變小，規(guī)律明顯。因此，建議在做輪輞的選型工作中，使用Rotation的方法。

（2）采用輪胎輪輞MRF計算域的速度設(shè)置方法時，Cd結(jié)果會較另外兩種方法偏大。

（3）相同輪輞開口面積條件下，當(dāng)輪輞外側(cè)的開口面積變小，流入輪輞內(nèi)側(cè)的氣流變少，可更快速地流過輪輞外側(cè)。因此，在低風(fēng)阻輪輞設(shè)計時，不僅要考慮輪輞的最小投影面積，同樣要考慮輪輞外側(cè)的開口面積。

（4）相同條件下，帶倒角的輪輞開口由于圓滑的邊緣使輪輞外側(cè)氣流更容易進(jìn)入輪輞內(nèi)側(cè)，會增大輪輞內(nèi)側(cè)氣流能量損失，增大風(fēng)阻。

（5）要保持原輪輞造型時，可在其外側(cè)加裝可拆卸的，開口面積較小并且平整度高的輪輞用來降低風(fēng)阻（輪輞E）。由于內(nèi)側(cè)回流區(qū)域較大，其降低風(fēng)阻的效果稍遜于外側(cè)開口面積與內(nèi)側(cè)開口面積相等的輪輞形式（輪輞C）。

（6）總開口面積相同的輪輞，由于小的輪輞開口會使氣流更難流入，所以10開口的輪輞風(fēng)阻系數(shù)低于5開口的輪輞。