具有不同辐板车轮的空气动力学特性研究

第１２期胡兴军，等：具有不同辐板车轮的空气动力学特性研究

条件的设置、湍流模型的选取、有无车轮的流场对比以及数值计算的有效性评价等研究；或进行带有车轮的某具体车型的空气动力特性数值计算，很少考虑车轮辐板的不同几何特征幢￣４Ｊ．在国内，主要围绕国产汽车开发以及引进车型的改型研究汽车三维分离流动特性［５，６Ｊ，对于有车轮细节的转动车轮流场研究还未开展．

旋转车轮的外流场情况极其复杂，车轮几何外形的细微变化会对整个流场有很大的影响．辐板形状与开孑Ｌ情况决定了辐板的不同．辐板的不同使车轮的几何外形发生变化，由此将改变车轮以及整车的空气动力学特性．笔者利用计算流体力学的方法，研究并弄清具有不同辐板的车轮对汽车空气动力学特性的影响规律，对于改善汽车三维分离流动特性、提高整车空气动力性能、降低燃油消耗，同时提高汽车行驶稳定性，具有重要作用．

１几何模型与网格

采用同一型号的车轮，通过改变车轮辐板的形状，以及在辐板上开孔的数目和面积，获得了８个不同的车轮模型，分成３组进行气动特性数值计算．１．１几何模型

采用的车轮几何模型规格为１８５ＳＲ１４，对所有车轮辐板的形状均按照实际的车轮较为精确地建模．同时，为了使计算简单快捷，只考虑单个前车轮周围流场的情况．车身几何模型模拟了实际车身前部的特征，并且大体上模拟了前轴的位置和形状．轮腔外形采用某国产车的几何数据．车轮模型及其分组情况详见表１和图１．

如表１和图１所示，第１组有３个车轮模型，分别是简单圆柱形Ｆ１，带有无孔车轮辐板的圆柱形Ｆ２，以及在Ｆ２基础上做出轮辋形状的Ｆ３．这组模型是为了分析车轮表面形状对气动特性的影响．第２组有３个模型，车轮辐板带有通孔．车轮的主要区别为辐板的开孔数不同，分别是７个、８个和９个．第３组模型是在车轮Ｓ１８的基础上改变得到的，辐板上的开孔面积分别是Ｓ１８辐板上开孑Ｌ面积的０．８和１．２倍．

１．２计算域及其网格生成

前方来流没有横摆角时，汽车外流场是关于汽车的纵向平面对称．为减少计算量，只取对称面左边一半流场区域进行计算，即模型前面取３Ｌ，后面取６Ｌ，上方取４Ｈ，左侧取４．５ｗ，右侧为车身的纵向对称平面．此处Ｌ，Ｈ，ｗ分别为车身模型的长、高、宽．

表１车轮模型分组对比情况

Ｔａｂ．１Ｍｏｄｅｌｇｒｏｕｐｉｎｇｏｆｗｈｅｅｌｓｆｏｒｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ

图１车轮模型分组及模型编号

Ｆｉｇ．１

Ｍｏｄｅｌ

ｇｒｏｕｐｉｎｇｏｆｗｈｅｅｌｓａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｎａＩＩｌｅｓ由于部分模型形状较为复杂，计算所用网格均采用四面体加上六面体．在车轮轮胎接地区域，轮胎与地面相切，由此导致该处的网格单元内角非常小，几乎为０。．为了保证车轮与地面接触部分的网格质量，在确保离地间隙的前提下，根据文献［１］将车轮变形（如图１中模型Ｆ１所示）．生成的网格数从１１２８２７２到１５４２２３５．

２数值计算

２．１湍流模型和边界条件

对于所有的车轮模型，湍流数值模拟计算的封闭模型均采用ＲＮＧｋ一￡模型．ｋ值和ｅ值分别由公式（１）和（２）求出，即ｋ＝０．１４６０１４６，ｅ＝０．０３０３３７８５．

ｋ＝（３／２）（“ａｖｇＪ『）２

（１）

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有较大开孔的模型（Ｓ１８１），后部的压力系数Ｃ。明

显小于其余两个，同时变化较为剧烈．Ｃ。分布反映

出速度场的两个特点：①Ｓ１８和Ｓ１８ｓ车轮后部的

速度基本一致；②Ｓ１８１车轮后部速度大于同组的前

面两个．这与第二组得出的结论相似．比较图３ａ，ｂ

不难得出，开孔面积的大小和数目对车轮表面压力

系数均有不同程度影响，后者影响更显著．

３．２车轮后部表面旋涡变化

在此主要讨论车轮后部速度场的情况．在比较表面涡流形成和变化的同时，也看出表面压力系数变化的原因．假设在车轮后面有一条由流体质点组成的物质线ｚ，其上张开有一物质面ｓ，沿ｚ的速度环量为ｒ，通过物质面的涡通量为Ｆ，根据斯托克斯定理，有ｒ＝Ｆ．所以，可以根据速度场估计出旋涡场的变化情况．

如图４所示，对于第１组模型，可以清楚地看到车轮后部表面涡流的产生和变化．在Ｆ１中可以看到，车轮后方三个较大的涡和一个较小的涡（即剪切涡５），以及车轮侧面一个较大的涡．涡是湍流场中消耗能量的主要方式之一，也是阻力的一个主要来源．在Ｆ２中可以看到，涡的尺度明显减小．值得注

５０２５０１５０５０一５０一１５０—２５０—３５０

车轮高度／１ＴＬｍ

ａ第２组

５０２５０１５０５０一５０—１５０一２５０—３５０

车轮高度／ｍｍ

ｂ第３组

图３第２组和３组车轮模型压力系数比较Ｆｉｇ．３Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｎｓｕｒｆａｃｅ。Ｇｒｏｕｐ２，３

图４第１组车轮后半部表面流线

ｔａｇ．４Ｖｏｒｔｅｘｏｎｒｅａｒｐａｒｔｏｆｔｈｅｗｈｅｅｌｓｕｒｆａｃｅ－Ｇｒｏｕｐ１

意的是由剪切涡４，５，６形成的区域，这里形成了三个旋转方向各异的涡，说明形成涡的气流速度很大，气流的粘性作用不足以将涡相互融合．这也说明这三个涡仍具有较大的能量．在Ｆ３中，除了在车轮后方存在两个涡（即剪切涡２，３）之外，还产生了一个明显的分离面，在这个位置上气流产生了三维分离．这也是消耗能量的主要原因．但与Ｆ１和Ｆ２比较，整体上气流流向更趋于一致，所以使车轮的阻力有所降低．

对于第２组模型，图５中Ｓ１８的剪切涡１的位置有明显上移，在车轮后半部表面只有一个涡，且其阻力主要由两个较大的分离面产生．尤其是处在车轮中心线上的分离面，尺度比较大．其他模型均没有产生这样的涡漩场．从Ｓ１７中可以清楚地观察到两对近似于对称的涡（即剪切涡３，５和４，６）．模型￥１９中大分离面是产生车轮阻力的主要原因．

对于第３组模型，图６清晰地反映了Ｓ１８１中形成涡的数量和尺度均大于同组的另外两个，构成速度环量的速度也大于同组前面两个．这不难解释表２中的结果，即Ｓ１８ｓ车轮阻力系数与Ｓ１８的车轮阻力系数较为接近，后者比前者增加了２．９２％；而Ｓ１８１的Ｃｄ，＆ＬＳ１８增加了１０４．０４％．

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