基于Fluent的考慮旋轉車輪影響的汽車外流場分析

基于Fluent的考慮旋轉車輪影響的汽車外流場分析

譚妍瑋, 張眾華, 劉秋生

(西華大學汽車與交通學院, 成都610039)

摘要：以某型轎車為基礎，建立了包含后視鏡、車輪及車身造型的整車外流場模型，利用Fluent軟件對車輪在靜止與旋轉條件下的外流場進行了數值模擬，并進行對比分析。仿真結果表明：旋轉車輪影響整車所受的氣動阻力和氣動升力，同時旋轉車輪還對車身底部和尾部以及后視鏡處的渦流形態和尺度有很大影響。可見，旋轉車輪對整車外流場的分析結果具有重要影響，不可忽略。

關鍵詞：旋轉車輪;CFD;外流場

文章編號：1673-1549(2015)04-0017-05

DOI:10.11863/j.suse.2015.04.04

收稿日期:2015-06-09

基金項目:西華大學研究生創新基金( ycjj2015034)

作者簡介:譚妍瑋(1990-)，女，四川廣安人，碩士生，主要從事汽車性能測試與仿真方面的研究，(E-mail) tanyanwei1205@163．com

中圖分類號：U462

文獻標志碼：A

引言

汽車空氣動力學是流體力學的一部分，它是研究汽車與周圍空氣在相對運動時兩者之間相互作用力的關系及運動規律的科學。對于空氣動力學的研究主要采用理論分析、數值計算和實驗三大類方法。傳統的研究大多是在風洞中進行實驗，費用昂貴、開發周期長。隨著計算機技術的快速發展，計算流體力學(CFD)蓬勃興起，由于CFD方法能夠解決一些理論分析法和實驗法難以處理的復雜流動問題，而且費用低、周期短，被廣泛地應用到汽車的空氣動力學特性研究中[2-4]。

汽車外流場是一種復雜的擾流流動，車輪的旋轉使得車體周圍的流場更加復雜[5]。在以前的汽車外流場的研究中，常常對汽車做了很多的簡化，模型的建立上沒有考慮后視鏡、車門柱等車身附件的影響，同時忽略了車輪的旋轉對整車外流場形態的影響，結果盡管具有一定的參考價值，但是與真實情況還是存在一定的差異[6-8]。本文建立了包含后視鏡等附件的汽車模型，利用Fluent軟件對汽車外流場進行了數值模擬，得出了靜止車輪和旋轉車輪的汽車外流場特性。

1模型的建立與網格劃分

1.1　三維模型

采用Solidworks軟件來建立轎車的三維模型，模型基本參數為車身長：L=4500 mm；車寬：W=2200 mm；車高：H=1350 mm。此次建模過程中保留了后視鏡、門柱、車身腰線等主要特征，對汽車表面和底部做了相應的平整處理，以平整面替換車底的真實凹凸形狀。計算區域設置為：前方為3倍車長，后方為7倍車長，單側寬度為2倍車寬，車頂面為5倍車高[9-10]。轎車模型如圖1所示。

圖1　轎車三維模型

1.2　網格劃分

考慮到車身曲面的復雜性，本文采用了混合網格劃分方法，該方法可以充分發揮四面體網格貼合性好和六面體網格計算精度高的優點[11]。首先采用整體控制法將計算域的網格尺寸控制在4 mm～8 mm之間；然后對車身壁面周圍的網格進行整體細化，單元體長度尺寸控制為5 mm，車身、輪胎及輪罩的近壁面采用了膨脹層網格，以提高近壁面的計算精度。在保證網格質量的前提下，盡量減少網格的數量，總網格數約為840萬。網格劃分結果如圖2所示。

圖2　網格劃分結果

1.3　邊界條件

一般認為汽車外流場是三維、等溫、定常、不可壓的湍流運動。本文為了避免求解整個計算域，減少計算成本，采用了對稱邊界條件，將計算量減少一半，這里將汽車的縱向對稱平面(YZ平面)設置為對稱邊界條件。進口邊界速度設定為28 m/s，出口邊界為壓力出口。對于靜止車輪，利用移動壁面條件模擬汽車與地面的相對運動，移動速度為28 m/s，而旋轉車輪，除了設置移動壁面外，還利用旋轉壁面條件模擬車輪的旋轉運動，即設置車輪的壁面為moving wall，并給定旋轉角速度為100 rad/s。

由于雷諾平均法是工程中應用最為廣泛的方法，因此本文選用雷諾方程(RANS)來進行汽車外流場數值模擬計算。在數值模擬求解過程中，必須選取適當的湍流模型使該方程閉合，因為RNG湍流模型考慮了旋轉流動，能更準確地模擬轎車復雜外流場的流動情況，因此這里選擇RNG湍流模型進行求解[12]。

2結果分析

由仿真結果可以得到汽車所受到各個氣動力，以及汽車外流場在任意截面上的速度矢量圖、流線圖和壓力分布圖等。

2.1　對稱面流速和壓力分析

汽車向前行駛時，所承受的空氣作用力是比較復雜的。旋轉車輪對稱面速度矢量如圖3所示，壓力云圖如圖4所示。首先當前方均勻來流到達車頭時氣流受到阻滯，流速降低，壓力增大，在頭部產生一個高的正壓區。然后氣流產生分支，一部分從車底流過，大部分沿發動機罩和門窗向頂部和側面流去，氣流基本上沿著車身表面平滑流動，流動過程中速度增大，壓力減小，并在車身頂部形成了負壓區。而來自汽車頂部和底部的兩股氣流在汽車車尾處形成渦流。

圖3　對稱面速度矢量圖

圖4　對稱面壓力云圖

2.2　整車氣動力分析

汽車行駛過程中，車輪的旋轉對整車的氣動性能產生重要的影響，這里對比分析靜止車輪和旋轉車輪的整車氣動力大小可以發現，旋轉車輪的存在使得整車的阻力和升力增大(表1)。由此可見車輪旋轉帶動車底氣流流動，引起整車的壓力變化，進而影響車身的氣動力。

表1　整車氣動力

2.3　車輪氣動力和壓力分析

車輪的旋轉是影響車輪周圍氣流流動的因素。這里將整車里的前后車輪剝離出來分析，見表2和表3。對比數據可以看到，不論車輪處于靜止還是轉動條件，汽車后輪受到的阻力和升力都小于前輪所受的阻力和升力，這是因為汽車的前輪直接面對迎面而來的氣流，氣流經過前輪后流向后輪，即后輪處于前輪的尾流影響中，所以前后輪所處流場的初始條件不同，進而產生的氣動力大小有很大的差異。

表2　靜止車輪氣動力

表3　旋轉車輪氣動力

將靜止車輪和轉動車輪的氣動力進行比較，可知不論前輪還是后輪，車輪在轉動條件下產生的阻力大于靜止車輪，而升力方面，旋轉車輪的前輪升力大于靜止車輪，后輪升力卻小于靜止車輪。這是由于車輪旋轉過程中在輪罩周圍產生了復雜的流場，對阻力和升力產生了影響。

圖5和圖6為靜止車輪和旋轉車輪的前后輪表面壓力分布云圖，由云圖可以看出輪胎正前下方呈現高壓分布，這是因為氣流沿車底流動首先流向車輪正下方，速度減小、壓力增大。對比前后輪可以發現：由于前輪直接受到來流的沖擊，表面氣流流速加快，于是表面壓力低于后輪。對比靜止車輪和旋轉車輪的壓力可知：車輪在旋轉的過程中，車輪帶動其附近的氣流一起旋轉，引起旋轉車輪上半部分的壓力大于靜止車輪。

圖5　靜止車輪表面壓力分布圖

圖6　旋轉車輪表面壓力分布圖

2.4　靜止車輪和旋轉車輪的外流場對比分析

流經車身底部的氣流一部分沿著平滑的車身順利流向車尾，另一部分則通過輪胎與輪罩之間的間隙流向車尾。圖7為汽車前輪附件速度矢量圖，分析車身底部車輪處的流場發現，由于車輪的旋轉方向與氣流速度方向相反，進一步阻礙了氣流流動，使流向輪胎兩側的空氣流量增大，從而誘發渦流的產生。

流經車身側面的氣流經過后視鏡時，由于后視鏡的阻礙作用，速度降低，加上車輪旋轉產生的作用，使后視鏡后面產生的渦流發生了一定的變化。這里在后視鏡后方0.1 m且平行于XY平面的地方建立一個截面來觀測后視鏡處的渦流，如圖8所示(圖1已經建立了坐標軸)，可以看到車輪靜止和旋轉條件下，在后視鏡后方均產生上下兩個渦流，旋轉車輪使得上方渦流尺度變小，下面渦流尺度增大，并使下方渦流位置上移。

圖7　車身底部前輪附近的速度矢量圖

圖8　距離后視鏡后方0.1 m處速度矢量圖

圖9為靜止車輪和旋轉車輪對稱面尾部的速度矢量圖。車輪靜止時，來自前方的氣流順利經過車頂、擋風玻璃和行李艙蓋到達汽車尾部時氣流突然失去附著，產生氣流分離，在尾跡區產生了順時針和逆時針兩個渦流，并形成一定的壓差阻力。對于旋轉的車輪，它將氣流推向汽車的尾部和側面，最后導致尾跡區渦流的位置和形態發生變化。尾部上方產生了一個較大的拖曳渦，它是由頂蓋和后窗上氣流翻卷形成。

圖9　車身對稱面尾部的速度矢量圖

3結論

(1)本文基于Fluent軟件得到了汽車的氣動力以及汽車外流場的速度矢量圖和壓力云圖等。

(2)本文創建的包含后視鏡、車輪及車門柱等特征的數值模型提高了計算精度，采用RNG湍流模型和Inflation近壁面網格方法成功捕捉到了車尾和后視鏡等處的湍流運動。

(3)通過對比車輪靜止和旋轉情況下的流場差異，可知旋轉車輪的存在對轎車外流場特性有很大的影響，不僅影響氣動力的大小，同時還影響車身底部輪罩處和轎車尾部附件以及后視鏡處的渦流形態和尺度。

參 考 文 獻：

[1]王福軍.計算流體動力學分析.北京：清華大學出版社,2004.

[2]熊可嘉,楊坤,王毅剛,等.轎車外流場及氣動噪聲的建模與仿真.汽車科技,2011(5):42-45.

[3]許志寶.汽車外流場 CFD 模擬.合肥工業大學學報:自然科學版,2007,30(12):162-164.

[4]趙婧.汽車風洞地面效應的數值仿真研究.長春:吉林大學,2011.

[5]甄華翔.轉動車輪對轎車外流場影響的數值模擬.大連:大連理工大學,2007.

[6]林鐵平.汽車流場DES模擬研究.長沙:湖南大學,2010.

[7]安震,李旭,李居莉,等.某轎車外流場數值模擬與分析.農業裝備與車輛工程,2012,50(12):48-52.

[8]王東,章辰益,李理光,等.敞篷車與硬頂車流場特性的CFD對比研究.汽車工程,2015,37(1):78-82,106.

[9]饒紫微,喬維高,楊松,等.某車型外流場特性的數值仿真研究.武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2014,38(2):450-453.

[10]顧文領,崔俊杰.基于Fluent的汽車外流場特性研究.農業裝備與車輛工程,2014,52(3):55-57,65.

[11]董立偉,谷正氣,劉水長,等.網格劃分對汽車外流場數值計算影響的研究.汽車科技,2012(1):12-15.

[12]夏超,單希壯,楊志剛,等.不同湍流模型在列車外流場計算中的比較.同濟大學學報:自然科學版,2014,42(11):1687-1693.

Analysis of Automobile External Flow Field With the Influence of

Rotating Vehicle Wheel Based on Fluent

TANYanwei,ZHANGZhonghua,LIUQiusheng

(School of Automobile and Transportation, Xihua University, Chengdu 610039, China)

Abstract:On the basis of a certain type of car, the external flow field model including rearview mirror, wheels and body modeling is established, and the outflow field of wheels under the condition of static and spinning is numerically simulated, compared and analyzed by Fluent software. The simulation results show that the rotating wheels affect the aerodynamic drag and the aerodynamic lift of the whole automobile, at the same time, the rotating wheels also have a great influence on the bottom of the body, stern and the eddy current form and scale at rearview mirror. Therefore, the rotating wheels have an important influence on the analysis of vehicle outflow field, which should not be neglected.

Key words: rotating wheel; CFD; outflow field