摘 要：輪輞是汽車的高速旋轉(zhuǎn)部件，實(shí)際行駛過(guò)程中對(duì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能有顯著影響。但是目前試驗(yàn)與仿真在輪輞研究方法均有一定的不足。對(duì)比不同形式汽車輪輞及其在不同輪胎輪輞速度邊界條件設(shè)置的計(jì)算結(jié)果，對(duì)輪輞的仿真及研究具有一定的參考意義。針對(duì)不同的輪輞內(nèi)外側(cè)開(kāi)口面積、輪輞形面、樣式及不同開(kāi)口數(shù)量等多種輪輞造型分別進(jìn)行了仿真分析，并使用了輪胎不旋轉(zhuǎn)，輪胎設(shè)置切線速度及MRF(旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系)等三種邊界條件進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)輪輞設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論和總結(jié)。
汽車空氣動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)工作，不僅包含造型設(shè)計(jì)部分的上車體風(fēng)阻優(yōu)化，其對(duì)汽車底盤(pán)布置、套件的開(kāi)發(fā)及優(yōu)化也尤為重要[1]。在汽車高速行駛過(guò)程中，僅車輪帶來(lái)的氣動(dòng)阻力損失就占據(jù)了約一個(gè)整車氣動(dòng)阻力損失的30％[2]，而輪輞的形式，如輪輞內(nèi)外側(cè)開(kāi)口面積、輪輞形面、樣式及不同開(kāi)口數(shù)量等因素均會(huì)對(duì)整車氣動(dòng)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(duì)輪輞輪輻形式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使其具備良好的氣動(dòng)特性，對(duì)降低整車風(fēng)阻，節(jié)能減排，增加續(xù)航里程都有重要的意義。
目前，基于仿真軟件針對(duì)車輪輪輞對(duì)整車氣動(dòng)阻力造成影響的研究開(kāi)展有限。本文采用數(shù)值仿真方法[7]，對(duì)某電動(dòng)車型低空氣動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用STAR-CCM+分析軟件針對(duì)多種汽車輪輞的形式對(duì)整車氣動(dòng)阻力的影響進(jìn)行了研究，并使用了輪胎不旋轉(zhuǎn)，輪胎設(shè)置切線速度及MRF（旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系）三種速度邊界條件設(shè)置方式對(duì)結(jié)果的影響進(jìn)行了對(duì)比分析。
1 模型建立
1.1 幾何模型
輪轂造型來(lái)自某電動(dòng)車，后尾翼、前輪擾流板、下護(hù)板等空氣動(dòng)力學(xué)套件完整，輪胎型號(hào)2225/45/R18，共對(duì)18個(gè)不同輪輞進(jìn)行了分析，輪胎型號(hào)一致。其中有六種輪輞造型，輪輞形式見(jiàn)表1 和圖1。
以上每一種形式的輪輞均對(duì)應(yīng)有540 cm2、340cm2和140 cm2三種開(kāi)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(jì)算域的進(jìn)口邊界為速度進(jìn)口，入口速度為120kph,出口為0Pa 壓力出口，其余周圍四個(gè)面均設(shè)置為slip wall 滑移壁面邊界條件[8]。車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)候的角速度為103rad/s，與風(fēng)速匹配。為了對(duì)比不同車輪邊界條件設(shè)置方法的帶來(lái)的計(jì)算結(jié)果差異，對(duì)每一種輪胎輪輞模型分別采用了輪胎不旋轉(zhuǎn)（wall-fixed）、輪胎設(shè)置切線速度（Wall-Local Rotation rate）及MRF旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法，共三種邊界條件設(shè)置方式。
為輪胎輪輞建立MRF 計(jì)算區(qū)域時(shí)需將輪輞與剎車盤(pán)，車軸等部件做斷開(kāi)處理，因此，為保持分析模型狀態(tài)的一致性，在輪胎不旋轉(zhuǎn)及輪胎設(shè)置切線速度的邊界條件下，模型同樣采用同樣的剎車盤(pán)斷開(kāi)連接處理方式（如圖2）。
1.3 物理模型
本次分析采用分析軟件STAR CCM++，采用進(jìn)行不可壓縮穩(wěn)態(tài)計(jì)算，湍流模型采用RNG κ-ε。
2 計(jì)算結(jié)果比較與分析
2.1 不同輪轂旋轉(zhuǎn)模擬設(shè)置方法結(jié)果比較
不同的輪轂旋轉(zhuǎn)模擬設(shè)置方法，在開(kāi)口面積為340cm2時(shí)C 輪輞計(jì)算得到的阻力系數(shù)結(jié)果如下圖3所示，MRF 計(jì)算方法結(jié)果較另兩種方法結(jié)果偏大，wall 與rotation 的結(jié)果趨勢(shì)類似。
340cm2開(kāi)口面積的C 輪輞仿真中，wall、rotation 與MRF 設(shè)置方法，在左后輪胎和輪輞的阻力系數(shù)分解見(jiàn)下表。
由結(jié)果可知，由于MRF 的計(jì)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(zhuǎn)坐標(biāo)系方法，輪胎及輪輞的表面速度均高于其他兩種方法，這樣在輪胎這種復(fù)雜氣流擾動(dòng)區(qū)域，能量損失會(huì)增大，因此風(fēng)阻系數(shù)偏大。
2.2 不同輪輞方案計(jì)算Cd 比較
將不同輪輞形式的仿真Cd 結(jié)果進(jìn)行比較如下圖5 所示。兩種普通型開(kāi)口輪輞A、B 在不同的設(shè)置條件規(guī)律一致，風(fēng)阻系數(shù)均隨著輪輞開(kāi)口面積減小而減
小，當(dāng)外側(cè)開(kāi)口面積變小后，rotation 方法的結(jié)果依然保持一致，但wall 與MRF 的計(jì)算方法會(huì)出現(xiàn)不同規(guī)律，因此在通過(guò)仿真手段為低風(fēng)阻輪輞進(jìn)行選型工作時(shí)，建議采用rotation的方法，此種方法相對(duì)另兩種方法結(jié)果的趨勢(shì)性更明顯。
在使用不同形式和不同開(kāi)口面積的輪輞時(shí)，wall與rotation 的方法風(fēng)阻系數(shù)兩者之間大小不定，即在模擬輪胎不旋轉(zhuǎn)與設(shè)置輪胎切向速度旋轉(zhuǎn)的情況下，兩者風(fēng)阻系數(shù)之間大小不確定。
將輪輞開(kāi)口面積為340cm2，rotation 計(jì)算條件輪胎剖面速度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比如圖6，并結(jié)合圖3 的結(jié)果進(jìn)行了分析，輪輞A 與B 流場(chǎng)接近，原因?yàn)锳 的內(nèi)凹程
度不明顯，當(dāng)輻面拉平，使輪輞前的凹陷處的回流區(qū)域消失，輪輞內(nèi)側(cè)的氣流速度更低。在C 方案將外側(cè)開(kāi)口面積變小之后，可見(jiàn)輪輞內(nèi)部速度明顯變低，
外部氣流與內(nèi)部氣流速度分界鮮明，氣流不易流入輪輞內(nèi)側(cè)，可以更快速的通過(guò)輪輞外側(cè)。D方案加倒角后，大量氣流由于輪輞開(kāi)口處圓滑的邊緣不易分離，直接流入輪輞內(nèi)側(cè)，造型輪輞內(nèi)部氣流速度變高，能量耗散，因此，輪輞D 的阻力系數(shù)比C 大。E 輪輞在輪輞A 外側(cè)加上一個(gè)小開(kāi)口平板件，這種形式類似特斯拉model3 低風(fēng)阻可拆卸輪輞（如圖7），小的開(kāi)口使氣流更少的流入輪腔內(nèi)，整個(gè)平板內(nèi)側(cè)均為速度較低區(qū)域，外側(cè)氣流可更快流過(guò)，但低速回流的區(qū)域要大于輪輞C，因此風(fēng)阻系數(shù)小于平整的小開(kāi)口輪輞C。輪輞F 在總開(kāi)口面積不變的情況下，將5個(gè)開(kāi)口變成10個(gè)更小的開(kāi)口，小的開(kāi)口使氣流更難流入輪輞內(nèi)，輪輞外側(cè)的氣流較快的沿著輪輞外側(cè)切線流過(guò)，風(fēng)阻系數(shù)比C 低。
3 試驗(yàn)結(jié)果
在該車型油泥模型進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)中，關(guān)于輪胎旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)，輪輞的開(kāi)口面積分別為700cm2、440cm2及輪輞全封堵（圖8）的研究結(jié)果見(jiàn)下表3：
由試驗(yàn)結(jié)果可知，在本次風(fēng)洞試驗(yàn)中，輪輞開(kāi)口面積的大小對(duì)風(fēng)阻有很大影響，隨著開(kāi)口變小至全封閉，風(fēng)阻系數(shù)共降低了0.01，而輪胎旋轉(zhuǎn)的時(shí)候
比輪胎不轉(zhuǎn)的時(shí)候風(fēng)阻系數(shù)低了0.008 左右，因此在輪輞選型中，盡量選取開(kāi)口面積較小的輪輞，對(duì)降低風(fēng)阻有更好的貢獻(xiàn)。
4 結(jié)論
1. 采用輪胎不轉(zhuǎn)Wall、MRF 域這兩種計(jì)算方法時(shí)，因輪輞方案不同，Cd 與輪輞開(kāi)口面積無(wú)明顯規(guī)律，在使用Rotation 的速度設(shè)置方法時(shí)，輪輞開(kāi)口面積變小，Cd變小，規(guī)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(jì)算域的速度設(shè)置方法時(shí)Cd結(jié)果會(huì)較另外兩種方法偏大。
3. 相同輪輞開(kāi)口面積條件下，當(dāng)輪輞外側(cè)的開(kāi)口面積變小，流入輪輞內(nèi)側(cè)的氣流變少，可更快速的流過(guò)輪輞外側(cè)，因此在低風(fēng)阻輪輞設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮輪輞的最小投影面積，同樣要考慮輪輞外側(cè)的開(kāi)口面積。
4. 相同條件下，帶倒角的輪輞開(kāi)口由于圓滑的邊緣使輪輞外側(cè)氣流更容易進(jìn)入輪輞內(nèi)側(cè)，增大輪輞內(nèi)側(cè)氣流能量損失，增大風(fēng)阻。
5. 要保持原輪輞造型的時(shí)候，可在其外側(cè)加裝可拆卸的，開(kāi)口面積較小并且平整度高的輪輞用來(lái)降低風(fēng)阻（輪輞E），由于內(nèi)側(cè)回流區(qū)域較大，其降低風(fēng)阻效果稍遜于外側(cè)開(kāi)口面積與內(nèi)側(cè)開(kāi)口面積相等的輪輞形式（輪輞C）。
6. 開(kāi)口面積的輪輞，由于小的開(kāi)口氣流使更難流入，10 開(kāi)口的輪輞風(fēng)阻系數(shù)低于5 開(kāi)口的輪輞。
作者：梅 肖, 付 強(qiáng) , 張輝香
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