车轮前阻风板对汽车风阻的影响

基础研究

车轮前阻风板对汽车风阻的影响★

康宁

丁浩

（北京航空航天大学）

【摘要】利用ＣＦＤ方法计算了车轮附近的流场，研究了阻风板位置、曲率半径、宽度及高度这４５＂因素对整车风阻的影

响规律。计算结果表明，阻风板位置和宽度对风阻的影响不大，曲面阻风板减阻效果优于平板阻风板。对这４个因素进行了匹配研究，选定阻风板外侧与车身底部圆弧平齐、内侧与车轮内侧平齐、曲率半径为１５ｍｍ、高度为１０ｎｌｍ时，风阻系数降低了１４．７％，实现了最大程度的减阻。

主题词：车轮阻风板风阻系数汽车外流场ＣＦＤ

中图分类号：Ｕ４６１．１文献标识码：Ａ文章编号：１０００—３７０３（２０１５）１２—００２９—０５ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅＦｒｏｎｔ－。ｗｈｅｅｌＳｐｏｉｌｅｒ

ｏｎ

ＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＤｒａｇｏｆＶｅｈｉｃｌｅ

ＫａｎｇＮｉｎｇ，ＤｉｎｇＨａｏ

（ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ

ｍｅｔｈｏｄｏｆ

ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ

Ｆｌｕｉｄ

Ｄｙｎａｍｉｃｓ）ｉｓ

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ｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｂｏｄｙａｎｄｔｈｅｉｎｓｉｄｅｉｓｆｌｕｓｈ

ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｓｉｄｅｏｆｔｈｅｗｈｅｅｌ。ｔｈｅｒａｄｉｕｓｏｆｃｕｒｖａｔｕｒｅｉｓ１５ｍｍａｎｄｔｈｅｈｅｉｇｈｔｉｓ９ｍｍ，ａｉｒｄｒａｇｉｓｒｅｄｕｃｅｄｂｙ１４．７％，ｔｈｅ

ｍａ）【ｉｍｕｍａｉｒｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｉｓａｃｈｉｅｖｅｄ．

Ｋｅｙ

ｗｏｒｄｓ：Ｗｈｅｅｌ，Ｓｐｏｉｌｅｒ，Ｄｒａｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，Ｖｅｈｉｃｌｅ

ｅｘｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄ，ＣＦＤ

１前言

阻风板。

汽车在行驶过程中，由于车轮旋转，会带动部分空２计算模型的建立

气与前方来流交汇于轮腔与车轮的间隙通道，造成车轮２．１控制方程组

周围气流紊乱，从而影响汽车底部及整车的气动性能。通常状态下，汽车外部流动被认为是定常不可压车轮阻风板位于车轮的正前方，能够有效阻挡气流对车缩流动，空气介质物性参数恒为常数。考虑到汽车车轮的直接冲击，并削弱间隙及底部气流的紊乱程度，起轮旋转引起的分离现象，应按湍流处理，其控制方程组到优化流场、减小整车气动阻力的作用”，。

如下¨０Ｉ：

文献［２卜文献【９】研究的阻风板均是矩形平面薄璺＝０

板。本文对平面、曲面阻风板进行了研究，计算了无阻风板和带阻风板两种情况下某局部简化汽车模型的外部流场，研究了阻风板位置、曲率半径、宽度及高啄ｔｉｌｌ鼍，ｉ：一吉善＋吉南ｐ鼍一ｐ函）ｎ’

度对整车气动阻力的影响及其之间的匹配，确定了能式中，丘。为时均速度分量；弓为脉动速度分量；Ｐ为压

够最大程度优化车轮附近流场、实现最优减阻效果的

强；Ｐ为密度；ｐ为动力粘性系数；ｐｕ：如为关联项，需

￥基金项目：国家自然科学基金项目（ＮＯ．５１１７５０１６）。

２０１５年第１２期

一２９—

引入相应湍流模型来封闭方程。２．２车身模型

车身模型采用文献［１１】和文献［１２】中的局部简化缩比模型，局部车身长度为５９１．１ｍｍ，宽度为１９０．５高度为１２７ｍｍ，车轮直径为７６．６ｍｍ，宽度为３６．２

ｍｍ，ｍｍ。

由于模型的对称性，取一半模型进行模拟计算，如图ｌ

所示。

一一

（。）表面网格

（ｂ）剖面网格

图３车轮附近网格分布

两种计算域计算后得出模型风阻系数分别为０．３８７和０．３８４，两者相差不到０．８％。由于计算域１的网格数目较少，有利于节省计算时间，故选用计算域１作为以下计算的计算域。

２，４求解参数及边界条件设置

幽ｌ车身及计算域模型

采用ｋ一占Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ湍流模型，壁面函数为标准壁面函数，采用２阶迎风格式对网格进行离散，速度和压强的耦合处理采用ＰＩＳＯ方法。

由于阻风板厚度与其高度和宽度相比很小，对流场影响较小，故定义为零厚度。阻风板位于车轮前方，其模型示意图如图２所示。

入口为速度入Ｅｌ，大小为３０砒；出口为压力出口，

压强为１个标准大气压；车身为无滑移壁面条件；车轮为旋转无滑移壁面条件，角速度为７８３．２ｒａｄ／ｓ；地面为移动无滑移壁面条件，速度大小及方向同人Ｅｌ；对称面为对称边界条件；顶部与右侧为滑移壁面条件；参考压强为１个标准大气压。

：

３计算方法验证

为验证本文计算方法及结果的可靠性，对未加阻风

口可Ｌ扭

（ｃ）外形

板的原模型（图１）外流场进行了计算。计算得出风阻系数Ｃ。为０．３８７，与文献【１１】试验结果的相对误差为７．８％，与文献［１２１计算结果的相对误差为２％。本文仿真结果与试验结果有一定误差的原因是未考虑控制车轮旋转装置。

图２阻风板示意

４仿真结果及分析

４，１原模型车轮附近流场分析

２．３计算域及网格划分

计算域为包围车身模型的长方体，为研究计算域尺度对结果的影响，建立了两种计算域模型。计算域１与文献［１２］中尺度一致，长度、宽度、高度分别为４

７６１．３ｍｉｌｌ、２５０ｍｍ、７５０

首先对原模型外流场进行了计算。图４为原模型过车轮中心纵截面速度矢量图和车轮表面压力分布图。从图４中可以看出，来流直接冲击车轮前下部，在车轮迎风面形成压力较大的正压区，在后下部形成较大的尾涡，导致车轮产生较大空气阻力，因此减小车轮迎风面正压和后部尾涡是降低车轮空气阻力的有效途径。

位于车轮前方的阻风板能有效削弱来流对车轮的冲击，故研究阻风板位置、曲率半径、宽度及高度这４个因素对风阻的影响，以便设计合适的阻风板以最大程度地降低车轮空气阻力。

ｍｍ，车身前端距人口约２

倍车身长度，后端距出口约５倍车身长度，宽度约２．６倍车身宽度，高度约６倍车身高度；计算域２宽度增加

至４００ｍｍ，其余均保持不变。

对这两种计算域划分网格，重叠部分的网格划分完全一致，均采用非结构化四面体网格，在车轮附近网格分布较密，其次是车身附近，远离车身网格分布较稀疏。两种计算域的网格数目分别为９５万和１３５万。图３为车轮附近的网格分布情况。

－３０－

汽车技术

基础研究

４‘鬻

均有所降低，平均降低６％左右，说明添加阻风板确有一定的减阻效果，其中方案ｃ减阻效果最好，风阻系数为０．３５９。４种方案的风阻系数最大相差１％左右，可见位置对减阻效果影响不大，为减阻不敏感因素。

Ｉ

—

ｆＩ，）乍轮表ｍ…、／Ｊ

图７为方案ｃ的车轮纵截面速度矢量图和车轮表面压力分布图。对比原模型流场图发现，阻风板能有效减小尾涡及正压区域。由于方案Ｃ的风阻系数最小，因此以下研究均采用方案ｃ。

图４原模型流场

４．２阻风板放置位置的影响

本文采用宽度３６．２ｍｍ、高度５ｍｍ的平面阻风板，研究了阻风板的４种放置方案，如图５所示。方案ａ表示阻风板外侧与车身和车轮平齐；方案ｂ表示阻风板向车身内缩进１０ｍｍ；方案ｃ缩进１２．６７ｍｍ，且外侧与车身底部圆弧平齐；方案ｄ缩进１４．３０ｍｍ，内侧与轮腔内边界平齐。

圈

瓣

（ｂ）车轮表面压力

Ｊ一一一

｜；｜小啉蕊二嗣

ａ）方案ａ

图７方案１３流场

４．３曲率半径的影响

曲率半径分别选为１５

ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０

ｍｍ及

血ｉｉ■

∞（平板），高度为５ｍｍ，阻风板外侧均与车身底部圆弧平齐，内侧与车轮内侧平齐，此时宽度为２３．５３

ｍｍ。

（ｂ）方案

对５种曲率半径的外流场进行了计算，图８为风阻系数随阻风板曲率半径变化的曲线。从图８可以看出，曲面阻风板的风阻系数均小于平板；曲率半径为３０ｍｍ时风阻系数最小，为０．３５６，较原模型降低了

８％。

Ｓ０．３７蟊

垛０．３６墨０．３５

旦ｉ盏童■■

，蓝萄冽

（（）方案（．（（１）力‘案ｔＩ

图５阻风板放置方案

对４种阻风板放置方案的外流场进行了计算，图６为４种方案的风阻系数。

Ｓ（）３７巅

垛０．３６窭

董０．３５

５

２０

３【１

４０

ｏ

图８模型风阻系数和曲率半径的关系曲线

图９为曲率半径为３０ｍｍ时车轮纵截面的速度矢量图和车轮表面压力分布图。对比原模型流场图发现，尾涡及正压区域均有所减小。故以下研究的曲率半径均采用３０

ｍｍ。

ⅢＩ，钲、ｔｔ件／¨Ⅲｔ

图６模型风阻系数

４．４阻风板宽度的影响

阻风板宽度分别选为１８．８２

ｍｍ、２０ｍｍ、２３．５３ｍｍ、

一３１一

从图６中可以看出，４种方案的风阻系数较原模型

２０１５年第１２期

基础研究

２８．２４ｍｍ、３０ｍｍ和３７．８ｍｍ

２８．２４

６种，其中１８．８２ｍｍ和

０．３７

ｍｍ分别为２３．５３ｍｍ的０．８倍和１．２倍，３７．８ｍｍ的

阻风板内侧与轮腔内边界平齐；阻风板外侧均与车身底部圆弧平齐，高度为５ｍｍ，曲率半径为３０

涔｝◆

ｍｍ。

０Ｏ．３６Ｓ＊

喵０１３５

窑

墨Ｏ３４

３４５６７８９ｌＯ

高度ｈｎｍ

图１１模型风阻系数和高度的关系曲线

图１２为阻风板高度９ｍｍ时车轮纵截面速度矢量图和车轮表面压力分布图。与原模型流场对比发现，尾涡基本消除，车轮正压区大幅减小。

岫）年轮表回Ｊ主力

图９曲率半径３０ｍｍ模型的流场

对６种宽度下的外流场进行了计算，风阻系数随阻风板宽度变化的曲线如图１０所示。从图１０中发现，６种宽度的风阻系数较原模型均降低了８％左右。６种宽度的风阻系数相差不大，宽度２０ｍｍ时风阻系数最小，为０．３５４。因此认为阻风板宽度为减阻不敏感因素。考虑到宽度为２３．５３ｍｍ时，阻风板外侧正好与车身底部圆弧平齐，内侧又与车轮内侧平齐，故以下研究均采用该宽度。

Ｓ０．３６暴

雌Ｏ．３５

窖

－ＬＬ

ｌｌＪ川轮农血压力

图１２高度９ｍｍ时模型的流场

４．６最优阻风板的确定

根据以上研究结果可知，选定的阻风板外侧均与车身底部圆弧平齐，内侧与车轮内侧平齐，因此只需研究曲率半径和高度这两个因素的最佳匹配。

表１给出了不同曲率半径和高度情况下的风阻系

基Ｏ３４

８．８２２０．００２３．５３２８２４３０．００３７．８Ｉ

宽度ｈｍｎ

数。结果表明，当曲率半径为１５ｍｍ、高度为１０ｍｍ时，风阻系数最小，较原模型降低了１４．７％，实现了最大程度的减阻效果，为最佳匹配。

表１高度／ｍｍ

１５ｍｍ

２０ｍｍ

图１０模型风阻系数和宽度的关系曲线

４．５阻风板高度的影响

考虑行驶通过性，阻风板高度取值范围为３～

１１

曲率半径与高度匹配的模型风阻系数

曲率半径

３０ｍｍ０．３３９０．３４００．３３３０．３４０

４０ｍｍ０．３４２０．３３３０．３３６０．３３３

ｍｍ；阻风板外侧与车身底部圆弧平齐，内侧与车轮

内侧平齐，曲率半径为３０ｍｍ。

对９种高度下的外流场进行了计算，图１１为风阻系数随阻风板高度的变化情况。从图１１中可以看出，高度为３～９ｍｍ时，风阻系数不断减小，高度为９ｍｍ时风阻系数最小，为０．３３３，较原模型降低了１４％，随后在高度为１０ｍｍ和１１ｍｍ时有小幅增加。

一３２—

７８９１０

０．３４４０．３３７０．３３５０．３３０

０．３４２０．３３８０．３３３０．３３１

图１３为该阻风板的车轮纵截面速度矢量图和车轮

汽车技术

基础研究

表面压力分布图。对比原模型流场图发现，其最大程度消除了车轮后下部的尾涡，减小了正压区域，实现了最优减阻效果。

４３

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ａｓ

ａｎ

４麓

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（责任编辑帘青）

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修改稿收到日期为２０１５年９月１日。

（上接第２８页）参考文献

ｌ

５结束语

ａ．通过仿真结果与部分试验结果对比可知，仿真结果相对客观，在当量比为１时，随着ＥＧＲ率的增加，在低、高负荷时会使得缸内燃烧峰值压力降低，放热率曲线后移；

ｂ．低负荷时所研究的最大ＥＧＲ率（１５％）还不能起到降低排气温度的作用，在高负荷ＥＧＲ率达到１７％时排气温度开始下降，当超过２０％时温度可以控制在７００ｏＣ以内；

ｃ．在当量比燃烧状态下，高负荷通入ＥＧＲ时可以降低ＣＯ的生成量，低负荷时有大量ＣＯ生成，可以很好的抑制ＮＯ，的生成，但ＨＣ生成量增加；

ｄ．仿真结果表明，随着ＥＧＲ率的增加，经济性变差，因此在低负荷时不适合通人ＥＧＲ。

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（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为２０１５年７月８日。

－３３

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