前言：汽車行駛的過程中隨著車速的提升，氣動阻力占總阻力的比值逐漸增大。當(dāng)汽車以 80km/h 的速度行駛時，其中 60%的功率是用來克服氣動阻力的。因此，減小氣動阻力是降低動力損耗、節(jié)約能源及降低用戶使用成本的根本途徑。而車輪作為汽車的主要運動部件，在氣動阻力方面的影響較大[1]，研究表明，車輪及輪轂占?xì)鈩幼枇Φ?30%。以往對于汽車車輪的研究，僅限于簡單形狀的模型，然而，選裝車輪的外流場情況復(fù)雜，外形幾何特征的細(xì)微變化會對整個流場有很大的影響[2]。因此，文章基于流體力學(xué)的分析方法，通過不同幾何特征的車輪對流場變化的影響趨勢，分析出了輪胎的輪肩與輪轂之間較強(qiáng)的耦合關(guān)系，對改善汽車三維分離流動特性、降低車輪阻力及提高汽車空氣動力學(xué)性能有重要意義[3]。

1 數(shù)值仿真計算

1.1 幾何模型的建立

利用 STAR-CCM+軟件對汽車模型進(jìn)行仿真分析，為提高計算結(jié)果精度，選取整車全細(xì)節(jié)幾何模型，模型中包括車身外表面、機(jī)艙中的全部部件及底板中的全部部件。由于整車外流場仿真計算的區(qū)域為整車最外層表面以外的區(qū)域，因此乘員艙內(nèi)的部件模型無需建立，整車幾何模型如圖 1 所示。

1.2 仿真方案的選定

為深入研究輪肩曲率半徑與輪轂之間的耦合關(guān)系，明確不同輪肩曲率半徑下輪轂開閉及結(jié)構(gòu)變化給氣動阻力帶來影響程度的規(guī)律。文章共設(shè)計出8 個組合方案，為不同輪肩曲率半徑與輪轂開閉或輪轂結(jié)構(gòu)的組合，具體方案說明如表 1。




1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

應(yīng)用 STAR-CCM+中的包面及網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)，對模型進(jìn)行搭接及網(wǎng)格重構(gòu)處理，使其生成封閉腔體的面網(wǎng)格。建立風(fēng)洞計算域模型的具體尺寸，如圖 2 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，為更加精準(zhǔn)的模擬近壁面的流動情況，在近壁面處劃分邊界層網(wǎng)格，首層邊界層厚度為 0.05mm，層數(shù)為 10 層，邊界層總厚度為 8 層，體網(wǎng)格數(shù)約為 2050 萬個左右。


1.4 模型邊界條件及介質(zhì)屬性設(shè)置

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 pressureoutlet（壓力出口），壓力為 0，車輪轉(zhuǎn)速 100 km/h，地面速度 100km/h，空氣密度 1.18415kg/m^3。為準(zhǔn)確模擬車輛行駛過程中氣流與地面之間的無相對速度關(guān)系，地面無速度剪切，特將車身前方地面設(shè)置為滑移壁面，其他壁面邊界類型為 wall[5]。該計算模型考慮地面運動、車輪轉(zhuǎn)動、換熱器（散熱器、冷凝器）的阻尼特性及風(fēng)扇轉(zhuǎn)動對整車外氣動性能的影響。

1.5 物理模型模型

采用 SST K-Omega 湍流模型和 All-y+壁面處理方式，三維穩(wěn)態(tài)計算。


汽車外氣動模擬的網(wǎng)格方案應(yīng)該與所選用的湍流及壁面模型相適應(yīng)，網(wǎng)格尺寸的適應(yīng)性可以通過 Y+值來體現(xiàn)。選擇 high-y+的壁面模型，要求 Y+的范圍是 30-100。選擇 low-y+的壁面模型，Y+的值約為 1。該模型中的 Y+值如圖 3 所示，大部分區(qū)域落在了在 0 到 1 之間。由于穩(wěn)態(tài)方案的 SSTK-Omega 湍流模型在計算 low-y+壁面模型時相對精度較高，因此選用 SST K-Omega 湍流模型[6]。

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 8 個組合方案的計算結(jié)果，下面分別對不同輪肩曲率半徑下的輪轂開閉及輪轂結(jié)構(gòu)方案仿真計算結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 不同輪肩曲率半徑下輪轂開閉與氣動阻力之間的關(guān)系

方案 1、2、3 及 4 為對比不同輪肩曲率半徑下輪轂開閉與氣動阻力之間關(guān)系的方案，四個方案的車輪附近氣流分布狀況，如圖 4 所示。圖 4 可以看出，與曲率半徑大的輪肩相比，曲率半徑小的輪肩其分離點較為靠前，即在輪轂之前，氣流已經(jīng)分離。因此，輪轂是否封閉，對氣流分離影響不大，分離點位置無明顯變化。相反，曲率半徑大的輪肩封閉輪轂后，分離點明顯后移。




為進(jìn)一步量化對比不同方案，表 2 中統(tǒng)計出各個方案的風(fēng)阻系數(shù)變化量。以輪肩曲率半徑大且輪轂打開的方案 3 為基準(zhǔn)參考方案，考察各方案的風(fēng)阻系數(shù)值，仍然能夠得到上述規(guī)律。圖 4a 與圖 4b對比，圖 4c 與圖 4d 對比可以看出輪肩曲率半徑大的車輪，氣流分離點靠后。圖 4a 與圖 4c 對比可以看出封閉輪轂后，分離點繼續(xù)向后移動 90mm，氣流貼體性更好，風(fēng)阻系數(shù)（Cd）值下降了 0.02。而圖 4b 與圖 4d 對比可知，輪肩曲率半徑小的車輪，氣流分離點靠前，即在輪肩位置氣流已經(jīng)分離，輪轂開閉對分離點位置影響較小，風(fēng)阻系數(shù)（Cd）值變化略小，只下降了 0.009。因此，輪肩曲率半徑大的車輪對輪轂開閉敏感性更強(qiáng)。


2.2 不同輪肩曲率半徑下輪轂造型結(jié)構(gòu)與氣動阻力之間的關(guān)系

方案 5、6、7、8 為對比不同輪肩曲率半徑下輪轂造型結(jié)構(gòu)與氣動阻力之間關(guān)系的方案，其風(fēng)阻系數(shù)（Cd）計算結(jié)果如表 3 所示，車輪附近氣流分布狀況如圖 5 所示。






為明確輪轂造型改變所帶來的流場改變，以輪肩曲率半徑大、輪轂結(jié)構(gòu)突出、開口面積大的方案七為基準(zhǔn)參考方案，考察各方案的風(fēng)阻系數(shù)值。由表 3 可知，方案 8 風(fēng)阻系數(shù)較方案 7 下降了 0.006，方案 6 較方案 5 風(fēng)阻系數(shù)下降了 0.004。這主要是由于添加平整、開口面積小的輪轂后，高速氣流更加貼體，致使整車風(fēng)阻系數(shù)均有所下降。從圖 5a與圖 5b 對比可知，輪肩曲率半徑大的車輪，分離點位置靠后，添加平整、開口面積小的輪轂后，Cd值下降了 0.006，效果明顯。而輪肩曲率半徑小的車輪，分離點較為靠前，添加平整、開口面積小的輪轂后，Cd 值只下降了 0.004，說明輪肩曲率半徑大的車輪對輪轂結(jié)構(gòu)的敏感性更強(qiáng)。

3 結(jié)論

文章以汽車詳細(xì)模型為基礎(chǔ)，運用計算流體力學(xué)的方法對不同輪肩曲率半徑、輪轂開閉及結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行計算，對比分析得到如下結(jié)論：

1）車輪輪轂開閉狀態(tài)及程度不同直接影響氣動阻力系數(shù)，在不同曲率半徑輪肩的耦合作用下，其影響程度不同；

2）大曲率半徑輪肩氣流分離點較為靠后，輪轂的開閉及造型狀態(tài)對氣動阻力敏感性較強(qiáng)，因此，大曲率半徑輪肩的車輪，在進(jìn)行輪轂設(shè)計時，更要關(guān)注輪轂開閉和造型對氣動阻力的影響。