汽车轮肩与轮毂之间气动性能耦合关系分析

2018-07-12付宇

汽车工程师 2018年4期

付宇

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

汽车行驶过程中随着车速的提升，气动阻力占总阻力的比值逐渐增大。当汽车以80 km/h的速度行驶时，其中60%的功率是用来克服气动阻力，因此，减小气动阻力是降低动力损耗、节约能源及降低用户使用成本的根本途径。而车轮作为汽车的主要运动部件，在气动阻力方面的影响较大[1]，研究表明，车轮及轮毂占气动阻力的30%。以往对于汽车车轮的研究，仅限于简单形状的模型，然而，选装车轮的外流场情况复杂，外形几何特征的细微变化会对整个流场有很大的影响[2]。因此，文章基于流体力学的分析方法，通过不同几何特征的车轮对流场变化的影响趋势，分析出轮胎的轮肩与轮毂之间存在较强的耦合关系，对改善汽车三维分离流动特性、降低车轮阻力及提高汽车空气动力学性能有重要意义[3]。

1　数值仿真计算

1.1　几何模型的建立

利用STAR-CCM+软件对汽车模型进行仿真分析，为提高计算结果精度，选取整车全细节几何模型，模型中包括车身外表面、机舱中的全部部件及底板中的全部部件。由于整车外流场仿真计算的区域为整车最外层表面以外的区域，因此乘员舱内的部件模型无需建立。整车几何模型，如图1所示。

图1　整车全细节几何模型图

1.2　仿真方案的选定

为深入研究轮肩曲率与轮毂之间的耦合关系，明确不同轮肩曲率下轮毂开闭及结构变化给气动阻力带来影响程度的规律。文章根据表1所示的汽车车轮轮肩曲率与轮毂状态单项方案状态，共设计出8个组合方案，如表2所示。其中每个组合方案都是由轮肩曲率与轮毂开闭或轮毂结构的不同方案状态组合而成。

表1　汽车车轮轮肩曲率与轮毂状态单项方案表

表2　汽车车轮轮肩曲率与轮毂状态组合方案表

1.3　网格划分及边界条件设置

应用STAR-CCM+中的包面及网格重构技术，对模型进行搭接及网格重构处理，使其生成封闭腔体的面网格。建立风洞计算域模型，如图2所示。

图2　风洞计算域模型图

在车体外表面与风洞边界之间生成体网格，体网格选用Trimmer网格，机舱及底板部件边界层网格为2层，首层厚度为0.5 mm，边界层总厚度为1 mm[4]。由于车身外表面气流流速较高，车身表面附近的气流速度梯度较大，因此设置5层边界层，边界层首层厚度为0.005 mm，边界层总厚度为1 mm，体网格数约为1800万个。

1.4　模型边界条件及介质属性设置

风洞入口边界类型为VelocityInlet（速度入口），速度为100 km/h，出口边界类型为pressure outlet（压力出口），压力为0，车轮转速为100 km/h，地面速度为100 km/h，空气体积质量为1.184 15 kg/m3。为准确模拟汽车行驶过程中气流与地面之间无相对速度关系，地面无速度剪切，特将车身前方地面设置为滑移壁面，其他壁面边界类型为wall[5]。该计算模型考虑地面运动、车轮转动、换热器（散热器、冷凝器）的阻尼特性及风扇转动对整车外气动性能的影响。物理模型采用Realizable k-ε湍流，三维稳态模型。

2　数值仿真结果及分析

通过稳态仿真计算得到上述8个组合方案的计算结果，下面分别对不同轮肩曲率下的轮毂开闭及轮毂结构方案仿真计算结果进行分析。

2.1　不同轮肩曲率下轮毂开闭与气动阻力之间的关系

方案1～4为对比不同轮肩曲率下轮毂开闭与气动阻力之间关系的方案，这4个方案的车轮附近气流分布状况，如图3所示。

图3　组合方案1～4的汽车车轮附近气流分布云图

从图3可以看出，与曲率大的轮肩相比，曲率小的轮肩其分离点较为靠前，即在轮毂之前，气流已经分离。因此，轮毂是否封闭，对气流分离影响不大，分离点位置无明显变化。相反，曲率大的轮肩封闭轮毂后，分离点明显后移。

为进一步量化对比不同方案，表3统计出各个方案的风阻系数变化量。以轮肩曲率大且轮毂打开的方案3为基准参考方案，考察各方案的风阻系数值，仍然能够得到上述规律。从图3a与图3b及图3c与图3d的对比可以看出，轮肩曲率大的车轮，气流分离点靠后。从图3a与图3c的对比可以看出，封闭轮毂后，分离点继续向后移动90 mm，气流贴体性更好，风阻系数（Cd）下降了0.02。从图3b与图3d对比可知，轮肩曲率小的车轮，气流分离点靠前，即在轮肩位置气流已经分离，轮毂开闭对分离点位置影响较小，Cd变化略小，只下降了0.009。因此，轮肩曲率大的车轮对轮毂开闭敏感性更强。

表3　组合方案1～4风阻系数变化量统计表

2.2　不同轮肩曲率下轮毂造型结构与气动阻力之间的关系

方案5～8为对比不同轮肩曲率下轮毂造型结构与气动阻力之间关系的方案，Cd变化量计算结果，如表4所示，车轮附近气流分布状况，如图4所示。

表4　组合方案5～8风阻系数变化量统计表

图4　组合方案5～8的汽车车轮附近气流分布云图

为明确轮毂造型改变所带来的流场改变，以轮肩曲率大、轮毂结构突出且开口面积大的方案7为基准参考方案，考察各方案的风阻系数。由表3可知，方案8的Cd较方案7下降了0.006，方案6较方案5 Cd下降了0.004。这主要是由于添加平整、开口面积小的轮毂后，高速气流更加贴体，致使整车Cd均有所下降。从图4a与图4b对比可知，轮肩曲率大的车轮，分离点位置靠后，添加平整、开口面积小的轮毂后，Cd下降了0.006，效果明显。而轮肩曲率小的车轮，分离点较为靠前，添加平整、开口面积小的轮毂后，Cd只下降了0.004，说明轮肩曲率大的车轮对轮毂结构的敏感性更强。