某低風(fēng)阻電動(dòng)SUV車輪周邊流場(chǎng)特點(diǎn)分析

李喆隆，成 云 ，封 云，王 佳，曾昌明

“雙碳”目標(biāo)促使電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程倍受關(guān)注。通過降低風(fēng)阻使行駛阻力和整車電耗得到降低是提高續(xù)駛里程的有效途徑。近年來，電動(dòng)SUV 的Cd（Drag Coefficient，風(fēng)阻系數(shù)）已降至0.26 以下，拓展了汽車空氣動(dòng)力學(xué)的工程開發(fā)邊界。各車企陸續(xù)發(fā)布了低Cd電動(dòng)SUV，均配置封閉面積很高的空氣動(dòng)力學(xué)輪輞，以降低車輪擾流和風(fēng)阻；高端車型同時(shí)搭配昂貴的空氣懸架，以降低車高，減少車底亂流，進(jìn)一步降低風(fēng)阻。對(duì)于中端SUV，可從造型和車輪導(dǎo)流板等方面挖掘降低風(fēng)阻的可能。

改善車輪附近流場(chǎng)是整車風(fēng)阻優(yōu)化的重要部分，國外學(xué)者對(duì)前輪導(dǎo)流板和輪輞的周邊流場(chǎng)特點(diǎn)及對(duì)整車風(fēng)阻的影響進(jìn)行了研究[1-5]，國內(nèi)學(xué)者徐辰等[6]對(duì)電動(dòng)轎車不同導(dǎo)流板的影響進(jìn)行了仿真分析，童一等[7]對(duì)獨(dú)立輪輞周邊的流場(chǎng)特點(diǎn)進(jìn)行了仿真分析，胡興軍等[8]利用格子玻爾茲曼方法研究DrivAer 標(biāo)準(zhǔn)模型車輪不同旋轉(zhuǎn)設(shè)置方法的特點(diǎn)，唐洪濤等[9]對(duì)燃油SUV 不同導(dǎo)流板和輪輞的組合進(jìn)行仿真尋優(yōu)，車艷秋等[10]研究了燃油SUV 不同輪輞的氣動(dòng)影響，任超等[11]研究了燃油轎車不同輪輞和胎紋的風(fēng)阻影響，王夫亮等[12]和賈青等[13-14]研究了燃油轎車不同導(dǎo)流板對(duì)風(fēng)阻的影響以及車輪附近的流場(chǎng)狀態(tài)，梅肖等[15]對(duì)某款風(fēng)阻系數(shù)約為0.30 的電動(dòng)SUV 不同輪輞的流場(chǎng)特點(diǎn)進(jìn)行了分析。

本文采用雷諾時(shí)均方法模擬某純電動(dòng)SUV 外流場(chǎng)并進(jìn)行實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)。經(jīng)過前保險(xiǎn)杠和前輪船型導(dǎo)流板引流，將3種封閉面積小的常規(guī)輪輞與全封閉理想氣動(dòng)輪輞進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)性能對(duì)比，并對(duì)配置不同輪輞的樣車均進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，各Cd值均不超0.25。通過仿真分析闡述此款低風(fēng)阻SUV 車輪的周邊流場(chǎng)特點(diǎn)，為低風(fēng)阻產(chǎn)品開發(fā)提供參考。

1 分析方法

1.1 仿真計(jì)算

假設(shè)整車外流場(chǎng)為三維常密度不可壓縮狀態(tài)，滿足N-S質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒[1]方程，即

式中：ρ為流體密度，kg/m3；u為流體速度矢量，m/s；t為時(shí)間，s；p為流體微元壓強(qiáng)，Pa；μ為流體粘度，kg/(m·s)；Si為動(dòng)量守恒中廣義源項(xiàng)；ui為x、y、z向速度分量，m/s，i取值1、2、3。

求解N-S 湍流方程可以采用雷諾時(shí)均、大渦模擬、直接數(shù)值模擬以及格子波爾茲曼等方法，其中雷諾時(shí)均根據(jù)粘度確定方法分為零方程、一方程、兩方程、七方程等模型，兩方程又分為k-ε和k-ω兩種模型。

本文采用STAR-CCM+軟件計(jì)算穩(wěn)態(tài)k-ε雷諾時(shí)均湍流模型，對(duì)電動(dòng)汽車各狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。

1.2 網(wǎng)格處理

首先建立包括機(jī)艙內(nèi)所有部件的整車模型。整車尺寸為4 690 mm×1 936 mm×650 mm，軸距為2 845 mm，外觀如圖1所示。整車面網(wǎng)格約為600萬個(gè)，采用三角形網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，最小網(wǎng)格尺寸為4 mm；長(zhǎng)方體計(jì)算流場(chǎng)域尺寸為66 m×12 m×10 m；體網(wǎng)格為3 000萬個(gè)，采用Trim網(wǎng)格切分；邊界層網(wǎng)格總厚度為8 mm，共5層，增長(zhǎng)率為1.2。

圖1 整車外觀

1.3 邊界條件與求解設(shè)定

仿真模擬車速設(shè)定為120 km/h，計(jì)算域進(jìn)口為速度邊界條件，出口為壓力邊界條件，地面為移動(dòng)壁面，速度為120 km/h，側(cè)壁為滑移壁面，車輪為壁面旋轉(zhuǎn)，角速度為92.7 rad/s。穩(wěn)態(tài)計(jì)算步數(shù)為5 000步，將最后1 000步的平均值作為風(fēng)阻系數(shù)。

1.4 風(fēng)洞試驗(yàn)方法

在中國汽車工程研究院風(fēng)洞中心進(jìn)行實(shí)車風(fēng)洞測(cè)試，依據(jù)CSAE（China SAE，中國汽車工程學(xué)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)T/CSAE 146—2020《汽車整車空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)氣動(dòng)力風(fēng)洞試驗(yàn)方法》進(jìn)行，測(cè)試速度為120 km/h。

2 測(cè)試對(duì)象

本文針對(duì)3 種常規(guī)具有一定鏤空的輪輞和1 種理想全封閉的氣動(dòng)輪輞分別進(jìn)行測(cè)試，即R19a、R20a、R20b 和R19b，相應(yīng)規(guī)格為235/50 R19、245/45 R20，如圖2所示。試驗(yàn)車配置內(nèi)藏式主動(dòng)進(jìn)氣格柵，均保持葉片關(guān)閉的低風(fēng)阻狀態(tài)，整體風(fēng)洞試驗(yàn)如圖3所示。

圖2 測(cè)試用輪輞

圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)

同時(shí)，試驗(yàn)車安裝有一款前輪導(dǎo)流板，如圖4所示，導(dǎo)流板主體高度H為41 mm，長(zhǎng)度L為188 mm，前部寬度W1為133 mm，后部寬度W2為259 mm。

圖4 前輪導(dǎo)流板

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 不同輪輞的測(cè)試結(jié)果

通過仿真得到R19a、R20a、R20b 和R19b 的風(fēng)阻系數(shù)分別為0.250、0.252、0.258、0.245，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分別為0.249 1、0.249 0、0.249 4、0.249 3，各風(fēng)阻系數(shù)均較小，前3種常規(guī)輪輞與后者全封閉氣動(dòng)輪輞的最大差值的絕對(duì)值不超過0.3 counts，說明常規(guī)鏤空輪輞可以達(dá)到理想封閉氣動(dòng)輪輞的風(fēng)阻效果。對(duì)比仿真值與試驗(yàn)值，二者最大差異率不超3.5%，吻合度較高，說明仿真分析是整車前期風(fēng)阻研發(fā)的有效方法。

風(fēng)洞試驗(yàn)說明前保險(xiǎn)杠和前輪導(dǎo)流板具有良好的導(dǎo)流作用，并且各輪轂的風(fēng)阻表現(xiàn)一致，幾乎完全消除了輪輞造型的影響。前保險(xiǎn)杠在y向完全遮擋前輪，同時(shí)兩側(cè)型面過渡圓滑，沒有顯著的聚風(fēng)突起特征，最大凸起小于20 mm，也沒有通風(fēng)氣簾結(jié)構(gòu)，氣體壓力在前保險(xiǎn)杠外表面均勻過渡至輪罩邊緣，如圖5所示。

圖5 4種輪輞配置車表面壓力分布

由圖5 可知，4 種輪輞的y向外露面幾乎沒有正壓，說明沒有明顯氣流吹至輪輞表面，避免車輪旋轉(zhuǎn)引起更多亂流，從而保持了較低風(fēng)阻。

3.2 前輪導(dǎo)流板的測(cè)試結(jié)果

為測(cè)試前輪導(dǎo)流板對(duì)整車風(fēng)阻的影響，移除導(dǎo)流板后對(duì)R19a、R20a、R20b和R19b 4種輪輞進(jìn)行仿真計(jì)算，整車風(fēng)阻系數(shù)分別為0.260、0.261、0.264、0.253，較移除前平均升高約8 counts，如圖6所示。

圖6 4種輪輞配置車表面壓力分布（移除前輪導(dǎo)流板）

對(duì)比圖5、6 可知，車輪附近y向外露面的壓力均增加，輪眉前上部和輪輞上半圈的負(fù)壓均有所減弱，說明移除前輪導(dǎo)流板會(huì)將更多氣流吹入車輪區(qū)域，引起旋轉(zhuǎn)的車輪與來流相互作用，阻礙氣流快速通過車輛周圍，從而使整車風(fēng)阻增加。

對(duì)比前輪導(dǎo)流板移除前、后不同輪輞的總壓為0等值面的特點(diǎn)，如圖7所示，移除前車輪附近的等值面y向凸起更小、更薄、更平滑，說明氣流被車輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域阻礙后，其能量損失更小，氣流擾動(dòng)小，使整車保持較低阻力；移除后車輪附近的等值面y向凸起更大、更厚、更扭曲，說明氣流被車輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域阻礙后，其能量損失更大，氣流擾動(dòng)大，使整車風(fēng)阻增加。

綜上，整車前保險(xiǎn)杠和前輪導(dǎo)流板對(duì)來流起到了良好引導(dǎo)作用，減少車輪對(duì)來流的擾動(dòng)。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，4種輪輞的整車風(fēng)阻系數(shù)基本相同，均保持在較低水平。

4 結(jié)束語

本文對(duì)某款純電動(dòng)SUV 進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析和風(fēng)洞試驗(yàn)，分析和測(cè)試不同輪輞配置下整車風(fēng)阻性能，并重點(diǎn)測(cè)試前輪導(dǎo)流板對(duì)整車風(fēng)阻的影響。仿真與試驗(yàn)結(jié)果均表明，前保險(xiǎn)杠和前輪導(dǎo)流板設(shè)計(jì)對(duì)車輪周邊氣流具有較好引導(dǎo)作用，整車Cd約為0.249，尤其前輪導(dǎo)流板可以明顯降低整車風(fēng)阻，并且常規(guī)鏤空輪輞能夠達(dá)到理想封閉氣動(dòng)輪輞的風(fēng)阻效果，為低風(fēng)阻車型開發(fā)提供借鑒參考。