基于Fluent外流場的乘用車車輪罩的仿真分析與設(shè)計(jì)

項(xiàng)澤遠(yuǎn) 韋 鋒 昂亞琴

(江蘇大學(xué) 京江學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 前言

隨著生活水平的提高，汽車改裝也逐漸進(jìn)入人們的視野，車輪罩物美價(jià)廉，在改裝市場具有很大的潛力。

人們對(duì)車輪罩的研究有一定的歷史基礎(chǔ)，如馬自達(dá)787B勒芒賽車和豐田的第1代普銳斯(prius)混合動(dòng)力汽車的車輪和車輪罩設(shè)計(jì)，都體現(xiàn)了對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)性能的追求，也反映出具有良好空氣動(dòng)力學(xué)性能的車輪加入了設(shè)計(jì)理念，如封閉式、寬輻條式等。新能源汽車的發(fā)展及對(duì)其續(xù)航水平的要求促進(jìn)了對(duì)車輪罩的研究。目前，對(duì)車輪罩的研究致力于挖掘細(xì)節(jié)特征的減阻潛力，比如車輪開口面積、輪輻曲率、輪輻偏移距、輪緣圓角等。

但車輪罩作為車輛的外飾件，其設(shè)計(jì)特征與車輪輪輻面不同，對(duì)輪輻特征的研究結(jié)論對(duì)車輪罩設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義有局限性，因此本文將針對(duì)車輪罩的設(shè)計(jì)特征，研究其開槽的細(xì)節(jié)。

本文用標(biāo)準(zhǔn)Mira模型作為車身，其車輪半徑為305 mm，寬度為170 mm。參考《乘用車輪輞規(guī)格系列》(GB/T 3487—2015)，選取接近標(biāo)準(zhǔn)MIRA車輪模型尺寸的輪轂與輪胎搭配，最終選用規(guī)格17×7.5 J偏距 (ET)45 mm，孔距(PCD)5×114.3 mm，中心孔C/B 64.1 mm的車輪配225/50 R 17的輪胎。查閱《轎車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》(GB/T 2978—2014)標(biāo)準(zhǔn)，得到新胎斷面寬度為233 mm，根據(jù)名義高寬比50，得到輪胎斷面高度為116.5 mm，取其滾動(dòng)半徑為320 mm。

1 仿真模型

1.1 幾何模型的預(yù)處理

本文旨在研究車輪罩對(duì)整車外流場的優(yōu)化，因此為了簡化問題、提高分析效率，忽略了立柱、懸架、制動(dòng)盤輪胎花紋等部分的細(xì)節(jié)特征。

在外流場分析中，可將車輪罩與輪轂的組合視為整體，因此關(guān)于輪輻設(shè)計(jì)特征參數(shù)的研究及其相關(guān)結(jié)論在本文研究中同樣適用。由蘇暢等的研究可知，輪輻與胎面的偏距為10 mm時(shí)，減阻效果最為理想且開孔面積越小越好。但考慮到美觀及制動(dòng)盤的散熱需求，車輪罩應(yīng)設(shè)計(jì)有開槽。針對(duì)車輪罩的開槽角度對(duì)整車空氣阻力的影響進(jìn)行分析。具體設(shè)計(jì)為：5個(gè)周向開槽均勻分布，分別偏離直徑所在直線的0°、5°、10°和15°，依次命名為“0 deg”、“5 deg”、“10 deg”和“15 deg”。為了模擬實(shí)際工況下輪胎的變形，且避免車輪與地面相切處的銳角造成低質(zhì)量網(wǎng)格，在輪胎與地面接觸處，增加了小凸臺(tái)。車輪樣式如圖1所示。

圖1 待研究車輪樣式

1.2 計(jì)算域及網(wǎng)格生成策略

計(jì)算域是外流場分析對(duì)象所處的環(huán)境，計(jì)算域的大小直接影響仿真的精度和效率。為了不影響仿真精度，計(jì)算域的阻塞比小于1%。本文的計(jì)算域高度取7倍車高，為9 947 mm；計(jì)算域的寬度取13倍車寬，為21 125 mm；計(jì)算域的長度取13倍車長，為54 145 mm。幾何模型在計(jì)算域的位置橫向居中，縱向取車頭前端面距離計(jì)算域入口4倍車長的距離，為17 195 mm。

網(wǎng)格質(zhì)量是影響外流場數(shù)值分析精確度與效率的重要因素，多數(shù)情況下，網(wǎng)格質(zhì)量在分析及設(shè)計(jì)中受限于計(jì)算資源，應(yīng)盡量將有限的計(jì)算資源分配給需要關(guān)注的區(qū)域，針對(duì)變化不大或者關(guān)注度小的區(qū)域，視情況減小網(wǎng)格密度。本文研究乘用車在工況下的外流場，分析目標(biāo)是車輪罩，因此需要特別關(guān)注整車周圍，尤其是車輪附近的流場，應(yīng)加密網(wǎng)格。因大部分計(jì)算域是為了滿足阻塞比要求而設(shè)置的，其物理量變化較小，可以減小網(wǎng)格密度。

綜合計(jì)算效率及本文所有的計(jì)算資源，經(jīng)過反復(fù)嘗試和驗(yàn)證后，最終使用的網(wǎng)格策略如下：整車表面覆蓋三角形及四邊形面網(wǎng)格；計(jì)算域邊界表面用三角形面網(wǎng)格；其余的計(jì)算域用四面體網(wǎng)格，在整車周圍建立1個(gè)加密區(qū)。計(jì)算域網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格

在網(wǎng)格劃分時(shí)，將車輛同軸旋轉(zhuǎn)的前輪和后輪分別關(guān)聯(lián)為2個(gè)部分，不僅有利于后期設(shè)置求解器邊界條件，還能有效提高求解器的收斂速度，否則容易出現(xiàn)殘差和關(guān)注參數(shù)的振蕩現(xiàn)象。

針對(duì)車輛可能產(chǎn)生流動(dòng)分離的區(qū)域，如A柱、C柱、前風(fēng)擋、輪拱、車尾等，應(yīng)加大相關(guān)面密度或線密度，最后得到的網(wǎng)格數(shù)為900萬，網(wǎng)格質(zhì)量基本滿足分析要求。整車表面網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 整車表面網(wǎng)格

2 數(shù)值仿真

2.1 物理模型

本文選用Fluent作為求解器，可提供豐富的黏性流體物理模型。對(duì)于乘用車來說，F(xiàn)luent可達(dá)到的速度及其特征長度的量綱數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流的臨界雷諾數(shù)，選用Standard-湍流模型，其邊界層網(wǎng)格數(shù)少，更有利于劃分網(wǎng)格及收斂求解器的求解結(jié)果。

2.2 邊界條件

邊界條件的設(shè)置要符合實(shí)際的物理場。為了突出輪輻開槽角度對(duì)整車氣動(dòng)阻力的影響，設(shè)置速度入口為120 km/h；地面為移動(dòng)地面，模擬乘用車與地面的相對(duì)移動(dòng)；使用Rotation方法設(shè)置速度時(shí)，規(guī)律明顯，輪邊界條件設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，經(jīng)計(jì)算可得角速度為107.7 rad/s；出口設(shè)置為壓力邊界，在車輛后方足夠遠(yuǎn)的流場已經(jīng)從擾動(dòng)中恢復(fù)，因此設(shè)置其表壓為0。

2.3 求解器及收斂判定

本文研究車輪罩開槽角度對(duì)整車氣動(dòng)阻力的影響，關(guān)注的參數(shù)是整車的空氣阻力系數(shù)與前輪的空氣阻力系數(shù)。因此在求解器迭代求解時(shí)，不僅要關(guān)注殘差曲線，更應(yīng)該關(guān)注整車及前輪的空氣阻力系數(shù)是否穩(wěn)定，當(dāng)前輪及整車的空氣阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)即可判定為收斂。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 結(jié)果比較

不同開槽角度的車輪的整車及前輪的空氣阻力系數(shù)()結(jié)果見表1。

表1 整車及前輪的空氣阻力系數(shù)

當(dāng)車輪罩開槽角度為0°～15°時(shí)，隨著偏離角度的增大，整車及前輪的空氣阻力呈先增后減的趨勢；開槽角度為5°時(shí)，整車的空氣阻力系數(shù)最小；開槽角度為10°時(shí)，前輪的空氣阻力系數(shù)小于開槽角度為5°時(shí)的阻力系數(shù)。說明較小的偏離角度對(duì)整車減阻有積極效果。

3.2 原因分析

為突出偏離角度帶來的影響，選擇開槽角度為0°和開槽角度為10°時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要從系數(shù)及氣流通過車體的軌跡線來比較不同研究對(duì)象的空氣動(dòng)力學(xué)性能。對(duì)車輪表面、車身附近流場及車尾的流場進(jìn)行仿真分析。車輪表面的氣流跡線如圖4和圖5所示。

圖4 0 deg車輪表面流場

圖5 10 deg車輪表面流場

由圖可知，對(duì)于0 deg開槽的車輪，氣流流經(jīng)車輪時(shí)，主要從車輛內(nèi)側(cè)向外溢出，幾乎沒有氣流從輪輻輔面流出。且由于受旋轉(zhuǎn)中車輪的擾動(dòng)，氣流在溢出車輪時(shí)出現(xiàn)上洗現(xiàn)象。對(duì)于10 deg開槽的車輪，有分部車輪內(nèi)的氣流從輪輻面外逸出來，且越靠近輪緣外逸越多，使氣流更加平順地通過車輪，能量損耗較小；且氣流上洗現(xiàn)象相對(duì)較弱，這說明氣流受車輪干擾影響較小，所消耗的車輪動(dòng)能更少。因此，相較于0 deg開槽的車輪， 10 deg開槽的車輪的前輪阻力系數(shù)更理想。

上洗現(xiàn)象的減弱有利于氣流通過前輪后的車身及相關(guān)附件，車輪附近流場的跡線如圖6和圖7所示。

圖6 0 deg車輪附近流場

圖7 10 deg車輪附近流場

由圖可知，對(duì)于0 deg開槽的車輪，因車輪擾動(dòng)而上洗的氣流在通過車身時(shí)，有一部分慢慢形成了渦流。對(duì)于10 deg開槽的車輪，不僅氣流的上洗現(xiàn)象減弱了，還有更多的氣流繞過車輪內(nèi)部，直接經(jīng)過車輪胎面，從輪輻面流出；使得氣流在通過前輪時(shí)更加平順，通過車身后更穩(wěn)定，幾乎未發(fā)展為渦流。因上洗現(xiàn)象減弱，大部分氣流可維持在較低的區(qū)域，不容易受車身附件及車底不平整零件的擾動(dòng)，進(jìn)一步減小了整車的空氣阻力。

從距后軸1.96 m與車身縱向垂直平面上的流場速度分布可以看出0 deg開槽設(shè)計(jì)所帶來的積極影響，如圖8和圖9所示。

圖8 車尾流場速度矢量分布(0 deg)

圖9 車尾流場速度矢量分布圖(15 deg)

由圖可知，在入口速度相同、具有相同初始動(dòng)能的氣流經(jīng)過同樣的距離，通過0 deg開槽的車輪時(shí)，氣流速度更快，保持了更大的動(dòng)能，說明氣流經(jīng)過車輛時(shí)，能量耗散更少，能夠更快地恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，整車的阻力系數(shù)更為理想。

4 車輪罩的設(shè)計(jì)

依據(jù)以上分析結(jié)論設(shè)計(jì)成品，選用周向5°開槽，開槽口的大小沿徑向往外遞增，且在靠近輪緣口處補(bǔ)償開槽口，如圖10所示。

圖10 補(bǔ)償?shù)拈_槽設(shè)計(jì)

為了保證車輪罩在車輛工作時(shí)穩(wěn)定地貼合輪輻面，將車輪罩背面設(shè)計(jì)為貼合或包絡(luò)輪輻的樣式，如圖11所示。車輪罩內(nèi)側(cè)外緣處用卡扣固定，輪轂處用螺母或者螺栓固定，如圖12所示，其中日系車多用螺母，歐系車多用螺栓。

圖11 車輪罩背面圖

圖12 輪轂中心罩安裝示意

為了提高用戶在安裝和拆卸的便利性，保證車輪罩在拆裝過程中不會(huì)破裂，上述固定方式的鎖緊力不宜過高。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮卡扣接觸面的外部形狀，保證在接觸過程中，接觸點(diǎn)的角度不改變或改變較小，使用戶在操作時(shí)施力均勻、穩(wěn)定，有良好的操作體驗(yàn)。

在車輪罩與車輪連接處設(shè)計(jì)1個(gè)輪轂中心蓋，覆蓋暴露在外的螺栓或螺母，保證車輪罩外表面的平滑，最終安裝效果如圖13所示。

圖13 輪轂中心罩安裝效果

5 結(jié)論

通過分析輪轂罩不同偏離角度開槽下車輪表面及整車的流場，得出以下結(jié)論。

(1)提高整車車身表面流線度是一種有效減少干擾阻力、提升整車空氣動(dòng)力學(xué)性能的思路。在整車空氣動(dòng)力學(xué)的細(xì)節(jié)特征優(yōu)化方向下，安裝車輪罩，整車阻力系數(shù)從0 deg的0.281 14提升至5 deg的0.270 80，提升近3.7%。

(2)當(dāng)氣流從車頭進(jìn)入，穿過前輪拱處時(shí)，有大量氣流在車輪內(nèi)部產(chǎn)生亂流，增加空氣阻力。因此要盡量減少涌入車輪內(nèi)部的氣流，使氣流平順地流出。

(3)越靠近輪緣，氣流從車輪內(nèi)部逸出的趨勢越強(qiáng)烈，因此離車輪罩外部近的地方，適當(dāng)增大開槽的面積，以開槽口偏離半徑的角度為5°時(shí)最佳。