車輪旋轉條件下前輪導流板氣動減阻機理研究

王夫亮，尹章順，陳 楓，閆 石

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

2016025

車輪旋轉條件下前輪導流板氣動減阻機理研究

王夫亮，尹章順，陳 楓，閆 石

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

為優化上海通用某款車型的氣動特性，降低風阻系數，利用風洞試驗和流場數值模擬研究了不同高度的前輪導流板的減阻效果。數值模擬實現了車輪轉動和地面移動，其結果與風洞試驗值基本一致，各導流板方案減阻效果明顯。根據數值模擬獲得的流場分布信息，分析了前輪導流板的減阻機理及其對整車流場特性影響，為導流板減阻設計提供了參考。

汽車空氣動力學;前輪導流板;風洞試驗;數值模擬;旋轉車輪;移動地面

前言

目前，為了降低油耗和提高最高車速，以降低車輛氣動阻力為目標的空氣動力性能開發顯得越來越重要[1]。

研究結果顯示，上車身引起的風阻約占總氣動阻力的50%[2-4]，汽車底板、車輪和輪腔引起的氣動阻力占總氣動阻力的40%～50%[2,5-8]，其中，車輪和輪腔引起的氣動阻力約占總氣動阻力的25%[9]。由于多數車輛車底表面不夠平整，存在很多凸起和凹陷，與車輛其它位置相比，底板、車輪和輪腔的減阻潛力更大[10]。

因此，僅對上車身進行氣動減阻優化不能保證獲得足夠的低風阻競爭力，對汽車底板、車輪和輪腔進行氣動優化可以顯著降低氣動阻力，與優化上車身具有同樣的重要性[11]。

然而這些區域的幾何形狀比較復雜，難以在風洞試驗中對這些區域進行氣動數據的測量和流態顯示。CFD是一種有利的工具，可獲得比較詳細的流場信息，以分析這些區域的流場分布特點，進行減阻優化。

本文中針對上海通用某款車型，進行了加裝前輪導流板的氣動減阻優化。前輪導流板按照高度不同分為15種方案，結合沒有加裝導流板的方案，本文中共研究了16種方案的氣動特性。進行了所有方案的流場數值模擬，對5種方案進行了風洞試驗，對比了數值計算與風洞試驗結果的一致性。根據數值模擬獲得的流場信息，分析不同高度前輪導流板對整車流場的影響和前輪導流板氣動減阻的流場機理，為前輪導流板減阻優化設計提供參考。

1 前輪導流板方案

本文中研究的16種方案如圖1所示，包括無導流板方案(1)和15種不同前輪導流板高度的方案。從方案(2)到方案(16)，導流板高度依次增加5mm。進行了16種方案的數值模擬，并對其中的方案(1)、(6)、(8)、(10)和(12)進行了風洞試驗。

2 風洞試驗和數值模擬

上述5種方案的風洞試驗在上海地面交通工具風洞中心的氣動聲學風洞中進行。該風洞配備了組合式邊界層控制系統，包括水平抽吸、基礎抽吸、切向射流和移動帶，該組合式邊界層控制系統提高了近地面氣流速度，較好地保證了車身周圍的氣流特別是車底的氣流與車輛相對運動狀態的真實性和試驗結果的準確性。

試驗車輛通過支桿固定，支桿和車輪移動帶與風洞天平系統相連，天平系統對試驗車輛所受到的氣動力和力矩進行準確測量。

試驗過程中邊界層控制系統開啟，中央移動帶和車輪移動帶都以試驗風速v運轉，以模擬地面效應和實現車輪轉動。與之相對應，外流場數值模擬的計算域地面和車輪(外邊緣)分別以速度v移動和轉動，如圖2所示。在風洞試驗和數值模擬過程中實現車輪轉動，保證了車輪附近流場的真實性，有助于更準確地研究前輪導流板對氣動特性的影響。

CFD計算網格反映了車身外表面、發動機艙和底盤等部件的幾何細節，但忽略了輪胎表面的花紋和輪輻厚度，將胎面和輪輻處理成無厚度的面網格，用旋轉壁面邊界條件實現車輪的轉動，用移動壁面邊界條件實現地面的移動，采用專業商用軟件FLUENT進行流場計算。

計算網格如圖3所示，車身表面生成棱柱體網格，車體附近的空間網格進行了加密處理，以提高計算精度。計算選用基于壓力修正的SIMPLE算法，湍流模型為Realizablek-ε模型，近壁區流場采用非平衡壁面函數進行處理，壓力離散格式為Standard，動量、湍流動能和湍流耗散率離散格式為2階迎風格式。

以張量指標形式表示的流場控制方程，即為時均連續方程、Reynolds方程和標量φ的時均輸運方程[12]，分別為

(1)

(2)

(3)

式中:ρ為空氣密度，t為時間，u為速度，u′為脈動速度，p為壓力，S為源項，下標i和j指標取值范圍為(1,2,3)。冷凝器和散熱器內的流場利用多孔介質模型進行模擬，多孔介質上壓降與速度的關系用Darcy′s定律描述，具體數學表達式為

式中:μ為空氣的動力黏度，1/α為黏性阻力系數，C2為慣性阻力系數，ρ為空氣密度，t為多孔介質厚度。

3 結果對比與分析

3.1 風阻系數結果對比

5種方案的風洞試驗和數值模擬的風阻系數Cd結果對比如圖4所示，風洞試驗和數值模擬結果一致性較好，可以認為通過數值模擬能夠獲得比較準確的流場信息。相對于無導流板方案，4種導流板方案平均減阻約6.5%，減阻效果明顯。

風洞試驗和數值模擬結果顯示，不同高度的導流板方案之間風阻系數差別較小，導流板(6)、(8)、(10)和(12)之間高度依次增加10mm，導流板高度的明顯增加并沒有引起風阻的顯著變化。

圖5所示為所有方案風阻的CFD計算結果。可以看出加裝導流板后風阻明顯降低，但是15種不同高度的導流板方案之間風阻系數比較接近，變化趨勢平緩。各導流板方案之間最大高度差為70mm，但是風阻系數沒有明顯差別，這表明風阻系數對是否加裝導流板比較敏感，而對導流板高度的變化并不敏感。

對比分析各研究方案之間車輛各個部件的風阻貢獻量的變化，有助于探尋是否加裝導流板和不同導流板高度對流場產生明顯影響的區域，進而研究導流板的減阻機理，為合理設計導流板提供參考依據。

通過對比分析全部16種方案中各個部件風阻貢獻量，發現加裝導流板的15種方案之間各部件的風阻貢獻量基本一致，這15種方案中某些部件的風阻貢獻量與不加裝導流板的方案(1)有明顯差別，這與圖4和圖5展示的結果相吻合。

限于篇幅，本文中僅在圖6中列出加裝導流板(10)方案后，各部件風阻貢獻量的變化，其中，CRFM為冷凝器(Condenser)、散熱器(Radiator)和風扇(Fan)模塊(Module)的簡稱。結果顯示，風阻貢獻量減小的部件大部分都位于前輪腔內，如前輪腔內壁、左右前輪、驅動軸與制動角和左右后輪等。

風阻貢獻量變大的部件主要有前輪導流板、前保險杠和發動機體等。綜合來看，減小的風阻貢獻量占優勢，加裝前輪導流板后整車風阻有顯著降低。

3.2 導流板對流動狀態的影響

圖7所示為y=-0.6m截面(約為前輪導流板和輪腔在y方向的中間位置)內的流場速度分布對比。可以看出，在沒有安裝前輪導流板的情況下，來自前方進入前輪腔的氣流速度較高，速度較高的氣流受到前輪腔內壁、前輪、驅動軸、制動角、轉向節和懸架等部件的阻礙，速度降低，產生動量損失，這些動量損失是產生風阻的重要來源[13]。

安裝前輪導流板后，導流板降低了前方的氣流速度，進入前輪腔的氣流速度降低，減小了前輪腔內的氣流動量損失，對降低風阻有利。如圖6所示，安裝前輪導流板后，前輪腔內的部件對風阻的貢獻量顯著減小，是導致風阻降低的主要原因。

隨著導流板高度的增加，導流板前方的氣流速度略有降低，導流板下方的氣流速度略有增加，但是高速氣流基本經由輪罩下方流向后方車底，流入前輪腔的氣流速度較低，不同導流板高度下的前輪腔流動狀態很接近，4種高度的導流板方案減阻效果相近。

3.3 前輪腔內流動狀態

前輪腔內流動狀態如圖8所示，沒有安裝前輪導流板時，進入前輪腔的氣流速度較高，輪腔內壁、驅動軸、制動角、轉向節和懸架等部件對氣流產生阻礙作用，氣流速度降低，產生動量損失，壓力升高(圖9)，產生較高的風阻。

安裝導流板后，進入輪腔的氣流速度降低，由輪腔內壁和腔內部件阻礙作用所產生的動量損失和部件表面產生的滯止壓力都減小，從而減小了前輪腔內的部件所受到的阻力。

前輪導流板在降低輪腔內動量損失和表面壓力的同時，其自身迎風面和附近的前保險杠表面也形成了較高的滯止壓力，導致前輪導流板產生阻力且增加前保險杠阻力。

圖10為前輪表面壓力分布對比，加裝導流板后，高速氣流在前輪和輪圈迎風面形成的高壓區域主要位于導流板下緣水平高度以下，相對于不加裝導流板的情況，高壓區域明顯減小，車輪受到的氣動阻力也減小。

3.4 導流板對CRFM流動狀態的影響

圖11為加裝導流板前后冷凝器入口氣流速度的對比。可以看出，加裝導流板后，冷凝器入口速度有所增加，這說明導流板對前端氣流的流量分配產生了影響，導流板增加了輪腔前方的流動阻力，流入前輪腔的氣流速度降低，流量減小，經前格柵流入發動機艙的氣流速度升高，流量增加。前格柵處氣流速度增加，導致在格柵和牌照板位置產生的滯止壓力升高，風阻增加。

經過CRFM的氣流量增加有利于提高其換熱性能，但流速增加(表1)也會導致冷凝器和散熱器進出口壓差變大(表2)，引起風阻增加。

流出CRFM的氣流，受到發動機體和變速器的阻礙，氣流速度降低，產生動量損失并在發動機體和變速器表面形成滯止壓力。安裝導流板后，流出CRFM的氣流流量和流速增加，在發動機體和變速器表面形成的滯止壓力升高，導致阻力增加。

表1 加裝導流板后入口平均速度增加值 m·s-1

表2 加裝導流板后進出口壓差增加值 Pa

3.5 上車身壓力系數對比

圖12所示為加裝導流板前后車體上表面中線上的壓力系數對比。可以看出，兩種狀態下的壓力系數沒有明顯差異，這說明前輪導流板對車身上表面附近的氣流流態沒有明顯影響，車身上表面的氣動阻力沒有明顯變化。

4 結論

本文中針對上海通用某款車型，加裝前輪導流板后，改善了前輪腔內的流動狀態，使整車風阻系數降低了約6.5%，減阻效果明顯。對無導流板和15種高度的導流板方案進行了風洞試驗和數值模擬，試驗結果與數值模擬結果基本一致。根據數值模擬獲得的流場結果，分析了前輪導流板對整車流場狀態的影響和前輪導流板的減阻機理。可以得出以下結論：

(1) 利用轉動車輪和移動地面邊界條件，可以獲得與試驗結果基本一致的數值模擬結果，更準確地模擬流場特性；

(2) 前輪導流板減小了流入前輪腔內的氣流速度和流量，降低了前輪腔內的動量損失和表面壓力，引起前輪腔內零部件的風阻降低；但其迎風面和附近的前保險杠表面形成較高的滯止壓力也使風阻增加；

(3) 加裝前輪導流板后，經過前格柵開口和CRFM的流速和流量有所升高，引起CRFM壓差變大以及前格柵、發動機體和變速器滯止壓力增加，引起風阻增加；

(4) 前輪導流板對上車身附近的流動狀態沒有明顯影響，上車身表面風阻沒有明顯變化。

綜合來看，前輪導流板引起的前輪腔內的風阻降低占優勢，提高了整車的氣動特性。

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A Research on the Aerodynamic Drag Reduction Mechanismof Front Wheel Deflectors in a Condition of Wheel Rotation

Wang Fuliang, Yin Zhangshun, Chen Feng & Yan Shi

PanAsiaTechnicalAutomotiveCenter,Shanghai201201

To optimize the aerodynamic characteristics and reduce the drag coefficient of a SGM vehicle model, the drag reduction effects of front wheel deflectors with different heights are investigated by utilizing wind tunnel test and flow field numerical simulation, in which wheel rotation and ground moving are realized. The results of simulation well agree with wind tunnel test data, and all schemes of deflector have significant drag reduction effects. Based on the flow field distribution information acquired from simulation, the drag reduction mechanism of reflector and its effects on the flow field characteristics of vehicle are analyzed, providing references for the drag reduction design of reflector.

vehicle aerodynamics; front wheel deflector; wind tunnel test; numerical simulation; rotating wheels; moving ground

原稿收到日期為2014年7月18日，修改稿收到日期為2014年11月13日。