汽車輪輞設計空氣動力學分析

梅 肖，付 強，張輝香

（吉利汽車研究院有限公司，浙江，寧波 315336）

汽車空氣動力學開發工作，不僅包含造型設計部分的上車體風阻優化，對汽車底盤布置、套件的開發及優化也尤為重要[1]。在汽車高速行駛過程中，僅車輪帶來的氣動阻力損失就占據了整車氣動阻力損失的約30%[2]，而輪輞的形式，如輪輞內外側開口面積、輪輞形面、樣式及不同開口數量等因素均會對整車氣動特性造成影響[3-6]。因此，如何在滿足工程可行性并保證造型美觀的前提下，對輪輞輪輻形式進行合理設計，使其具備良好的氣動特性，對降低整車風阻、節能減排、增加續駛里程都有重要意義。

目前，基于仿真軟件針對車輪輪輞對整車氣動阻力造成影響的研究還開展得較為有限。本文采用數值仿真方法[7]，對某電動車型低空氣動力學開發過程中，利用STAR-CCM+分析軟件針對多種汽車輪輞的形式對整車氣動阻力的影響進行了研究，并使用了輪胎不旋轉、輪胎設置切線速度及MRF三種速度邊界條件設置方式對結果的影響進行了對比分析。

1 模型建立

1.1 幾何模型

輪轂造型來自某電動車，后尾翼、前輪擾流板、下護板等空氣動力學套件完整，輪胎型號2225/45 R18，共對18個不同輪輞進行了分析，輪胎型號一致。其中有6種輪輞造型，輪輞形式見表1和圖1。

表1 輪輞形式

圖1 輪輞造型

以上每一種形式的輪輞均對應有540 cm2、340 cm2和140 cm2三種開口面積，因此本次仿真分析共有6×3=18種輪輞模型。

1.2 邊界條件

計算域的進口邊界為速度進口，入口速度為120 km/h，出口為0 Pa壓力出口，其余周圍4個面均設置為Slip Wall滑移壁面邊界條件[8]。車輪旋轉時的角速度為103 rad/s，與風速匹配。為了對比不同車輪邊界條件設置方法帶來的計算結果差異，對每一種輪胎輪輞模型分別采用了輪胎不旋轉（Wall-Fixed）、輪胎設置切線速度（Wall-Local Rotation Rate）及MRF旋轉坐標系方法，共3種邊界條件設置方式。

為輪胎輪輞建立MRF計算區域時需將輪輞與制動盤、車軸等部件做斷開處理，因此，為保持分析模型狀態的一致性，在輪胎不旋轉及輪胎設置切線速度的邊界條件下，模型同樣采用制動盤斷開連接處理方式（圖2）。

圖2 制動盤處理及MRF域建立

1.3 物理模型

采用分析軟件STAR CCM++進行不可壓縮穩態計算，湍流模型采用RNGκ-ε。

2 計算結果比較與分析

2.1 不同輪轂旋轉模擬設置方法結果比較

不同的輪轂旋轉模擬設置方法，在開口面積為340 cm2時C輪輞計算得到的阻力系數結果如圖3所示，MRF計算方法結果較另兩種方法結果偏大，Wall與Rotation的結果趨勢類似。

圖3 340 cm2 C輪輞不同輪轂旋轉模擬設置方法結果比較

340 cm2開口面積的C輪輞仿真中，Wall、Rotation與MRF設置方法，在左后輪胎和輪輞的阻力系數分解見表2。

表2 輪胎輪輞分項阻力系數

由結果可知，由于MRF的計算方式使輪胎及輪輞受到較大的壓力，而Rotation的剪切力最小，輪胎及輪輞的表面速度云圖如圖4所示，由于MRF的旋轉坐標系方法，輪胎及輪輞的表面速度均高于其它兩種方法，這樣在輪胎這種復雜氣流擾動區域，能量損失會增大，所以風阻系數偏大。

圖4 輪輞C、開口面積340 cm2的輪胎輪輞表面速度云圖

2.2 不同輪輞方案計算Cd比較

將不同輪輞形式的仿真Cd結果進行比較，如圖5所示。兩種普通型開口輪輞A、B在不同的設置條件下規律一致，風阻系數均隨著輪輞開口面積減小而減小，當外側開口面積變小后，Rotation方法的結果依然保持一致。但Wall與MRF的計算方法會出現不同規律，因此，在通過仿真手段為低風阻輪輞進行選型工作時，建議采用Rotation的方法，它相對另兩種方法結果的趨勢性更明顯。

在使用不同形式和不同開口面積的輪輞時，采用Wall與Rotation的方法兩者風阻系數之間大小不確定，即在模擬輪胎不旋轉與設置輪胎切向速度旋轉的情況下，兩者風阻系數之間大小不確定。

圖5 不同輪輞形式在3種邊界條件下的仿真整車風阻系數結果

將輪輞開口面積為340 cm2，Rotation計算條件下的輪胎剖面速度場進行對比，如圖6所示，并結合圖3的結果進行了分析，輪輞A與B流場接近，原因為A的內凹程度不明顯，當輻面拉平，使輪輞前凹陷處的回流區域消失，輪輞內側的氣流速度更低。在C方案將外側開口面積變小之后，可見輪輞內部速度明顯變低，外部氣流與內部氣流速度分界鮮明，氣流不易流入輪輞內側，可以更快速地通過輪輞外側。D方案加倒角后，大量氣流由于輪輞開口處圓滑的邊緣不易分離，直接流入輪輞內側，造成輪輞內部氣流速度變高，能量耗散，因此，輪輞D的阻力系數比C大。E輪輞在輪輞A外側加上一個小開口平板件，這種形式類似特斯拉Model 3低風阻可拆卸輪輞（圖7），小的開口使流入輪腔內的氣流更少，整個平板內側均為速度較低區域，外側氣流可更快流過，但低速回流的區域要大于輪輞C，因此，風阻系數小于平整的小開口輪輞C。輪輞F在總開口面積不變的情況下，將5個開口變成10個更小的開口，小的開口使氣流更難流入輪輞內，輪輞外側的氣流較快地沿著輪輞外側切線流過，風阻系數比C低。

圖6 車輪附近截面速度對比

圖7 Model 3可拆卸空氣動力學輪輞

3 試驗結果

在該車型油泥模型進行的風洞試驗中，關于輪胎旋轉與不旋轉，輪輞的開口面積分別為700 cm2、440 cm2及輪輞全封堵（圖8）的研究結果見表3。

由試驗結果可知，在本次風洞試驗中，輪輞開口面積的大小對風阻有很大影響，隨著開口變小至全封閉，風阻系數共降低了0.01，而輪胎旋轉的時候比不轉的時候風阻系數低了0.008左右，因此，在輪輞選型中，盡量選取開口面積較小的輪輞，對降低風阻有更好的貢獻。

圖8 風洞試驗輪輞示意結果

表3 風洞試驗結果

4 結論

（1）采用輪胎不轉Wall、MRF域這兩種計算方法時，因輪輞方案不同，Cd與輪輞開口面積無明顯規律，在使用Rotation的速度設置方法時，輪輞開口面積變小，Cd變小，規律明顯。因此，建議在做輪輞的選型工作中，使用Rotation的方法。

（2）采用輪胎輪輞MRF計算域的速度設置方法時，Cd結果會較另外兩種方法偏大。

（3）相同輪輞開口面積條件下，當輪輞外側的開口面積變小，流入輪輞內側的氣流變少，可更快速地流過輪輞外側。因此，在低風阻輪輞設計時，不僅要考慮輪輞的最小投影面積，同樣要考慮輪輞外側的開口面積。

（4）相同條件下，帶倒角的輪輞開口由于圓滑的邊緣使輪輞外側氣流更容易進入輪輞內側，會增大輪輞內側氣流能量損失，增大風阻。

（5）要保持原輪輞造型時，可在其外側加裝可拆卸的，開口面積較小并且平整度高的輪輞用來降低風阻（輪輞E）。由于內側回流區域較大，其降低風阻的效果稍遜于外側開口面積與內側開口面積相等的輪輞形式（輪輞C）。

（6）總開口面積相同的輪輞，由于小的輪輞開口會使氣流更難流入，所以10開口的輪輞風阻系數低于5開口的輪輞。