汽车车轮扰流板减阻参数优化设计及分析

钟根鹏+杨业豪+汪允浩

【摘 要】针对某轿车，采用数值仿真和近似计算的方法研究了车轮扰流板对于车轮处流场以及整车气动阻力的影响。在原型数值研究基础上加装了两种不同的车轮扰流板，进行了简单的流场近似模拟并对比分析了3种方案在车轮处的流动特性及其整车气动阻力。研究发现，在车轮前增加合适的车轮扰流板，可以有效减小车轮两侧气流的分离及湍流现象，从而有助于降低整车气动阻力，从而在一定程度上汽车高速行驶过程中减少了负压，提高了汽车的动力性和经济性。

【关键词】汽车动力学；数值模拟；车轮扰流板

一、关于汽车流场和汽车空气动力学简介

汽车的外部流场使汽车受到力和力矩的作用，对汽车的动力性、经济性和操纵稳定性产生极大影响。但直到不久前，汽车空气动力学还只研究气动力和力矩效应。但是通过流态分析，可以理解很重要的流动过程，如气流在汽车车顶后缘发生分离，形成很大的一个滞区，以及车尾部分的气流分离过程。

二、数值模拟理论简介

目前的湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法。直接数值模拟方法是指求解瞬时湍流控制方程，非直接数值模拟方法就是不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流做出某种程度上的近似和简化处理。这些简化处理可分为：大涡模拟、统计平均法和雷诺时均法。

数值模拟的实现就可以用到现在的许多计算流体力学软件，本处即举出CFD为例。

如图是CFD求解方程的框图。建立控制方程和确立初始条件及边界条件对研究的物理模型进行分析，概括出合适的数学模型，并进行适当的数学选取。划分网格，生成计算节点过程需要选定合适的方案，一般的流体问题都是采用有限体积法的离散格式。在离散的空间上建立了离散的代数方程组，并施加离散化的初始条件和边界条件后，还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数，此外，还要控制计算精度、输出频率等。通过数值方法求解方程，CFD提供了成熟的算法。

边界条件是指在求解域的边界上所求解的变量或其任意一阶导数随地点和时间的变化规律。只有给定了合理的边界条件，才可能得到流场的解。在CFD模拟时，基本边界条件包括流动入口边界、流动出口边界、壁面边界、对称边界、周期性边界。

湍流控制方程简介：湍流流动是自然界常见的流动现象，在多数工程问题中流体的流动往往处于湍流状态。湍流实验表明，当雷诺数小于某临界值时，流动是平滑的，相邻的流体层之间彼此有着秩序地流动，这种运动叫做层流。当雷诺数大于某一个值时，出现一系列复杂的变化，流动处于混乱无序的状态，这种运动叫做湍流。一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态运动的连续性方程和纳维斯托克斯方程对于湍流的瞬时运动还是适用的。使用笛卡尔坐标速度矢量在X、Y和Z方向的速度分量分别为u、v和w，湍流瞬时控制方程如下：

Div（u）=0

■+div（u*u）=-■■+div（grad u）

■+div（v*u）=-■■+div（grad v）

■+div（w*u）=-■■+div（grad w）

三、簡化车身模型

轿车后车体形状直接影响汽车表面上气流的流动状态影响车后部的尾涡从而影响气动阻力，此处选择某种常见的轿车作为研究对象，并且忽略雨刷、后视镜、门把手，水槽等一些复杂的结构，并且也对汽车的底盘做出了简化。建立简单的CAD模型。

如图，原始的简单CAD模型（选自吉林大学学报，车轮扰流板对轿车风阻的影响）

在数值仿真过程中，各边界条件设置如下：计算域入口采用速度入口，设置气流速度为28m/s，方向为X正向；出口为压力出口，车身各个部件设定为固定壁面，计算域地面设定为移动壁面；方向为Z正向，速度为28m/s！以便消除地面效应。.

左图是原始车轮前后流线图 右图是加装车轮扰流板后车轮前后流线图（选自吉林大学学报车轮扰流板对轿车风阻的影响，）

模拟结果分析

根据数值模拟结果，做出如下表格：

通过数值模拟方法得到结论，安装车轮扰流板起到降低气动阻力的作用，且车轮扰流板安装在车轮前端的位置对整车的减阻效果要更明显一点，整车Cd值的减少量方案一比方案二多0.43%；车轮处的阻力也大大减少。

分析减阻的原因，对比两组车轮的压力云图（略），得知加入了车轮扰流板后车轮处的正压力明显减少。汽车向前行驶时，进入汽车底部的气流会冲击车轮，强烈的撞击后会使车轮表面产生气流分离，因此车轮正压区的后侧有很明显的负压区。车轮扰流板抵挡了一部分冲击前轮的气流，使这部分气流减缓分散开来，进入轮腔的气流会少一些，削弱了从侧面进入的气流与它形成涡流的趋势，从而获得减阻效果。

参考文献：

[1]胡兴军，李腾飞，郭鹏，廖磊，王靖宇.车轮扰流板对轿车风阻的影响.吉林大学

[2]李冠群，胡兴军，廖磊，杨博.车轮扰流板外形参数的DOE设计于低风阻优化.吉林大学

[3]张英朝，《汽车空气动力学数值模拟技术》，北京；北京大学出版社

[4]杨永柏，王靖宇，胡兴军.皮卡车外流场的数值模拟.吉林大学学报

[5]胡兴军，张英朝等.基于雷诺应力湍流模型的数值模拟

[6]郭建成，谷正气，容江磊等.基于Kriging模型的某轿车前轮阻风板优化，工学版

[7]胡兴军，汽车动力学，北京；人民交通出版社