汽車輪肩與輪轂之間氣動性能耦合關系分析

付宇

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

汽車行駛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。當汽車以80 km/h的速度行駛時，其中60%的功率是用來克服氣動阻力，因此，減小氣動阻力是降低動力損耗、節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，車輪及輪轂占氣動阻力的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雜，外形幾何特征的細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，分析出輪胎的輪肩與輪轂之間存在較強的耦合關系，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性能有重要意義[3]。

1　數值仿真計算

1.1　幾何模型的建立

利用STAR-CCM+軟件對汽車模型進行仿真分析，為提高計算結果精度，選取整車全細節幾何模型，模型中包括車身外表面、機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域為整車最外層表面以外的區域，因此乘員艙內的部件模型無需建立。整車幾何模型，如圖1所示。

圖1　整車全細節幾何模型圖

1.2　仿真方案的選定

為深入研究輪肩曲率與輪轂之間的耦合關系，明確不同輪肩曲率下輪轂開閉及結構變化給氣動阻力帶來影響程度的規律。文章根據表1所示的汽車車輪輪肩曲率與輪轂狀態單項方案狀態，共設計出8個組合方案，如表2所示。其中每個組合方案都是由輪肩曲率與輪轂開閉或輪轂結構的不同方案狀態組合而成。

表1　汽車車輪輪肩曲率與輪轂狀態單項方案表

表2　汽車車輪輪肩曲率與輪轂狀態組合方案表

1.3　網格劃分及邊界條件設置

應用STAR-CCM+中的包面及網格重構技術，對模型進行搭接及網格重構處理，使其生成封閉腔體的面網格。建立風洞計算域模型，如圖2所示。

圖2　風洞計算域模型圖

在車體外表面與風洞邊界之間生成體網格，體網格選用Trimmer網格，機艙及底板部件邊界層網格為2層，首層厚度為0.5 mm，邊界層總厚度為1 mm[4]。由于車身外表面氣流流速較高，車身表面附近的氣流速度梯度較大，因此設置5層邊界層，邊界層首層厚度為0.005 mm，邊界層總厚度為1 mm，體網格數約為1800萬個。

1.4　模型邊界條件及介質屬性設置

風洞入口邊界類型為VelocityInlet（速度入口），速度為100 km/h，出口邊界類型為pressure outlet（壓力出口），壓力為0，車輪轉速為100 km/h，地面速度為100 km/h，空氣體積質量為1.184 15 kg/m3。為準確模擬汽車行駛過程中氣流與地面之間無相對速度關系，地面無速度剪切，特將車身前方地面設置為滑移壁面，其他壁面邊界類型為wall[5]。該計算模型考慮地面運動、車輪轉動、換熱器（散熱器、冷凝器）的阻尼特性及風扇轉動對整車外氣動性能的影響。物理模型采用Realizable k-ε湍流，三維穩態模型。

2　數值仿真結果及分析

通過穩態仿真計算得到上述8個組合方案的計算結果，下面分別對不同輪肩曲率下的輪轂開閉及輪轂結構方案仿真計算結果進行分析。

2.1　不同輪肩曲率下輪轂開閉與氣動阻力之間的關系

方案1～4為對比不同輪肩曲率下輪轂開閉與氣動阻力之間關系的方案，這4個方案的車輪附近氣流分布狀況，如圖3所示。

圖3　組合方案1～4的汽車車輪附近氣流分布云圖

從圖3可以看出，與曲率大的輪肩相比，曲率小的輪肩其分離點較為靠前，即在輪轂之前，氣流已經分離。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，曲率大的輪肩封閉輪轂后，分離點明顯后移。

為進一步量化對比不同方案，表3統計出各個方案的風阻系數變化量。以輪肩曲率大且輪轂打開的方案3為基準參考方案，考察各方案的風阻系數值，仍然能夠得到上述規律。從圖3a與圖3b及圖3c與圖3d的對比可以看出，輪肩曲率大的車輪，氣流分離點靠后。從圖3a與圖3c的對比可以看出，封閉輪轂后，分離點繼續向后移動90 mm，氣流貼體性更好，風阻系數（Cd）下降了0.02。從圖3b與圖3d對比可知，輪肩曲率小的車輪，氣流分離點靠前，即在輪肩位置氣流已經分離，輪轂開閉對分離點位置影響較小，Cd變化略小，只下降了0.009。因此，輪肩曲率大的車輪對輪轂開閉敏感性更強。

表3　組合方案1～4風阻系數變化量統計表

2.2　不同輪肩曲率下輪轂造型結構與氣動阻力之間的關系

方案5～8為對比不同輪肩曲率下輪轂造型結構與氣動阻力之間關系的方案，Cd變化量計算結果，如表4所示，車輪附近氣流分布狀況，如圖4所示。

表4　組合方案5～8風阻系數變化量統計表

圖4　組合方案5～8的汽車車輪附近氣流分布云圖

為明確輪轂造型改變所帶來的流場改變，以輪肩曲率大、輪轂結構突出且開口面積大的方案7為基準參考方案，考察各方案的風阻系數。由表3可知，方案8的Cd較方案7下降了0.006，方案6較方案5 Cd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Cd均有所下降。從圖4a與圖4b對比可知，輪肩曲率大的車輪，分離點位置靠后，添加平整、開口面積小的輪轂后，Cd下降了0.006，效果明顯。而輪肩曲率小的車輪，分離點較為靠前，添加平整、開口面積小的輪轂后，Cd只下降了0.004，說明輪肩曲率大的車輪對輪轂結構的敏感性更強。

3　結論

文章以汽車詳細模型為基礎，運用計算流體力學的方法對不同輪肩曲率、輪轂開閉及結構方案進行計算，對比分析得到如下結論：

1）車輪輪轂開閉狀態及程度不同直接影響氣動阻力系數，在不同曲率輪肩的耦合作用下，其影響程度也不同；

2）大曲率輪肩氣流分離點較為靠后，輪轂的開閉及造型狀態對氣動阻力敏感性較強，因此，大曲率輪肩的車輪，在進行輪轂設計時，更要關注輪轂開閉和造型對氣動阻力的影響。