梅 肖，付 強(qiáng)，張輝香

（吉利汽車研究院有限公司，浙江，寧波 315336）

汽車空氣動(dòng)力學(xué)開發(fā)工作，不僅包含造型設(shè)計(jì)部分的上車體風(fēng)阻優(yōu)化，對(duì)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(guò)程中，僅車輪帶來(lái)的氣動(dòng)阻力損失就占據(jù)了整車氣動(dòng)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(huì)對(duì)整車氣動(dòng)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(duì)輪輞輪輻形式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使其具備良好的氣動(dòng)特性，對(duì)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(duì)車輪輪輞對(duì)整車氣動(dòng)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(duì)某電動(dòng)車型低空氣動(dòng)力學(xué)開發(fā)過(guò)程中，利用STAR-CCM+分析軟件針對(duì)多種汽車輪輞的形式對(duì)整車氣動(dòng)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(duì)結(jié)果的影響進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 模型建立

1.1 幾何模型

輪轂造型來(lái)自某電動(dòng)車，后尾翼、前輪擾流板、下護(hù)板等空氣動(dòng)力學(xué)套件完整，輪胎型號(hào)2225/45 R18，共對(duì)18個(gè)不同輪輞進(jìn)行了分析，輪胎型號(hào)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(duì)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(jì)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(gè)面均設(shè)置為Slip Wall滑移壁面邊界條件[8]。車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的角速度為103 rad/s，與風(fēng)速匹配。為了對(duì)比不同車輪邊界條件設(shè)置方法帶來(lái)的計(jì)算結(jié)果差異，對(duì)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(jì)算區(qū)域時(shí)需將輪輞與制動(dòng)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(dòng)盤斷開連接處理方式（圖2）。

圖2 制動(dòng)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(jì)算，湍流模型采用RNGκ-ε。

2 計(jì)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(shí)C輪輞計(jì)算得到的阻力系數(shù)結(jié)果如圖3所示，MRF計(jì)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(shì)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(xiàng)阻力系數(shù)

由結(jié)果可知，由于MRF的計(jì)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(dòng)區(qū)域，能量損失會(huì)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(jì)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(jì)算方法會(huì)出現(xiàn)不同規(guī)律，因此，在通過(guò)仿真手段為低風(fēng)阻輪輞進(jìn)行選型工作時(shí)，建議采用Rotation的方法，它相對(duì)另兩種方法結(jié)果的趨勢(shì)性更明顯。

在使用不同形式和不同開口面積的輪輞時(shí)，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(jì)算條件下的輪胎剖面速度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)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(chǎng)接近，原因?yàn)锳的內(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(guò)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(gè)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(gè)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(guò)，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(gè)開口變成10個(gè)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(guò)，風(fēng)阻系數(shù)比C低。

圖6 車輪附近截面速度對(duì)比

圖7 Model 3可拆卸空氣動(dòng)力學(xué)輪輞

3 試驗(yàn)結(jié)果

在該車型油泥模型進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果可知，在本次風(fēng)洞試驗(yàn)中，輪輞開口面積的大小對(duì)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(shí)候比不轉(zhuǎn)的時(shí)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(duì)降低風(fēng)阻有更好的貢獻(xiàn)。

圖8 風(fēng)洞試驗(yàn)輪輞示意結(jié)果

表3 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

（1）采用輪胎不轉(zhuǎn)Wall、MRF域這兩種計(jì)算方法時(shí)，因輪輞方案不同，Cd與輪輞開口面積無(wú)明顯規(guī)律，在使用Rotation的速度設(shè)置方法時(shí)，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(jì)算域的速度設(shè)置方法時(shí)，Cd結(jié)果會(huì)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(guò)輪輞外側(cè)。因此，在低風(fēng)阻輪輞設(shè)計(jì)時(shí)，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(huì)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(shí)，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(lái)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(huì)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。