汽車車輪擾流板減阻參數優化設計及分析

鐘根鵬+楊業豪+汪允浩

【摘 要】針對某轎車，采用數值仿真和近似計算的方法研究了車輪擾流板對于車輪處流場以及整車氣動阻力的影響。在原型數值研究基礎上加裝了兩種不同的車輪擾流板，進行了簡單的流場近似模擬并對比分析了3種方案在車輪處的流動特性及其整車氣動阻力。研究發現，在車輪前增加合適的車輪擾流板，可以有效減小車輪兩側氣流的分離及湍流現象，從而有助于降低整車氣動阻力，從而在一定程度上汽車高速行駛過程中減少了負壓，提高了汽車的動力性和經濟性。

【關鍵詞】汽車動力學；數值模擬；車輪擾流板

一、關于汽車流場和汽車空氣動力學簡介

汽車的外部流場使汽車受到力和力矩的作用，對汽車的動力性、經濟性和操縱穩定性產生極大影響。但直到不久前，汽車空氣動力學還只研究氣動力和力矩效應。但是通過流態分析，可以理解很重要的流動過程，如氣流在汽車車頂后緣發生分離，形成很大的一個滯區，以及車尾部分的氣流分離過程。

二、數值模擬理論簡介

目前的湍流數值模擬方法可以分為直接數值模擬方法和非直接數值模擬方法。直接數值模擬方法是指求解瞬時湍流控制方程，非直接數值模擬方法就是不直接計算湍流的脈動特性，而是設法對湍流做出某種程度上的近似和簡化處理。這些簡化處理可分為：大渦模擬、統計平均法和雷諾時均法。

數值模擬的實現就可以用到現在的許多計算流體力學軟件，本處即舉出CFD為例。

如圖是CFD求解方程的框圖。建立控制方程和確立初始條件及邊界條件對研究的物理模型進行分析，概括出合適的數學模型，并進行適當的數學選取。劃分網格，生成計算節點過程需要選定合適的方案，一般的流體問題都是采用有限體積法的離散格式。在離散的空間上建立了離散的代數方程組，并施加離散化的初始條件和邊界條件后，還需要給定流體的物理參數和湍流模型的經驗系數，此外，還要控制計算精度、輸出頻率等。通過數值方法求解方程，CFD提供了成熟的算法。

邊界條件是指在求解域的邊界上所求解的變量或其任意一階導數隨地點和時間的變化規律。只有給定了合理的邊界條件，才可能得到流場的解。在CFD模擬時，基本邊界條件包括流動入口邊界、流動出口邊界、壁面邊界、對稱邊界、周期性邊界。

湍流控制方程簡介：湍流流動是自然界常見的流動現象，在多數工程問題中流體的流動往往處于湍流狀態。湍流實驗表明，當雷諾數小于某臨界值時，流動是平滑的，相鄰的流體層之間彼此有著秩序地流動，這種運動叫做層流。當雷諾數大于某一個值時，出現一系列復雜的變化，流動處于混亂無序的狀態，這種運動叫做湍流。一般認為，無論湍流運動多么復雜，非穩態運動的連續性方程和納維斯托克斯方程對于湍流的瞬時運動還是適用的。使用笛卡爾坐標速度矢量在X、Y和Z方向的速度分量分別為u、v和w，湍流瞬時控制方程如下：

Div（u）=0

■+div（u*u）=-■■+div（grad u）

■+div（v*u）=-■■+div（grad v）

■+div（w*u）=-■■+div（grad w）

三、簡化車身模型

轎車后車體形狀直接影響汽車表面上氣流的流動狀態影響車后部的尾渦從而影響氣動阻力，此處選擇某種常見的轎車作為研究對象，并且忽略雨刷、后視鏡、門把手，水槽等一些復雜的結構，并且也對汽車的底盤做出了簡化。建立簡單的CAD模型。

如圖，原始的簡單CAD模型（選自吉林大學學報，車輪擾流板對轎車風阻的影響）

在數值仿真過程中，各邊界條件設置如下：計算域入口采用速度入口，設置氣流速度為28m/s，方向為X正向；出口為壓力出口，車身各個部件設定為固定壁面，計算域地面設定為移動壁面；方向為Z正向，速度為28m/s！以便消除地面效應。.

左圖是原始車輪前后流線圖 右圖是加裝車輪擾流板后車輪前后流線圖（選自吉林大學學報車輪擾流板對轎車風阻的影響，）

模擬結果分析

根據數值模擬結果，做出如下表格：

通過數值模擬方法得到結論，安裝車輪擾流板起到降低氣動阻力的作用，且車輪擾流板安裝在車輪前端的位置對整車的減阻效果要更明顯一點，整車Cd值的減少量方案一比方案二多0.43%；車輪處的阻力也大大減少。

分析減阻的原因，對比兩組車輪的壓力云圖（略），得知加入了車輪擾流板后車輪處的正壓力明顯減少。汽車向前行駛時，進入汽車底部的氣流會沖擊車輪，強烈的撞擊后會使車輪表面產生氣流分離，因此車輪正壓區的后側有很明顯的負壓區。車輪擾流板抵擋了一部分沖擊前輪的氣流，使這部分氣流減緩分散開來，進入輪腔的氣流會少一些，削弱了從側面進入的氣流與它形成渦流的趨勢，從而獲得減阻效果。

參考文獻：

[1]胡興軍，李騰飛，郭鵬，廖磊，王靖宇.車輪擾流板對轎車風阻的影響.吉林大學

[2]李冠群，胡興軍，廖磊，楊博.車輪擾流板外形參數的DOE設計于低風阻優化.吉林大學

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