汽车车轮扰流板降阻效果数值模拟分析

付宇

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

车轮作为汽车上重要的组成部分，直接影响着整车的外流场特性。由于车轮的作用，车身底部流场进一步复杂化，在整车阻力分布中车轮带来的气动阻力占整车气动阻力的30%，但其作为汽车必备附件不可去除[1]。以往对车轮的研究多集中在车轮本身结构对车身流场的影响，对通过添加外部附件来控制车轮附近流场的研究则较少[2]。因此，文章考虑采用添加车轮扰流板的方式，梳理车轮附近及车体底部气流，从而达到降阻的目的。通过选取整车全细节模型，采用计算流体力学方法，模拟出添加前后车轮扰流板后，车轮附近及车底流场变化情况，考察风阻系数变化情况。通过分析计算结果，评估出前后车轮扰流板的降阻效果的差异性，明确前后车轮扰流板的耦合作用机理。为采用添加车轮扰流板来降低车身气动阻力提供理论指导。

1 数值仿真计算

1.1 几何模型的建立

为分析车轮及底盘附近气流分布情况，模型应尽量体现整车实际状态，因此需建立带有机舱及全细节汽车底盘模型。模型包括车身外表面、机舱中的全部部件及底板上的全部细节，如图1所示。

图1 汽车几何模型图

1.2 仿真方案的确定

为对比添加前后车轮扰流板后车体底部流场变化，找寻前后车轮扰流板之间的耦合关系，确定了4种方案，具体方案说明，如表1所示。

表1 添加前后车轮扰流板方案对比表

前车轮扰流板设计成平板加半弧形结构，高度为0.05 m，宽度为0.321 m，设置在距离前车轮0.15 m位置处。前车轮扰流板详细布置位置及尺寸，如图2所示。

图2 前车轮扰流板布置方案示意图

后车轮扰流板设计成平板结构，高度为0.05 m，宽度为0.17 m，设置在距离后车轮0.13 m位置处。后车轮扰流板详细位置及尺寸，如图3所示。

图3 后车轮扰流板布置方案示意图

1.3 网格划分及边界条件设置

在建立风洞计算域模型时，需尽量避免风洞边界对计算结果的影响，因此需要将风洞尺寸适当放大。风洞模型长度为10个车身长度，高度为6个车身高度，宽度为11个车身宽度。具体尺寸，如图4所示。

在车体外表面与风洞边界之间生成体网格，体网格选用Trimmer网格，机舱及底板部件边界层网格为2层，首层厚度为0.5 mm，边界层总厚度为1 mm。由于车身外表面气流流速较高，车身表面附近的气流速度梯度较大，因此在车身表面设置了5层边界层，边界层首层厚度为0.005 mm，边界层总厚度为1 mm[3]。为更好地捕捉车身表面气流分布状态，计算模型中对车身附件关键区域进行网格加密设置，具体加密区域的位置，如图5所示。加密后体网格数约为1 800万个。

图5 流体域体网格加密区域设置模型图

物理模型采用Realizable k-ε湍流模型，三维稳态计算，具体模型设置显示界面，如图6所示。

图6 算例物理模型设置显示界面

风洞入口边界类型为Velocity Inlet（速度入口），速度为100 km/h，出口边界类型为Pressure Outlet（压力出口），压力为0，其他壁面边界类型为Wall[4]。为正确反映机舱内气流状态，计算模型中考虑换热器（散热器、冷凝器）的阻尼特性以及风扇转动对整车外气动性能的影响，空气体积质量为1.184 15 kg/m3，车轮轮速为100 km/h，地面速度为100 km/h。

2 数值仿真结果及分析

通过稳态仿真计算得到上述4个方案的计算结果，如表2所示。

表2 添加前后车轮扰流板方案结果统计表

对比方案1与方案2的计算结果可知，添加前车轮扰流板后，风阻系数（Cd）有了明显的下降，下降了0.027；对比方案1与方案3计算结果可知，添加后车轮扰流板后，Cd下降了0.005；对比方案2与方案4计算结果可知，在已经添加前车轮扰流板的基础上添加后轮扰流板，Cd则无明显变化。说明与后车轮扰流板相比，前车轮扰流板的降阻效果较为明显。为进一步明确前车轮扰流板的降阻效果及前后车轮扰流板的耦合关系机理，将重点对比方案1、方案2及方案4流场速度分布云图及车底壁面压力云图。

图7示出车体前端车身壁面压力云图。对比图7a及图7b，可以看出，添加前车轮扰流板后，可阻止高速气流对前轮及轮罩的冲击，这在一定程度上降低了前车轮及前轮罩区域带来的气动阻力。前车轮扰流板在降低前轮及其轮罩气动阻力的同时又降低了气流对后轮的冲击。

图7 车体前端车身壁面压力云图

为清楚查看添加前车轮扰流板后，后车轮附近流场的变化情况，需截取流域内高度为0.92 m处水平截面的流场速度分布云图进行分析，该截面的具体位置，如图8所示。

图8 流域内0.92 m高度处水平截面位置示意图

流域内高度为0.92 m处水平截面流场速度分布情况，如图9所示。对比图9a及图9b速度云图，可以看出，添加前车轮扰流板后，后车轮前端气流流速明显降低，降低了气流对后轮的冲击。

图9 添加前车轮扰流板后流域内0.92 m高度处水平截面位置流场速度云图

图10示出车体底部壁面压力云图，对比图10a及图10b，可以看出，添加前车轮扰流板后，后车轮前端压力明显降低，说明由其产生的气动阻力减小，与后车轮扰流板相比，前车轮扰流板不仅可以降低前车轮及轮罩引起的气动阻力，更在一定程度上降低了后车轮带来的气动阻力，因此其降阻效果明显。

图10 添加前车轮扰流板后车体底部壁面压力云图

图11示出流域内0.92 m高度位置流场速度云图。对比图11a及图11b，可以看出，在添加前车轮扰流板的基础上添加添加后车轮扰流板，车底部流场无明显变化，因此风阻系数亦无变化。

图11 添加前后车轮扰流板后流域内0.92 m高度处水平截面位置流场速度云图

图12示出车体底部壁面压力云图，由图12a及图12b对比可知，在添加前车轮扰流板的基础上添加后车轮扰流板，车底部压力场无明显变化。这主要是由于前车轮扰流板与后车轮扰流板具有一定的耦合作用，在已经添加前车轮扰流板的情况下，后车轮前端的气流流速已经降低，气流对后轮的冲击已经减小。因此，在此基础上添加后车轮扰流板无明显的降阻效果。

图12 添加前后车轮扰流板后车体底部壁面压力云图

3 结论

文章以汽车全细节模型为基础，采用计算流体力学方法，模拟出添加前后车轮扰流板后，车轮附近及车底流场的变化情况，通过不同方案的对比分析得出：1）与后车轮扰流板相比，前车轮扰流板的降阻效果较为明显；2）前车轮扰流板与后车轮扰流板具有一定的耦合作用，在已经添加前车轮扰流板的基础上添加后车轮扰流板，后车轮扰流板的降阻效果被减弱。