輪拱罩充滿率對整車氣動特性的影響

余霄雁， 賈 青， 楊志剛，2

(1. 同濟大學 地面交通工具風洞中心，上海 201804；2. 中國商飛 北京民用飛機技術研究中心，北京 102211)

隨著環境問題的越發嚴重，汽車的節能性和環保性越來越受到廠商和消費者的重視.減小汽車所受空氣阻力是減少汽車能耗和排放的重要手段.20世紀90年代，Mercker等[1]和Wickern等[2]指出，對于一輛現代小型汽車，車輪和輪投罩所受空氣阻力約占總空氣阻力的30%，這還不包括車輪和輪拱罩對其他部分的空氣動力學影響.因此，車輪空氣動力學研究對整車減阻有著重要的意義.

20世紀早期，Morelli[3]和Fackrell等[4-5]通過風洞試驗進行了車輪空氣動力學研究，但由于試驗技術的限制，研究存在著較大的局限性.近年來，隨著電腦技術的進步，計算流體力學(CFD)方法得到了快速發展.CFD方法可以克服試驗條件限制，減少人力物力成本，因此基于CFD方法的旋轉車輪數值仿真研究得到發展.近年來，針對旋轉車輪氣動性能機理的研究仍然是一個很重要的課題[6-12].

在車輪與整車的空氣動力學影響研究中，輪拱罩的影響是一個非常重要的部分.Cogotti[13]采用風洞試驗法研究了帶有輪拱罩的車輪的氣動特性，研究對象為只有2個車輪的簡化車型，結果表明輪拱罩的體積越小，升阻力越小.Fabijanic[14]通過風洞試驗采用類似的二輪模型進行了針對輪拱罩深度、直徑和車輪直徑等參數的研究，但結果與Cogotti的結果有所矛盾.Soederblom等[15]利用CFD方法研究了重型車輛不同輪拱罩參數對整車氣動性能的影響，并得到了和Cogotti類似的結論.Regert等[16]則對輪拱罩中的渦結構進行了研究，發現了多處不同的非定常渦結構，該研究使用的模型仍然為Fabijanic所使用的二輪模型.

雖然已有一些研究車輪與輪拱罩的文獻，但采用的模型基本都是二輪模型，與真實的四輪車輛之間存在較大差別.本文將使用某型量產轎車模型，通過改變輪拱罩直徑的方式，改變車輪在輪拱罩中的充滿程度，研究不同充滿率下旋轉車輪對整車流場的影響，并分析其機理.

1 計算設置

1.1 幾何和網格

本文所選擇的車型為小型三箱轎車，車長4.32 m，車寬1.66 m，車高1.15 m，正面投影面積1.82 m2.為簡化計算，該模型省去了前端進氣模板以及雨刷器、后視鏡等凸起物，下車身也用平板代替原有的部件.車輪為五輻車輪，帶有剎車盤且輪轂不封閉；輪胎參數為235/40 R17，沒有胎紋，車身離地間隙為200 mm.在車輪接地處使用了一個小臺階以避免該處出現低質量網格.為了便于描述，定義車輪直徑為D0，輪拱罩直徑為D′，測量可得該車型D0=622 mm，D′=718 mm.由于汽車的表面形狀比較復雜，因此車身和車輪面網格均選擇三角形網格，體網格則采用混合網格.在近壁面生成邊界層網格，車身附近區域使用四面體網格，在其他大部分區域使用結構化六面體網格，這可以在獲得較高質量網格的同時減小網格數量，從而減小計算資源的消耗.幾何模型和計算網格如圖1所示.

a 輪拱罩不同的整車和車輪模型

b 車輪近地區體網格圖1 幾何模型和計算網格Fig.1 Geometries and meshes

為避免邊界干擾，將阻塞比控制到5%以下[8]，設置計算域總長60 m，寬12 m，高10 m.此時阻塞比為1.52%，基本可以避免由于阻塞效應產生的誤差[10，15].整個計算域如圖2所示.

圖2 計算域Fig.2 Whole computational domain

1.2 計算模型

本文中所有CFD計算均采用Fluent 16軟件，根據以往研究結果[17]，采用定常雷諾平均N-S(RANS)方程配合Realizablek-ε湍流模型進行求解，該湍流模型對氣流旋轉和大尺度分離有較好的預測結果[18].壁面函數選擇非平衡壁面，該壁面函數對表面壓力分布的近似擬合較為理想[16].

1.3 邊界條件

計算域的入口設置為速度入口，速度大小為30 m·s-1，模擬汽車高速行駛工況.此時車輪雷諾數為1.26×106，符合Cogotti[13]提出的車輪雷諾數要求.出口設置為壓力出口，參考壓力為零.車身設置為靜止壁面，車輪均設置為旋轉壁面，并且車輪最外緣的線速度與來流速度一致.地面設置為移動地面，速度大小為來流速度.其余壁面均設置為對稱邊界，以避免壁面干擾.

1.4 網格無關性

為消除由于網格數量不足導致的數值誤差，有必要通過加密網格的方法進行網格無關性研究.通過改變體網格增長率進行網格加密，得到5個網格數量不同的算例，并通過評價它們的氣動阻力系數CD和氣動升力系數CL在不同網格數時的變化以驗證網格無關性.5個算例的CD和CL計算結果如表1所示.

表1 網格無關性驗證Tab.1 Grid independence validation

由表1可知，當體網格增長率小到1.10，總網格數達到約1 900萬時，CD和CL的值基本不變，滿足網格無關性要求.因此，本文所有算例的體網格增長率都將采用1.10，所有算例的網格數都控制在1 900萬左右.

2 結果與討論

2.1 氣動力

為描述車輪在輪拱罩中的充滿程度，定義充滿率n=D0/D′，本文在不改變車輪和離地高度的前提下，通過修改車身的幾何和網格來改變輪拱罩的直徑，從而改變輪拱罩的充滿率，然后分析充滿率對整車氣動阻力系數CD和氣動升力系數CL的影響.

本文中共進行2組仿真.第1組的車輪直徑定義為D1,且D1=0.90D0=559.8 mm；第2組的車輪直徑定義為D2，D2=1.00D0=622.0 mm.每一組共有7個算例，對應7個不同的輪拱罩直徑，同時保證2組算例中的充滿率是一一對應的.選定的充滿率和對應的輪拱罩直徑如表2所示.需要說明的是，常見轎車的輪拱罩充滿率約為75%～85%，為了使差異更加明顯，本文中輪拱罩充滿率的變化范圍略有擴大.

表2 充滿率和對應的輪拱罩直徑Tab.2 Filling ratio and wheel housing diameter

2組仿真結果中CD或CL隨充滿率的變化如圖3所示，同時給出了Cogotti[13]和Fabijanic[14]的試驗結果進行對比.可以看出，隨著輪拱罩直徑上升，充滿率減小了0.260(約27.3%)，阻力系數增加了0.057(約19.5%)，升力系數下降了0.087(約28.8%).阻力的變化趨勢和Cogotti[13]的試驗結果一致，然而升力的變化趨勢則正好相反.升力系數趨勢的不符可能是因為車型和試驗參數的不同導致的.Cogotti[13]使用的是接近于水滴形的二輪車，和真實的四輪轎車有著顯著不同，同時地面是靜止的，這也和本文及實際情況不符.文獻[10]中指出，升力系數與車身下底面的流動狀態有著密切的關聯，并且對車身和車型的變化非常敏感.阻力系數和升力系數的結果表明，雖然模型不同，但是在充滿率減小時，整車阻力減小的趨勢是一致的；升力的變化則與車型和試驗參數密切相關，無法得到一個確定的變化趨勢，因此在進行整車氣動升力研究時，應使用精度更高的仿真或試驗手段.

a 阻力系數CD

b 升力系數CL圖3 氣動力系數變化Fig.3 Variation in drag and lift coefficients

從圖3可以看到，前后輪區域的阻力均隨充滿率減小而增加，前輪的阻力增量比后輪更大.前后輪區域的升力變化不大，表明整車的升力變化基本都來自于車身.因此，對于阻力變化的討論需要同時考慮車身和車輪的影響，而對升力變化的討論則應主要集中于車身上.

2.2 表面壓力

氣動力系數的變化直接歸因于表面壓力系數的變化，因此有必要通過研究車身表面壓力來分析氣動力變化的機理.為了簡化工作，下文只選擇了第2組計算中的編號為1、3、5、7的4個算例(算例1～4)進行對比分析.圖4a、c分別顯示了車身中心線表面壓力系數分布.為使差異更明顯，將上下表面中壓力差值較大的區域適度放大，如圖4b、d所示.從圖4可以看到：除背部壓力略有下降外，車身上表面壓力系數幾乎不隨充滿率下降而變化；下表面壓力系數則隨著充滿率下降而明顯減小，尤其是在前輪區域.背部壓力的下降及下表面壓力的減小與阻力和升力的變化是一致的，但為了解釋表面壓力變化的原因，仍然需要進一步對流場進行分析.

2.3 流場分析與討論

為解釋輪拱罩充滿率對整車流場的影響機理，有必要對整車周圍流場進行分析.圖5為左后輪附近車身表面油流圖.從圖5可以很清楚地看到，輪拱罩直徑的增加會使輪拱罩內出現原本難以觀察到的渦(見圖5中①)，并且這個渦在輪拱罩直徑增加時有明顯增大，這與Regert等[16]的結果一致.另外，隨著輪拱罩直徑的增加，輪腔后部、車身側壁上的一對渦(見圖5中②)的尺度也有所增大.這說明充滿率變化會影響輪拱罩周圍的流場，而且這種影響從輪拱罩開始，隨后向下游發展，從而改變車身尾流流場.這種影響表現在渦上，則是改變渦的位置、數量和大小等，而正是渦的改變導致了整車表面壓力的變化，最終導致阻力系數和升力系數的變化.

a 上表面

b 上表面(背部附近)

c 下表面

d 下表面(前輪附近)圖4 車身中心線表面壓力系數分布Fig.4 Surface pressure coefficient distribution on the body center line

算例1算例2算例3算例4

圖5左后輪附近車身表面油流圖

Fig.5Wallshearstreamlinesneartheleftrearwheel

圖6顯示了平面z=0.5 m處的湍動能.當充滿率下降時，各車輪區域的湍動能明顯上升，說明車輪區域的渦強度也有所加強，這與車輪阻力上升的結果是吻合的.同時，在車輪區域外，尾渦的湍動能也有所增強，這與圖5的結果是一致的.通過進一步的觀察可以看出，前輪拱罩附近的湍動能很強，并且能向車尾方向拖動較長的距離，這意味著前輪拱罩不僅自身的渦強度很大，還會增強后輪拱罩和尾渦的強度；后輪拱罩中的湍動能雖然相比于前輪拱罩湍動能較低，但是后輪拱罩高湍動能的氣流會增強側壁渦(見圖5②)，并通過側壁進入尾渦，使尾渦強度上升.

算例1算例3算例5算例7

圖6z=0.5m平面湍動能

Fig.6Turbulentkineticenergycontoursontheplanez=0.5m

除湍動能外，使用渦量Q判據也可以顯示渦的大小和強度[16].圖7是右前輪和右后輪附近的Q等值面(Q=100 s-2).從圖7可以看出，各車輪區域渦強度的上升更加明顯，后輪渦在增強的同時，會沿著車身向后延伸，從而增強車背側面渦的強度以及尾渦的強度，這也進一步證明了圖5和圖6的結果.

算例1算例2算例3算例4

a 右前輪

b 右后輪

圖7Q等值面(Q=100s-2)

Fig.7Iso-surfaceofQ(Q=100s-2)

圖8顯示了車輪和輪拱罩附近的速度流線.隨著充滿率減小，進入輪拱罩的來流增加，大部分氣流在車輪的下部被阻塞并改變方向.一部分氣流從外側經過輪胎，但仍有相當一部分向上并進入輪拱罩.輪拱罩內的氣流在腔體內的不同位置分離，其中兩處比較明顯：一是在靠近輪拱罩前緣的位置產生的分離渦(見圖8①)，這處分離會對腔內氣流的渦量有一定的加強；二是車輪上后部的分離渦以及在車輪的頂部形成的分離渦(見圖8②)，該處的分離類似于在孤立車輪頂部的分離.這意味著如果輪拱罩直徑足夠大，被車輪外殼抑制的孤立車輪特征將重新出現.以這兩處為代表的輪拱罩內分離會使進入輪拱罩的氣流產生更多的渦，從而導致渦量增強，這和圖7的結果是吻合的.

從圖8還可以看到，當充滿率較小時，更多高湍動能氣流會從后輪殼體進入尾流區和基區.這也與尾流區的較高渦量(見圖7)以及背壓力的變化一致.

綜合以上分析，可以得到充滿率變化對整車氣動阻力的影響機理.當輪拱罩直徑變大，充滿率變小時，更多的氣流進入輪拱罩內.罩內區域的流動受到輪拱罩和旋轉車輪的干擾，并產生以輪拱罩前緣內側和車輪上后部為代表的眾多分離.這些分離隨著輪拱罩內流量的增加而變強，從而渦的強度增加，湍動能和渦量均上升，前輪區域的上升比后輪更劇烈.車輪周圍湍動能的增加是車輪阻力增加的主要原因，因此這可以解釋車輪阻力隨充滿率減小而上升，并且前輪阻力的增加大于后輪的原因.

算例1算例2算例3算例4

a 前輪

b 后輪

圖8車輪附近流線

Fig.8Velocitystreamlinesaroundwheels

與此同時，帶有強大渦量的氣流不僅會作用于輪拱罩內，還會從輪拱罩(尤其是后輪拱罩)延伸到車身背部區域，從而增強尾渦.尾渦的增強則會導致背部壓力減小，最終使得車身阻力增加.車輪和車身兩部分阻力的同時增強，最終引起了總阻力的增加.

除了氣動阻力系數，也有必要分析不同充滿率使氣動升力系數產生變化的原因.從圖3可以看出，升力的變化主要來自車身，同時從圖4又可以看到，在充滿率下降時，整車升力系數減小的原因基本來自于下車身壓力的減小，因此有必要分析車身下部的氣流流動情況.圖9是平面z=0.15 m處的速度等值面(該平面位于下車身下部)，僅顯示算例4減去算例1所得差值的正值部分(即算例4中速度比算例1中大的部分).從圖9可以看到，在充滿率下降時，前后車輪后方的氣流流速都明顯加快.同時，車底氣流的流速也略有上升.下車身氣流速度加快導致車身下表面壓力的減小，最終引起氣動升力的減小，這和圖3中升力變化結果也是吻合的.這部分的高速流很可能來自于氣流與旋轉車輪的相互作用.由于更多的氣流進入了輪拱罩，導致更多的氣流被旋轉車輪所加速，其中一部分從輪拱罩下側流出，并進入車身底部區域，因此車身底部流動速度也更快，下表面壓力則有所降低.然而，該現象未在Cogotti[13]的研究中發現的原因尚不清楚，可能與下車身的結構有關，有待進一步的探索.

圖9 z=0.15 m平面速度差值云圖Fig.9 Velocity difference contours on the plane z=0.15 m

3 結論

(1) 當輪拱罩直徑增大(充滿率減小)時，整車氣動阻力系數增大，整車氣動升力系數有所減小.整車阻力系數的增加來自于車身和車輪兩部分，升力系數的減小則基本僅有車身的貢獻.

(2) 隨著充滿率的減小，車身背部壓力有所降低，導致車身阻力系數增大；車身底部表面壓力下降，導致車身升力系數減小.這是車身氣動力變化的直接原因.

(3) 充滿率減小時，更多的氣流進入輪拱罩內.由于旋轉車輪和輪拱罩的阻塞作用，輪拱罩內的分離現象加劇，這增強了輪拱罩內的渦量，產生了車輪區域的阻力.

(4) 由于受到輪拱罩的干擾，經過車輪的氣流渦量有所增強，后輪拱罩的干擾尤為明顯，使后輪氣流湍動能增加的同時沿車身側面延伸，進入尾流中，導致尾渦增強，這是背壓降低的主要原因.

(5) 當充滿率減小時，輪拱罩內的高速氣流流量增加.高速氣流通過輪拱罩進入車身底部區域，導致車身底部附近的速度增加，合理解釋了表面壓力系數減小的原因.