某低風阻電動SUV車輪周邊流場特點分析

李喆隆，成 云 ，封 云，王 佳，曾昌明

“雙碳”目標促使電動汽車續駛里程倍受關注。通過降低風阻使行駛阻力和整車電耗得到降低是提高續駛里程的有效途徑。近年來，電動SUV 的Cd（Drag Coefficient，風阻系數）已降至0.26 以下，拓展了汽車空氣動力學的工程開發邊界。各車企陸續發布了低Cd電動SUV，均配置封閉面積很高的空氣動力學輪輞，以降低車輪擾流和風阻；高端車型同時搭配昂貴的空氣懸架，以降低車高，減少車底亂流，進一步降低風阻。對于中端SUV，可從造型和車輪導流板等方面挖掘降低風阻的可能。

改善車輪附近流場是整車風阻優化的重要部分，國外學者對前輪導流板和輪輞的周邊流場特點及對整車風阻的影響進行了研究[1-5]，國內學者徐辰等[6]對電動轎車不同導流板的影響進行了仿真分析，童一等[7]對獨立輪輞周邊的流場特點進行了仿真分析，胡興軍等[8]利用格子玻爾茲曼方法研究DrivAer 標準模型車輪不同旋轉設置方法的特點，唐洪濤等[9]對燃油SUV 不同導流板和輪輞的組合進行仿真尋優，車艷秋等[10]研究了燃油SUV 不同輪輞的氣動影響，任超等[11]研究了燃油轎車不同輪輞和胎紋的風阻影響，王夫亮等[12]和賈青等[13-14]研究了燃油轎車不同導流板對風阻的影響以及車輪附近的流場狀態，梅肖等[15]對某款風阻系數約為0.30 的電動SUV 不同輪輞的流場特點進行了分析。

本文采用雷諾時均方法模擬某純電動SUV 外流場并進行實車風洞試驗。經過前保險杠和前輪船型導流板引流，將3種封閉面積小的常規輪輞與全封閉理想氣動輪輞進行空氣動力學性能對比，并對配置不同輪輞的樣車均進行風洞試驗，各Cd值均不超0.25。通過仿真分析闡述此款低風阻SUV 車輪的周邊流場特點，為低風阻產品開發提供參考。

1 分析方法

1.1 仿真計算

假設整車外流場為三維常密度不可壓縮狀態，滿足N-S質量守恒和動量守恒[1]方程，即

式中：ρ為流體密度，kg/m3；u為流體速度矢量，m/s；t為時間，s；p為流體微元壓強，Pa；μ為流體粘度，kg/(m·s)；Si為動量守恒中廣義源項；ui為x、y、z向速度分量，m/s，i取值1、2、3。

求解N-S 湍流方程可以采用雷諾時均、大渦模擬、直接數值模擬以及格子波爾茲曼等方法，其中雷諾時均根據粘度確定方法分為零方程、一方程、兩方程、七方程等模型，兩方程又分為k-ε和k-ω兩種模型。

本文采用STAR-CCM+軟件計算穩態k-ε雷諾時均湍流模型，對電動汽車各狀態進行仿真分析。

1.2 網格處理

首先建立包括機艙內所有部件的整車模型。整車尺寸為4 690 mm×1 936 mm×650 mm，軸距為2 845 mm，外觀如圖1所示。整車面網格約為600萬個，采用三角形網格單元劃分，最小網格尺寸為4 mm；長方體計算流場域尺寸為66 m×12 m×10 m；體網格為3 000萬個，采用Trim網格切分；邊界層網格總厚度為8 mm，共5層，增長率為1.2。

圖1 整車外觀

1.3 邊界條件與求解設定

仿真模擬車速設定為120 km/h，計算域進口為速度邊界條件，出口為壓力邊界條件，地面為移動壁面，速度為120 km/h，側壁為滑移壁面，車輪為壁面旋轉，角速度為92.7 rad/s。穩態計算步數為5 000步，將最后1 000步的平均值作為風阻系數。

1.4 風洞試驗方法

在中國汽車工程研究院風洞中心進行實車風洞測試，依據CSAE（China SAE，中國汽車工程學會）標準T/CSAE 146—2020《汽車整車空氣動力學風洞試驗氣動力風洞試驗方法》進行，測試速度為120 km/h。

2 測試對象

本文針對3 種常規具有一定鏤空的輪輞和1 種理想全封閉的氣動輪輞分別進行測試，即R19a、R20a、R20b 和R19b，相應規格為235/50 R19、245/45 R20，如圖2所示。試驗車配置內藏式主動進氣格柵，均保持葉片關閉的低風阻狀態，整體風洞試驗如圖3所示。

圖2 測試用輪輞

圖3 風洞試驗

同時，試驗車安裝有一款前輪導流板，如圖4所示，導流板主體高度H為41 mm，長度L為188 mm，前部寬度W1為133 mm，后部寬度W2為259 mm。

圖4 前輪導流板

3 測試結果

3.1 不同輪輞的測試結果

通過仿真得到R19a、R20a、R20b 和R19b 的風阻系數分別為0.250、0.252、0.258、0.245，風洞試驗結果分別為0.249 1、0.249 0、0.249 4、0.249 3，各風阻系數均較小，前3種常規輪輞與后者全封閉氣動輪輞的最大差值的絕對值不超過0.3 counts，說明常規鏤空輪輞可以達到理想封閉氣動輪輞的風阻效果。對比仿真值與試驗值，二者最大差異率不超3.5%，吻合度較高，說明仿真分析是整車前期風阻研發的有效方法。

風洞試驗說明前保險杠和前輪導流板具有良好的導流作用，并且各輪轂的風阻表現一致，幾乎完全消除了輪輞造型的影響。前保險杠在y向完全遮擋前輪，同時兩側型面過渡圓滑，沒有顯著的聚風突起特征，最大凸起小于20 mm，也沒有通風氣簾結構，氣體壓力在前保險杠外表面均勻過渡至輪罩邊緣，如圖5所示。

圖5 4種輪輞配置車表面壓力分布

由圖5 可知，4 種輪輞的y向外露面幾乎沒有正壓，說明沒有明顯氣流吹至輪輞表面，避免車輪旋轉引起更多亂流，從而保持了較低風阻。

3.2 前輪導流板的測試結果

為測試前輪導流板對整車風阻的影響，移除導流板后對R19a、R20a、R20b和R19b 4種輪輞進行仿真計算，整車風阻系數分別為0.260、0.261、0.264、0.253，較移除前平均升高約8 counts，如圖6所示。

圖6 4種輪輞配置車表面壓力分布（移除前輪導流板）

對比圖5、6 可知，車輪附近y向外露面的壓力均增加，輪眉前上部和輪輞上半圈的負壓均有所減弱，說明移除前輪導流板會將更多氣流吹入車輪區域，引起旋轉的車輪與來流相互作用，阻礙氣流快速通過車輛周圍，從而使整車風阻增加。

對比前輪導流板移除前、后不同輪輞的總壓為0等值面的特點，如圖7所示，移除前車輪附近的等值面y向凸起更小、更薄、更平滑，說明氣流被車輪旋轉區域阻礙后，其能量損失更小，氣流擾動小，使整車保持較低阻力；移除后車輪附近的等值面y向凸起更大、更厚、更扭曲，說明氣流被車輪旋轉區域阻礙后，其能量損失更大，氣流擾動大，使整車風阻增加。

綜上，整車前保險杠和前輪導流板對來流起到了良好引導作用，減少車輪對來流的擾動。風洞試驗結果表明，4種輪輞的整車風阻系數基本相同，均保持在較低水平。

4 結束語

本文對某款純電動SUV 進行流場仿真分析和風洞試驗，分析和測試不同輪輞配置下整車風阻性能，并重點測試前輪導流板對整車風阻的影響。仿真與試驗結果均表明，前保險杠和前輪導流板設計對車輪周邊氣流具有較好引導作用，整車Cd約為0.249，尤其前輪導流板可以明顯降低整車風阻，并且常規鏤空輪輞能夠達到理想封閉氣動輪輞的風阻效果，為低風阻車型開發提供借鑒參考。