為了了解輪輞位置對(duì)車輛空氣動(dòng)力學(xué)的影響，研究了其對(duì)相關(guān)車輛區(qū)域流動(dòng)拓?fù)涞挠绊憽Ｇ拜喿髠?cè)區(qū)域的流動(dòng)情況分別在位于前輪房下游的分析平面A和位于前輪拱旁邊的分析平面B進(jìn)行了檢查。為了識(shí)別和可視化氣流變化，在這些平面上計(jì)算相應(yīng)的壓力系數(shù)，并將結(jié)果以等高線圖的形式顯示出來。A面和B面左前輪區(qū)域的流動(dòng)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果如圖四所示。

圖四 輪輞為固定模擬工況的輪拱下游壓力系數(shù)Cp。在A面(上)和B面(下)的邊緣方向。

靜止情況下的流動(dòng)分析表明，輪緣方向?qū)η拜喐浇牧鲃?dòng)拓?fù)溆酗@著影響，進(jìn)而對(duì)整車周圍的流動(dòng)情況也有顯著影響。隨后通過W?schle前人的研究對(duì)所調(diào)查的輪拱附近的氣流情況進(jìn)行了解釋和討論。

在前輪區(qū)域可以看出氣流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要變化(圖6a和圖6b)，可以看到渦旋結(jié)構(gòu)的輕微向下移動(dòng)。

近地渦不發(fā)達(dá)，上層渦增大。通過比較車輪渦和底層輪輞，輪輞幾何形狀和流動(dòng)拓?fù)渲g的相關(guān)性變得明顯。

因此，對(duì)該區(qū)域流場(chǎng)的影響可以歸因于通過輪輞和輪拱的橫流，因?yàn)檩喪业呐艢庑袨閺?qiáng)烈依賴于輻條的堵塞。由于兩種模擬情況下輻條的方向不同，不同位置的氣流通過輪緣和從輪拱向外，影響了主要?dú)饬?。通過比較車輛前輪附近的壓力差，可以很容易地看出這種變化(圖四c和d)。這兩個(gè)輪緣位置的不同位置都發(fā)生了排氣，這直接影響了該區(qū)域的渦旋形成。

一個(gè)明顯的流動(dòng)拓?fù)渥兓?，起源于前輪，并傳播到下游的尾部和更遠(yuǎn)，可以識(shí)別。此外，進(jìn)入車底區(qū)域的冷卻空氣的流出也受到影響，這可以歸因于輪拱內(nèi)部和車底處壓力狀況的改變。因此，可以得出結(jié)論，這個(gè)壓差也決定了冷卻空氣從發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流出行為，從而空氣進(jìn)入車輪拱和底盤部分。

阻力形成

這一調(diào)查包括靜止以及其余模擬情況下應(yīng)用的車輪旋轉(zhuǎn)方法。除車輛阻力外，還研究了車身阻力和車輪阻力的單獨(dú)演化。車身阻力考慮所有輪胎和輪輞的阻力值，而車輪阻力包括車輛的所有剩余組件。結(jié)果以百分比顯示。

圖五 車身阻力系數(shù)差和車輪阻力系數(shù)差累計(jì)情況

結(jié)果表明，輪緣定位位置對(duì)車輛的整個(gè)阻力情況有明顯的影響。在實(shí)際幾何變化區(qū)域的上游區(qū)域也可識(shí)別出影響，即在車輛前部。車輛阻力系數(shù)的主要變化可以在前端、前后輪拱區(qū)域以及尾部區(qū)域發(fā)現(xiàn)(圖五a)。對(duì)車身(圖五b)和車輪(圖五c)阻力變化的分析表明，這些變化可以在兩組之間平均分配。

然而，車身和車輪阻力變化的比例并不一定具有相同的趨勢(shì)，結(jié)果是整體增加、減少、甚至抵消由此產(chǎn)生的車輛阻力差，如圖五b和圖五c中的MRF例子所示。

隨后分析了阻力沿三軸的變化規(guī)律。如前所述，車輛阻力的主要變化可以在車輛前端識(shí)別。這種影響可以歸因于發(fā)動(dòng)機(jī)艙流量的變化，以及冷卻空氣流入輪拱和車底的行為，這一區(qū)域的流動(dòng)拓?fù)浞治鲆步沂玖诉@一點(diǎn)。此外，前輪拱區(qū)也發(fā)生了阻力變化，其大小與車輛前端相似。這些影響可以歸因于通過輪緣的交叉流動(dòng)情況的改變和車輪拱的排氣行為。靜止情況下，兩個(gè)輪輞位置之間的最大阻力差異在該區(qū)域，這直接導(dǎo)致車輪阻力的變化。位于前輪和后輪拱之間的車輛中心區(qū)域?qū)囕v阻力的貢獻(xiàn)微乎其微。然而，干擾效應(yīng)是明顯的，它改變了車輛各個(gè)部件周圍的空氣流動(dòng)情況。后輪拱處的阻力變化與前輪屋相似。而對(duì)于MW- to和MW，尾段的阻力變化占比較大。在這一領(lǐng)域，對(duì)MRF、MRF&MW以及MR F&MW-TO的影響較低。這些結(jié)果表明，大的阻力變化可能會(huì)在局部發(fā)生，但它們也可能會(huì)沿著車輛的下游消失，最終導(dǎo)致對(duì)車輛總阻力的輕微影響。相反，流場(chǎng)可以這樣改變，盡管沿著車輛只發(fā)生很小的局部阻力變化，但這些變化最終會(huì)轉(zhuǎn)化為后部的主要變化。這一效應(yīng)在MW-TO中是明顯的，其中阻力的增加最終發(fā)展為車輛尾部的強(qiáng)阻力減少。從這些觀察可以得出結(jié)論，這些流動(dòng)結(jié)構(gòu)的變化不只是一個(gè)局部現(xiàn)象。由于干擾效應(yīng)，它們反而改變了全局流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

對(duì)沿y軸的阻力系數(shù)差異的分析(圖五a)得出了車輛左右兩側(cè)的不同演變，如圖所示，例如，在MRF模擬情況下，駕駛員側(cè)的阻力影響是正的，而乘客側(cè)的阻力影響很大程度上是負(fù)的。沿著x軸的阻力分析顯示，這些差異最終在后方抵消。對(duì)這種現(xiàn)象的一個(gè)可能的解釋是不對(duì)稱的車輛幾何形狀和不對(duì)稱的發(fā)動(dòng)機(jī)艙流量，以及非左/右輪緣幾何形狀，這導(dǎo)致了不平衡的車身下流動(dòng)，并影響了通過輪緣的橫流。y方向的阻力變化主要在車輛兩側(cè)可以檢測(cè)到，這可以歸因于車輪的沖擊。

沿著z軸的阻力分析表明，主要的改變位于車輛的下半部分，特別是在靜止的情況下，這可以歸因于特別車輪的比例。通過與x軸方向分析結(jié)果的交叉比較，可以將影響范圍限定在車底、前輪下部和尾部。

總結(jié)

本文基于穩(wěn)態(tài)RANS模擬進(jìn)行了數(shù)值靈敏度研究，考察了不同輪輞幾何形狀的定位位置對(duì)車輛空氣動(dòng)力學(xué)的影響。

研究表明，無論采用哪種旋轉(zhuǎn)方式，輪輞方向和輪輻位置都會(huì)改變靜止和旋轉(zhuǎn)車輪的流動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。輪輞幾何形狀的微小變化會(huì)極大地影響整車的氣流情況，因此也會(huì)影響整車阻力。并且改變前輪區(qū)域的壓力分布和流拓?fù)洹?/span>后者影響通過輪緣的橫流，以及冷卻空氣從發(fā)動(dòng)機(jī)艙流出進(jìn)入輪拱和車底，這可能是這種影響的一個(gè)解釋。

改進(jìn)后的氣流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)一步改變了車輛的局部阻力演化，其中前端、前后輪拱區(qū)域、車底以及尾部的變化最大。來自車身和車輪的影響在程度上是相同的，但它們可能有不同的趨勢(shì)，導(dǎo)致整體增加、減少甚至消除由此產(chǎn)生的車輛阻力差。對(duì)車輛整體阻力的影響取決于應(yīng)用的車輪旋轉(zhuǎn)方法和輪輞幾何形狀，可占車輛阻力值的4.1%。但是，無法確定個(gè)別輪調(diào)辦法之間的趨勢(shì)。

由于輪輞定位位置對(duì)車輛的氣動(dòng)性能有很大影響，建議在輪胎和輪輞幾何形狀不能旋轉(zhuǎn)的數(shù)值模擬中考慮這種影響，如RANS方法。在這種情況下，應(yīng)檢查各種相關(guān)的輪輞方向，以量化其對(duì)車輛整體阻力影響的不確定性。

文章來源：Zore, K., Caridi, D., and Lockley, I., “Fast and Accurate Prediction of Vehicle Aerodynamics Using ANSYS Mosaic Mesh,” SAE Technical Paper 2020-01-5011, 2020, doi:10.4271/2020-01-5011

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