汽車輪輻型面特征對(duì)車輪的氣動(dòng)特性影響分析

童 一，張 丹，貝紹軼，張 亞，鄭 焱

（江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

當(dāng)前，我國采取了許多措施推進(jìn)節(jié)能減排，汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減耗、低碳發(fā)展勢(shì)在必行。作為影響車輛能耗的一個(gè)基本參數(shù)，空氣阻力的減少可直接降低整車的燃料消耗。有研究表明，汽車車輪產(chǎn)生的空氣阻力占整車空氣阻力的25%，因此，車輪空氣動(dòng)力學(xué)一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)研究中的重點(diǎn)。

楊志剛等人[1]采用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）的方法，對(duì)靜止和旋轉(zhuǎn)孤立車輪局部流場(chǎng)進(jìn)行研究，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了車輪的旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生巨大影響；Diasinos等人[2]通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)車輪旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下尾跡的氣動(dòng)特性分析，發(fā)現(xiàn)幾何形狀的變化可以改變流動(dòng)細(xì)節(jié)；谷正氣等人[3]通過改變車輪輪輻開孔大小和開孔數(shù)量，分析了其對(duì)整車氣動(dòng)阻力的影響；蘇暢等人[4]利用Fluent軟件，探究了不同輪輻偏移距離及曲率與整車氣動(dòng)阻力系數(shù)的關(guān)系；沙強(qiáng)等人[5]在輪轂形態(tài)設(shè)計(jì)中加入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)方法，通過合理組合點(diǎn)、線、面與基本形體、骨骼線，使輪轂結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)統(tǒng)一且設(shè)計(jì)合理。上述研究發(fā)現(xiàn)，合理的輪輻外形設(shè)計(jì)，對(duì)降低車輪氣動(dòng)阻力十分重要。

除此之外，Hobeika等人[6]對(duì)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪條件設(shè)置進(jìn)行研究，在具有強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)效應(yīng)區(qū)域引入MRF域，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的正確模擬；方健等人[7]對(duì)旋轉(zhuǎn)車輪的輪輞采用不同的封堵比例，發(fā)現(xiàn)輪輻開口可降低風(fēng)阻，減阻貢獻(xiàn)由輪心向外逐漸增強(qiáng)；傅立敏等人[8]通過模擬和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了車輪的幾何外形在數(shù)值模擬中對(duì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性的影響十分顯著，應(yīng)予以充分考慮。

然而，對(duì)于如何在滿足工程可行性并保證造型美觀的前提下，進(jìn)行輪輻型面設(shè)計(jì)，使其具備良好的氣動(dòng)特性，目前還缺少相關(guān)研究。因此，本文針對(duì)幾種正面造型設(shè)計(jì)出不同輪輻型面的車輪，通過數(shù)值模擬，探究不同輪輻型面對(duì)車輪氣動(dòng)阻力系數(shù)的影響，揭示其減阻原因，從而為低風(fēng)阻車輪輪輻型面設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 模型建立

1.1 車輪幾何模型

選取某小型轎車車輪，輪胎型號(hào)為175/50R15。由于輪胎凹坑的非光滑結(jié)構(gòu)會(huì)影響其壁面附近的流體運(yùn)動(dòng)[9]，因此，為了避免對(duì)本文分析產(chǎn)生影響，將車輪輪胎均更換為光面輪胎。如圖1所示，針對(duì)五輻車輪，三種正面造型分別為直線型面（A型）、折線型面（B型）以及弧線型面（C型），對(duì)車輪輪輻面進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，構(gòu)建出三種不同輪輻型面的車輪。在標(biāo)準(zhǔn)車輪簡(jiǎn)化模型中，固定不同型面的車輪開孔比例為42%，輪輞最外側(cè)所在平面距輪輻中心面的水平距離為0，以避免開孔比例與水平距離的不同對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖1 車輪輪輻型面幾何形狀

1.2 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

如圖2所示，為計(jì)算域示意圖。車輪數(shù)值模擬的計(jì)算域需要設(shè)置與實(shí)際狀態(tài)相近的邊界條件，具體長(zhǎng)度見圖2。通過對(duì)計(jì)算域的合理選擇，可以忽略計(jì)算域邊界（頂面和側(cè)面）對(duì)流場(chǎng)的干涉。

在生成可以計(jì)算的體網(wǎng)格之前，需要對(duì)車輪幾何模型進(jìn)行表面處理以及拓?fù)錂z測(cè)，以避免交界面不閉合、曲線重復(fù)、曲面不閉合等問題；同時(shí)，考慮到分析獨(dú)立車輪的精度要求，需要將車輪面網(wǎng)格劃分得更加細(xì)膩。如圖3所示，本文選取將車輪面網(wǎng)格劃分為4 mm。

圖2 計(jì)算域示意圖

圖3 車輪面網(wǎng)格

由于車輪的外流場(chǎng)主要受輪腔和車輪自身的影響，因此，為了精確地求解車輪周圍的流場(chǎng)，應(yīng)采用不同的密度盒使轉(zhuǎn)動(dòng)車輪周圍的網(wǎng)格尺寸變小。在合適的網(wǎng)格數(shù)量下，能夠保證旋轉(zhuǎn)車輪周圍的網(wǎng)格質(zhì)量。本文采用三層加密策略：第一層加密區(qū)域網(wǎng)格大小為6 mm；第二層加密區(qū)域網(wǎng)格大小為12 mm；第三層加密區(qū)域網(wǎng)格大小為30 mm。同時(shí)，在近壁面設(shè)置邊界層，邊界層第一層厚度為1 mm，共5層，網(wǎng)格量控制在合理范圍內(nèi)。

如圖4所示，為最后形成的加密區(qū)域（密度盒1、密度盒2和密度盒3）。

圖4 旋轉(zhuǎn)車輪計(jì)算域設(shè)置

1.3 計(jì)算方法及邊界條件設(shè)置

利用ANSYSFLUENT軟件，基于分離壓力的求解器計(jì)算，離散方法選擇二階迎風(fēng)；同時(shí)，選擇用于壓力-速度耦合的標(biāo)準(zhǔn)SIMPLEC算法。車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的局部密度變化，特別是靠近地面區(qū)域的變化，可能對(duì)流動(dòng)有輕微影響，而空氣屬于不可壓縮范圍；所以，計(jì)算模型可選擇三維定常不可壓縮粘性流動(dòng)，采用三維不可壓縮雷諾平均N-S方程，流場(chǎng)計(jì)算選用RNGk-ε湍流模型[10]。相較于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，RNGk-ε湍流模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)。

計(jì)算域入口為速度入口，出口采用壓力出口，計(jì)算域頂面及側(cè)面為固定無滑移壁面，地面為移動(dòng)無滑移壁面[11]。為了在模擬中將車輪的旋轉(zhuǎn)這一實(shí)際問題考慮在內(nèi)，使仿真模擬更加接近真實(shí)情況，將車輪設(shè)置成多參考坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)壁面（MRF）條件。如表1所示，為具體邊界條件。

表1 仿真邊界條件設(shè)置

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為了更好地模擬車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)表面及周圍的流場(chǎng)狀態(tài)，同時(shí)節(jié)約計(jì)算時(shí)間，對(duì)A型面車輪的網(wǎng)格采用了不同的加密方案。如表2所示，為仿真模擬后的計(jì)算結(jié)果。由表2可知，8.2×106的網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果與1.2×107的網(wǎng)格計(jì)算基本一致，Cd值已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。為節(jié)省資源和計(jì)算時(shí)間，三種不同型面的網(wǎng)格劃分均采用A-2加密方案，計(jì)算模型均采用8.2×106左右的網(wǎng)格數(shù)量。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2 計(jì)算結(jié)果比較與分析

2.1 氣動(dòng)力分析

在輪輻開口面積相同的情況下，改變不同型面。如圖5所示，為三種不同型面車輪氣動(dòng)阻力系數(shù)和升力系數(shù)。由圖5可見：B型面車輪氣動(dòng)阻力最大；C型面車輪氣動(dòng)阻力最小，相較于另外兩種型面車輪，其氣動(dòng)阻力分別減小約1.6%、5.7%，而不同型面引起的升力變化近乎于0。

圖5 不同輪輻型面氣動(dòng)阻力系數(shù)和升力系數(shù)

2.2 壓力分析

如圖6所示，為不同型面車輪中心線平均壓力系數(shù)曲線。三個(gè)不同型面車輪最大正壓系數(shù)值都在1.0處，最大負(fù)壓均出現(xiàn)在270°附近，這與英國達(dá)勒姆大學(xué)的Mears等人的研究趨勢(shì)相似。車輪頂部270°附近最低壓力系數(shù)處，被稱為負(fù)壓峰值。由圖6可知，三種不同輪輻型面車輪在尾部（100°~270°）區(qū)域，平均壓力系數(shù)Cp分布幾乎相同，其差異和空氣動(dòng)力特性主要取決于雷諾數(shù)和車輪形狀（縱橫比和胎肩）。

如圖7所示，為X=0.52D處各車輪垂直高度壓力分布曲線。其中：X表示距離車輪中心的水平距離；D表示車輪的直徑。在各車輪后X=0.52D處設(shè)置壓力系數(shù)提取探測(cè)線，以查看車輪后部的壓力變化。根據(jù)圖7可以看出：貼近地面處均為正壓，遠(yuǎn)離地面處Cp值近乎為0，由地面向上三個(gè)車輪的壓力變化都呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)；在車輪尾部X/D=0.52的相同高度處，C型面車輪的壓力系數(shù)要高于其他兩個(gè)型面的車輪，可見，C型面車輪其尾部的低壓中心相對(duì)于其他兩個(gè)型面，距離旋轉(zhuǎn)車輪尾部更遠(yuǎn)，從而降低了車輪的氣動(dòng)阻力。

圖6 車輪模型中心線平均壓力系數(shù)Cp分布

圖7 X/D=0.52處各車輪垂直高度壓力分布曲線

如圖8所示，為X=0截面壓力云圖。從圖8可以看出，輪腔內(nèi)部壓力差異很大：C型面車輪的輪腔內(nèi)部壓力接近于0，在輪腔靠近地面處形成了一個(gè)較小的渦；而A型面和B型面的車輪均在輪腔中央形成了一個(gè)穩(wěn)定的低壓渦；對(duì)比三個(gè)型面，B型面車輪形成的低壓區(qū)要明顯大于其他兩種型面。

渦是湍流場(chǎng)中消耗能量的主要方式之一，也是氣動(dòng)阻力的一個(gè)主要來源，渦的結(jié)構(gòu)不同，對(duì)氣動(dòng)阻力的影響也有大小。如圖9所示，為車輪中心對(duì)稱面壓力云圖?？梢钥闯觯行膶?duì)稱面處輪腔內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)區(qū)別很大：A、B型面的車輪在輪腔中心各有一個(gè)穩(wěn)定發(fā)展的渦，輪腔內(nèi)的穩(wěn)定渦造成了大量的能量耗散；C型面車輪并沒有在中心部位形成一個(gè)穩(wěn)定的渦，這也是C型面車輪阻力小于其他兩個(gè)型面的原因。結(jié)合圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)，不同型面所導(dǎo)致的輪腔內(nèi)渦結(jié)構(gòu)差異，是引起車輪氣動(dòng)阻力差異的主要原因。

圖8 X=0截面壓力云圖

圖9 車輪中心對(duì)稱面壓力云圖

2.3 不同型面車輪表面速度

如圖10所示，為車輪表面速度云圖。根據(jù)圖10可以看出：C型面車輪正面輪胎及輪輻的表面速度均高于其他兩種型面，使輪輻開口處氣流更難流入輪腔內(nèi)，輪輻外側(cè)的氣流較快地沿著輪輻外側(cè)切線流過；B型面車輪表面速度最低，更多氣流由開孔處進(jìn)入輪腔內(nèi)側(cè)；分析不同車輪型面引起的輪腔內(nèi)負(fù)壓區(qū)域的大小，得到：B型面>A型面>C型面，即造成氣體進(jìn)入輪腔多少的主要原因是壓差；B型面內(nèi)部負(fù)壓渦最大，使得氣體被吸入輪腔內(nèi)部，加劇了車輪輪腔內(nèi)部復(fù)雜氣流擾動(dòng)，從而使旋轉(zhuǎn)車輪能量損失增大。

圖10 三種型面車輪表面速度云圖

2.4 不同型面車輪速度流線

如圖11所示，為A、B、C三種型面車輪速度流線，可以比較直觀地看出車輪輪腔內(nèi)氣流對(duì)車輪氣動(dòng)阻力的影響。圖中圈出B型面的流線密度相較于其他兩個(gè)型面明顯最大，對(duì)于不可壓縮流體，流線越密集，流速越大，說明B型面輪腔內(nèi)部區(qū)域的氣流擾動(dòng)情況最為劇烈。

由圖11可知：C型面車輪輪輻外側(cè)氣流流入輪腔內(nèi)流速最慢，所以C型面輪腔內(nèi)氣流擾動(dòng)相較于其他兩個(gè)型面較小，雖然也有一個(gè)渦，但其渦結(jié)構(gòu)與其他兩個(gè)型面相比尺寸明顯較??；B型面車輪輪腔內(nèi)有一個(gè)穩(wěn)定發(fā)展的渦旋，而且渦最強(qiáng)烈，所以B型面車輪引起的氣動(dòng)阻力最大。不同型面車輪的氣流均由輪輻面進(jìn)入輪腔，最終通過輪腔內(nèi)側(cè)靠近地面處流出。

圖11 三種型面車輪速度流線

3 結(jié)論

本文采用RNGk-ε湍流模型，對(duì)獨(dú)立車輪外流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對(duì)比分析了正常工況下三種獨(dú)立車輪的氣動(dòng)特性，得到以下結(jié)論：

（1）總開口面積相同的車輪輪輻，弧線型面有良好的減阻效果，相較于直線和折線型面車輪，其風(fēng)阻系數(shù)分別降低了1.6%和5.6%。

（2）不同車輪輪輻型面直接影響了氣體在輪腔內(nèi)的流動(dòng)，從而表現(xiàn)出氣動(dòng)力方面的差異；因此，對(duì)于輪輻造型設(shè)計(jì)方面的研究，不僅需要考慮開口面積，還需要考慮不同型面形狀對(duì)輪腔內(nèi)氣流流動(dòng)特征的影響。輪輻型面的差異最終會(huì)影響車輪的尾流結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)特性。