基于cfd的車輪空氣動(dòng)力特性分析

車輪輻板對(duì)氣動(dòng)特性的影響影響整個(gè)車輛的氣動(dòng)特征的主要因素之一是車輛底部的氣動(dòng)特征。為了改善汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性，汽車底部的氣動(dòng)特征受到了高度重視。在輪腔里轉(zhuǎn)動(dòng)的車輪使車體下部的氣流變得更加復(fù)雜,并成為影響汽車操縱穩(wěn)定性的重要因素之一。車輪相關(guān)的氣動(dòng)阻力值在整車的氣動(dòng)總阻力中占30%左右。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)車輪的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究?jī)H限于簡(jiǎn)單的類圓柱體模型,對(duì)沒(méi)有輻板細(xì)節(jié)的車輪進(jìn)行研究。同時(shí)不同種類的車輪對(duì)整車氣動(dòng)特性的影響也有所不同,但僅限于輪胎不同花紋對(duì)氣動(dòng)特性影響的試驗(yàn)研究。因此采用數(shù)值模擬的方法研究由于車輪輻板不同引起的氣動(dòng)特性變化。在STAR-CD平臺(tái)下進(jìn)行流場(chǎng)的數(shù)值模擬及其后處理,并結(jié)合輪腔內(nèi)部及車身底部流場(chǎng)的壓力等值線和流線對(duì)相應(yīng)的流場(chǎng)進(jìn)行重點(diǎn)分析,尋找氣動(dòng)阻力系數(shù)變化的原因,為車輪輻板的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。1幾何模型和計(jì)算區(qū)域1.1車輪模型的建立車輪的外流場(chǎng)主要受車身下輪腔和車輪本身的影響。為了研究車輪不同輻板對(duì)流場(chǎng)的影響,采用了簡(jiǎn)化的車身模型,即模型具有車身前半部的特征。輪腔包羅線的形狀按照某國(guó)產(chǎn)轎車精確建模,并且大體上給出了前軸的形狀和位置,如圖1所示。同一車輪分別加裝6種不同輻板,然后進(jìn)行流場(chǎng)的對(duì)比分析。車輪模型是由實(shí)際使用的SR14型車輪適當(dāng)簡(jiǎn)化得到,細(xì)節(jié)特征見(jiàn)圖2和表1。模型中開孔形狀均為實(shí)際車輪輻板中常用的類扇形。為了保證車輪與地面接觸位置網(wǎng)格的質(zhì)量,根據(jù)車輪的實(shí)際變形情況對(duì)車輪接地區(qū)域進(jìn)行了修正,即在保證離地間隙的前提下,先將車輪接地部分切掉一段劣弧,然后將切除的邊界拉伸至地面,形成如圖3所示車輪外形。文獻(xiàn)已證明該方法是可行的。1.2車輛縱向?qū)ΨQ平面在無(wú)風(fēng)且汽車橫擺角為零的情況下,汽車流場(chǎng)在行駛方向上為左右對(duì)稱的,因此只選取汽車外流場(chǎng)的左邊一半進(jìn)行數(shù)值模擬,車身的縱向?qū)ΨQ平面為整個(gè)外流場(chǎng)的對(duì)稱平面。模擬中采用的計(jì)算域?yàn)槟Ｐ偷?0倍車長(zhǎng)、5倍車高、4倍車寬。2車輪輻板劃分方案為了對(duì)比分析流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果差異,對(duì)6種不同的車輪輻板,采用相同的車身與車輪模型、網(wǎng)格劃分方案以及計(jì)算區(qū)域,設(shè)置相同的邊界條件,并采用相同的湍流模型和差分格式。2.1網(wǎng)格劃分計(jì)算網(wǎng)格采用四面體和六面體結(jié)合的方式。6種情況的流場(chǎng)計(jì)算域生成的網(wǎng)格數(shù)均在1000000以上,各個(gè)流場(chǎng)生成的網(wǎng)格具體數(shù)量見(jiàn)表2。2.2酶活劑將汽車的縱向?qū)ΨQ平面設(shè)置對(duì)稱邊界條件,地板采用滑移壁面(Slipwall)邊界條件,車輪采用旋轉(zhuǎn)壁面邊界條件。車輪旋轉(zhuǎn)角速度為100rad/s,來(lái)流速度為31.2m/s。湍流強(qiáng)度為Ι=u′U=0.16Re-0.125(1)I=u′U=0.16Re?0.125(1)式中u′、U——速度脈動(dòng)量和速度均值,m/sk值和ε值計(jì)算式為k=32(UΙ)2(2)k=32(UI)2(2)式中k——湍流動(dòng)能,m2/s2ε=C3/4μk3/2L(3)式中ε——湍流耗散率,m2/s3Cμ——湍流模型中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取0.09L——湍流混合長(zhǎng)度,mL=0.07DH(4)式中DH——管道的水力直徑,m經(jīng)計(jì)算得k=0.146m2/s2,ε=0.03m2/s3。2.3汽車外包中的可適性利用計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CD求解定常不可壓縮雷諾時(shí)均N-S方程。文獻(xiàn)中求解汽車外流場(chǎng)的算例已經(jīng)論證了其在復(fù)雜的汽車外流場(chǎng)的可適性。該軟件采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散,為避免數(shù)值耗散,對(duì)流源項(xiàng)采用三階QUICK格式離散,擴(kuò)散源項(xiàng)采用中心差分格式離散,差分方程用SIMPLE方法求解。研究發(fā)現(xiàn),采用RNGk-ε模型進(jìn)行汽車外流場(chǎng)的模擬計(jì)算,整體結(jié)果更接近風(fēng)洞試驗(yàn)值。本研究的湍流模型據(jù)此均采用RNGk-ε模型。3結(jié)果分析3.1開孔面積對(duì)車輪阻力系數(shù)的影響車輪阻力系數(shù)與模型的總阻力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表2?？傋枇ο禂?shù)是指加裝車輪后的汽車模型的總氣動(dòng)阻力系數(shù),它因汽車模型的不同而不同。由于選用的車輪輻板幾何特征不同而使得空氣阻力系數(shù)有所變化。車輪阻力系數(shù)是指轉(zhuǎn)動(dòng)車輪的氣動(dòng)阻力系數(shù),不含滾動(dòng)阻力系數(shù),在該系數(shù)的計(jì)算中,正投影面積為車輪自身的投影面積。由表2可以看出,并非車輪阻力系數(shù)大,整車的阻力系數(shù)也隨之變大。這說(shuō)明車輪與車身之間的相互作用是阻力發(fā)生變化的主要原因之一。從表中計(jì)算結(jié)果還可得出:①對(duì)比模型S017、S018、S019的結(jié)果表明,隨著在輻板上開孔數(shù)的增加,總阻力系數(shù)將減小,而車輪阻力系數(shù)呈現(xiàn)不規(guī)則變化。②由模型S018s、S018、S018l的比較可知,輻板上單個(gè)開孔面積增加,車輪阻力系數(shù)將增加,而總阻力系數(shù)呈現(xiàn)不規(guī)則的變化。因此,在車輪設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分考慮開孔面積的布置方式,從而達(dá)到最佳的氣動(dòng)特性。3.2車橋式的阻力系數(shù)不同車輪輻板對(duì)輪腔內(nèi)氣流特性的影響是最直接的也是最大的。就本次模擬試驗(yàn)而言,阻力變化的原因也在于此。阻力的增大是由于物體近表面流體中的渦量增大所導(dǎo)致的,通過(guò)對(duì)此處的渦量分析,可以得到相同的結(jié)論。在圖4中,可以看到輪腔內(nèi)的壓力系數(shù)等值線和流體通過(guò)這一區(qū)域的流線。從圖4中可以看出,在輪腔內(nèi)所有的模型均在前軸的前側(cè)形成一個(gè)較大的剪切渦,并在前軸的后側(cè)形成一個(gè)附著在前軸上的渦。由于車輪幾何形狀的不同,渦的形狀也隨之發(fā)生了變化,其中以前軸后側(cè)的渦變化最為明顯,在圖4中可以清楚地看到剪切渦2由于被拉伸、拖拽而發(fā)生的變形。氣流能量消耗的方式有兩種,即渦的存在和氣流的分離。在輪腔內(nèi)這兩種消耗方式均存在,流線圖可以清晰地反映出來(lái)。這里選取阻力系數(shù)最小的模型(S019)和阻力系數(shù)最大的模型(S018l)進(jìn)行舉例說(shuō)明。從圖4d和f比較可以看到,不論是渦還是分離面,模型S018l均有發(fā)展變大的趨勢(shì),這正是阻力系數(shù)變大的原因。另外,比較模型S017和模型S018,可以看出S017的剪切渦2和分離面均比模型S018變化劇烈,大量的能量消耗在此處,所以導(dǎo)致兩個(gè)模型間車輪阻力系數(shù)變化較大(S017為0.0964,S018為0.0494)。由圖4可知車輪對(duì)流場(chǎng)的影響不僅在輪腔內(nèi),同時(shí)也擴(kuò)大到了輪腔后的車身周圍,從圖4a、c、d、f可看出,氣流在輪腔后的車身附近均有剪切渦形成。3.3車輛流場(chǎng)的識(shí)別模型底部的流場(chǎng)特性影響著汽車的行駛穩(wěn)定性。在這一區(qū)域中,車輪對(duì)汽車底部流場(chǎng)的影響就成了較為突出的因素。如圖5所示,選取離地間隙的中心面作為模型底部流場(chǎng)的研究截面。由于車輪不同,該面上的流場(chǎng)參數(shù)也不盡相同,可以在一定程度上反映由于車輪輻板不同所引起模型底部流場(chǎng)的不同。從總壓系數(shù)可反映出流場(chǎng)中渦的能量消耗情況,總壓系數(shù)值越小,說(shuō)明渦消耗的能量越大。圖中標(biāo)出的總壓系數(shù)是近壁面區(qū)域內(nèi)近渦核處的總壓系數(shù)。從流線圖中可以清楚地看到車輪周圍及模型底部的流場(chǎng)分布情況?？傮w上,輪腔前部和后部各存在一個(gè)分離面(只有S018不明顯),說(shuō)明流動(dòng)在這些位置產(chǎn)生了分離,而流動(dòng)分離是模型底部能量消耗的主要原因。4開孔面積的影響(1)不同形狀的車輪輻板可使汽車所受的總阻力系數(shù)增加達(dá)2.37倍。因此,在車輪輻板的設(shè)計(jì)中,應(yīng)充分考慮車輪輻板引起的空氣動(dòng)力特性的變化。(2)車輪和車身之間的相互作用是阻力變化的主要原因之一。(3)車輪輻板上開孔面積的布置方式對(duì)氣動(dòng)特性有很大的影響。在總開孔面積相同的情況下,將開孔數(shù)適量增大有利于氣動(dòng)特