基于Fluent外流场的乘用车车轮罩的仿真分析与设计

项泽远 韦 锋 昂亚琴

(江苏大学 京江学院，江苏 镇江 212013)

0 前言

随着生活水平的提高，汽车改装也逐渐进入人们的视野，车轮罩物美价廉，在改装市场具有很大的潜力。

人们对车轮罩的研究有一定的历史基础，如马自达787B勒芒赛车和丰田的第1代普锐斯(prius)混合动力汽车的车轮和车轮罩设计，都体现了对空气动力学性能的追求，也反映出具有良好空气动力学性能的车轮加入了设计理念，如封闭式、宽辐条式等。新能源汽车的发展及对其续航水平的要求促进了对车轮罩的研究。目前，对车轮罩的研究致力于挖掘细节特征的减阻潜力，比如车轮开口面积、轮辐曲率、轮辐偏移距、轮缘圆角等。

但车轮罩作为车辆的外饰件，其设计特征与车轮轮辐面不同，对轮辐特征的研究结论对车轮罩设计的指导意义有局限性，因此本文将针对车轮罩的设计特征，研究其开槽的细节。

本文用标准Mira模型作为车身，其车轮半径为305 mm，宽度为170 mm。参考《乘用车轮辋规格系列》(GB/T 3487—2015)，选取接近标准MIRA车轮模型尺寸的轮毂与轮胎搭配，最终选用规格17×7.5 J偏距 (ET)45 mm，孔距(PCD)5×114.3 mm，中心孔C/B 64.1 mm的车轮配225/50 R 17的轮胎。查阅《轿车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》(GB/T 2978—2014)标准，得到新胎断面宽度为233 mm，根据名义高宽比50，得到轮胎断面高度为116.5 mm，取其滚动半径为320 mm。

1 仿真模型

1.1 几何模型的预处理

本文旨在研究车轮罩对整车外流场的优化，因此为了简化问题、提高分析效率，忽略了立柱、悬架、制动盘轮胎花纹等部分的细节特征。

在外流场分析中，可将车轮罩与轮毂的组合视为整体，因此关于轮辐设计特征参数的研究及其相关结论在本文研究中同样适用。由苏畅等的研究可知，轮辐与胎面的偏距为10 mm时，减阻效果最为理想且开孔面积越小越好。但考虑到美观及制动盘的散热需求，车轮罩应设计有开槽。针对车轮罩的开槽角度对整车空气阻力的影响进行分析。具体设计为：5个周向开槽均匀分布，分别偏离直径所在直线的0°、5°、10°和15°，依次命名为“0 deg”、“5 deg”、“10 deg”和“15 deg”。为了模拟实际工况下轮胎的变形，且避免车轮与地面相切处的锐角造成低质量网格，在轮胎与地面接触处，增加了小凸台。车轮样式如图1所示。

图1 待研究车轮样式

1.2 计算域及网格生成策略

计算域是外流场分析对象所处的环境，计算域的大小直接影响仿真的精度和效率。为了不影响仿真精度，计算域的阻塞比小于1%。本文的计算域高度取7倍车高，为9 947 mm；计算域的宽度取13倍车宽，为21 125 mm；计算域的长度取13倍车长，为54 145 mm。几何模型在计算域的位置横向居中，纵向取车头前端面距离计算域入口4倍车长的距离，为17 195 mm。

网格质量是影响外流场数值分析精确度与效率的重要因素，多数情况下，网格质量在分析及设计中受限于计算资源，应尽量将有限的计算资源分配给需要关注的区域，针对变化不大或者关注度小的区域，视情况减小网格密度。本文研究乘用车在工况下的外流场，分析目标是车轮罩，因此需要特别关注整车周围，尤其是车轮附近的流场，应加密网格。因大部分计算域是为了满足阻塞比要求而设置的，其物理量变化较小，可以减小网格密度。

综合计算效率及本文所有的计算资源，经过反复尝试和验证后，最终使用的网格策略如下：整车表面覆盖三角形及四边形面网格；计算域边界表面用三角形面网格；其余的计算域用四面体网格，在整车周围建立1个加密区。计算域网格如图2所示。

图2 计算域网格

在网格划分时，将车辆同轴旋转的前轮和后轮分别关联为2个部分，不仅有利于后期设置求解器边界条件，还能有效提高求解器的收敛速度，否则容易出现残差和关注参数的振荡现象。

针对车辆可能产生流动分离的区域，如A柱、C柱、前风挡、轮拱、车尾等，应加大相关面密度或线密度，最后得到的网格数为900万，网格质量基本满足分析要求。整车表面网格如图3所示。

图3 整车表面网格

2 数值仿真

2.1 物理模型

本文选用Fluent作为求解器，可提供丰富的黏性流体物理模型。对于乘用车来说，Fluent可达到的速度及其特征长度的量纲数量级远远大于层流的临界雷诺数，选用Standard-湍流模型，其边界层网格数少，更有利于划分网格及收敛求解器的求解结果。

2.2 边界条件

边界条件的设置要符合实际的物理场。为了突出轮辐开槽角度对整车气动阻力的影响，设置速度入口为120 km/h；地面为移动地面，模拟乘用车与地面的相对移动；使用Rotation方法设置速度时，规律明显，轮边界条件设置为旋转壁面，经计算可得角速度为107.7 rad/s；出口设置为压力边界，在车辆后方足够远的流场已经从扰动中恢复，因此设置其表压为0。

2.3 求解器及收敛判定

本文研究车轮罩开槽角度对整车气动阻力的影响，关注的参数是整车的空气阻力系数与前轮的空气阻力系数。因此在求解器迭代求解时，不仅要关注残差曲线，更应该关注整车及前轮的空气阻力系数是否稳定，当前轮及整车的空气阻力系数趋于稳定时即可判定为收敛。

3 计算结果分析

3.1 结果比较

不同开槽角度的车轮的整车及前轮的空气阻力系数()结果见表1。

表1 整车及前轮的空气阻力系数

当车轮罩开槽角度为0°～15°时，随着偏离角度的增大，整车及前轮的空气阻力呈先增后减的趋势；开槽角度为5°时，整车的空气阻力系数最小；开槽角度为10°时，前轮的空气阻力系数小于开槽角度为5°时的阻力系数。说明较小的偏离角度对整车减阻有积极效果。

3.2 原因分析

为突出偏离角度带来的影响，选择开槽角度为0°和开槽角度为10°时的数据进行分析，主要从系数及气流通过车体的轨迹线来比较不同研究对象的空气动力学性能。对车轮表面、车身附近流场及车尾的流场进行仿真分析。车轮表面的气流迹线如图4和图5所示。

图4 0 deg车轮表面流场

图5 10 deg车轮表面流场

由图可知，对于0 deg开槽的车轮，气流流经车轮时，主要从车辆内侧向外溢出，几乎没有气流从轮辐辅面流出。且由于受旋转中车轮的扰动，气流在溢出车轮时出现上洗现象。对于10 deg开槽的车轮，有分部车轮内的气流从轮辐面外逸出来，且越靠近轮缘外逸越多，使气流更加平顺地通过车轮，能量损耗较小；且气流上洗现象相对较弱，这说明气流受车轮干扰影响较小，所消耗的车轮动能更少。因此，相较于0 deg开槽的车轮， 10 deg开槽的车轮的前轮阻力系数更理想。

上洗现象的减弱有利于气流通过前轮后的车身及相关附件，车轮附近流场的迹线如图6和图7所示。

图6 0 deg车轮附近流场

图7 10 deg车轮附近流场

由图可知，对于0 deg开槽的车轮，因车轮扰动而上洗的气流在通过车身时，有一部分慢慢形成了涡流。对于10 deg开槽的车轮，不仅气流的上洗现象减弱了，还有更多的气流绕过车轮内部，直接经过车轮胎面，从轮辐面流出；使得气流在通过前轮时更加平顺，通过车身后更稳定，几乎未发展为涡流。因上洗现象减弱，大部分气流可维持在较低的区域，不容易受车身附件及车底不平整零件的扰动，进一步减小了整车的空气阻力。

从距后轴1.96 m与车身纵向垂直平面上的流场速度分布可以看出0 deg开槽设计所带来的积极影响，如图8和图9所示。

图8 车尾流场速度矢量分布(0 deg)

图9 车尾流场速度矢量分布图(15 deg)

由图可知，在入口速度相同、具有相同初始动能的气流经过同样的距离，通过0 deg开槽的车轮时，气流速度更快，保持了更大的动能，说明气流经过车辆时，能量耗散更少，能够更快地恢复到平稳状态，整车的阻力系数更为理想。

4 车轮罩的设计

依据以上分析结论设计成品，选用周向5°开槽，开槽口的大小沿径向往外递增，且在靠近轮缘口处补偿开槽口，如图10所示。

图10 补偿的开槽设计

为了保证车轮罩在车辆工作时稳定地贴合轮辐面，将车轮罩背面设计为贴合或包络轮辐的样式，如图11所示。车轮罩内侧外缘处用卡扣固定，轮毂处用螺母或者螺栓固定，如图12所示，其中日系车多用螺母，欧系车多用螺栓。

图11 车轮罩背面图

图12 轮毂中心罩安装示意

为了提高用户在安装和拆卸的便利性，保证车轮罩在拆装过程中不会破裂，上述固定方式的锁紧力不宜过高。因此在设计时，需考虑卡扣接触面的外部形状，保证在接触过程中，接触点的角度不改变或改变较小，使用户在操作时施力均匀、稳定，有良好的操作体验。

在车轮罩与车轮连接处设计1个轮毂中心盖，覆盖暴露在外的螺栓或螺母，保证车轮罩外表面的平滑，最终安装效果如图13所示。

图13 轮毂中心罩安装效果

5 结论

通过分析轮毂罩不同偏离角度开槽下车轮表面及整车的流场，得出以下结论。

(1)提高整车车身表面流线度是一种有效减少干扰阻力、提升整车空气动力学性能的思路。在整车空气动力学的细节特征优化方向下，安装车轮罩，整车阻力系数从0 deg的0.281 14提升至5 deg的0.270 80，提升近3.7%。

(2)当气流从车头进入，穿过前轮拱处时，有大量气流在车轮内部产生乱流，增加空气阻力。因此要尽量减少涌入车轮内部的气流，使气流平顺地流出。

(3)越靠近轮缘，气流从车轮内部逸出的趋势越强烈，因此离车轮罩外部近的地方，适当增大开槽的面积，以开槽口偏离半径的角度为5°时最佳。