某低风阻电动SUV车轮周边流场特点分析

李喆隆，成 云 ，封 云，王 佳，曾昌明

“双碳”目标促使电动汽车续驶里程倍受关注。通过降低风阻使行驶阻力和整车电耗得到降低是提高续驶里程的有效途径。近年来，电动SUV 的Cd（Drag Coefficient，风阻系数）已降至0.26 以下，拓展了汽车空气动力学的工程开发边界。各车企陆续发布了低Cd电动SUV，均配置封闭面积很高的空气动力学轮辋，以降低车轮扰流和风阻；高端车型同时搭配昂贵的空气悬架，以降低车高，减少车底乱流，进一步降低风阻。对于中端SUV，可从造型和车轮导流板等方面挖掘降低风阻的可能。

改善车轮附近流场是整车风阻优化的重要部分，国外学者对前轮导流板和轮辋的周边流场特点及对整车风阻的影响进行了研究[1-5]，国内学者徐辰等[6]对电动轿车不同导流板的影响进行了仿真分析，童一等[7]对独立轮辋周边的流场特点进行了仿真分析，胡兴军等[8]利用格子玻尔兹曼方法研究DrivAer 标准模型车轮不同旋转设置方法的特点，唐洪涛等[9]对燃油SUV 不同导流板和轮辋的组合进行仿真寻优，车艳秋等[10]研究了燃油SUV 不同轮辋的气动影响，任超等[11]研究了燃油轿车不同轮辋和胎纹的风阻影响，王夫亮等[12]和贾青等[13-14]研究了燃油轿车不同导流板对风阻的影响以及车轮附近的流场状态，梅肖等[15]对某款风阻系数约为0.30 的电动SUV 不同轮辋的流场特点进行了分析。

本文采用雷诺时均方法模拟某纯电动SUV 外流场并进行实车风洞试验。经过前保险杠和前轮船型导流板引流，将3种封闭面积小的常规轮辋与全封闭理想气动轮辋进行空气动力学性能对比，并对配置不同轮辋的样车均进行风洞试验，各Cd值均不超0.25。通过仿真分析阐述此款低风阻SUV 车轮的周边流场特点，为低风阻产品开发提供参考。

1 分析方法

1.1 仿真计算

假设整车外流场为三维常密度不可压缩状态，满足N-S质量守恒和动量守恒[1]方程，即

式中：ρ为流体密度，kg/m3；u为流体速度矢量，m/s；t为时间，s；p为流体微元压强，Pa；μ为流体粘度，kg/(m·s)；Si为动量守恒中广义源项；ui为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诺时均、大涡模拟、直接数值模拟以及格子波尔兹曼等方法，其中雷诺时均根据粘度确定方法分为零方程、一方程、两方程、七方程等模型，两方程又分为k-ε和k-ω两种模型。

本文采用STAR-CCM+软件计算稳态k-ε雷诺时均湍流模型，对电动汽车各状态进行仿真分析。

1.2 网格处理

首先建立包括机舱内所有部件的整车模型。整车尺寸为4 690 mm×1 936 mm×650 mm，轴距为2 845 mm，外观如图1所示。整车面网格约为600万个，采用三角形网格单元划分，最小网格尺寸为4 mm；长方体计算流场域尺寸为66 m×12 m×10 m；体网格为3 000万个，采用Trim网格切分；边界层网格总厚度为8 mm，共5层，增长率为1.2。

图1 整车外观

1.3 边界条件与求解设定

仿真模拟车速设定为120 km/h，计算域进口为速度边界条件，出口为压力边界条件，地面为移动壁面，速度为120 km/h，侧壁为滑移壁面，车轮为壁面旋转，角速度为92.7 rad/s。稳态计算步数为5 000步，将最后1 000步的平均值作为风阻系数。

1.4 风洞试验方法

在中国汽车工程研究院风洞中心进行实车风洞测试，依据CSAE（China SAE，中国汽车工程学会）标准T/CSAE 146—2020《汽车整车空气动力学风洞试验气动力风洞试验方法》进行，测试速度为120 km/h。

2 测试对象

本文针对3 种常规具有一定镂空的轮辋和1 种理想全封闭的气动轮辋分别进行测试，即R19a、R20a、R20b 和R19b，相应规格为235/50 R19、245/45 R20，如图2所示。试验车配置内藏式主动进气格栅，均保持叶片关闭的低风阻状态，整体风洞试验如图3所示。

图2 测试用轮辋

图3 风洞试验

同时，试验车安装有一款前轮导流板，如图4所示，导流板主体高度H为41 mm，长度L为188 mm，前部宽度W1为133 mm，后部宽度W2为259 mm。

图4 前轮导流板

3 测试结果

3.1 不同轮辋的测试结果

通过仿真得到R19a、R20a、R20b 和R19b 的风阻系数分别为0.250、0.252、0.258、0.245，风洞试验结果分别为0.249 1、0.249 0、0.249 4、0.249 3，各风阻系数均较小，前3种常规轮辋与后者全封闭气动轮辋的最大差值的绝对值不超过0.3 counts，说明常规镂空轮辋可以达到理想封闭气动轮辋的风阻效果。对比仿真值与试验值，二者最大差异率不超3.5%，吻合度较高，说明仿真分析是整车前期风阻研发的有效方法。

风洞试验说明前保险杠和前轮导流板具有良好的导流作用，并且各轮毂的风阻表现一致，几乎完全消除了轮辋造型的影响。前保险杠在y向完全遮挡前轮，同时两侧型面过渡圆滑，没有显著的聚风突起特征，最大凸起小于20 mm，也没有通风气帘结构，气体压力在前保险杠外表面均匀过渡至轮罩边缘，如图5所示。

图5 4种轮辋配置车表面压力分布

由图5 可知，4 种轮辋的y向外露面几乎没有正压，说明没有明显气流吹至轮辋表面，避免车轮旋转引起更多乱流，从而保持了较低风阻。

3.2 前轮导流板的测试结果

为测试前轮导流板对整车风阻的影响，移除导流板后对R19a、R20a、R20b和R19b 4种轮辋进行仿真计算，整车风阻系数分别为0.260、0.261、0.264、0.253，较移除前平均升高约8 counts，如图6所示。

图6 4种轮辋配置车表面压力分布（移除前轮导流板）

对比图5、6 可知，车轮附近y向外露面的压力均增加，轮眉前上部和轮辋上半圈的负压均有所减弱，说明移除前轮导流板会将更多气流吹入车轮区域，引起旋转的车轮与来流相互作用，阻碍气流快速通过车辆周围，从而使整车风阻增加。

对比前轮导流板移除前、后不同轮辋的总压为0等值面的特点，如图7所示，移除前车轮附近的等值面y向凸起更小、更薄、更平滑，说明气流被车轮旋转区域阻碍后，其能量损失更小，气流扰动小，使整车保持较低阻力；移除后车轮附近的等值面y向凸起更大、更厚、更扭曲，说明气流被车轮旋转区域阻碍后，其能量损失更大，气流扰动大，使整车风阻增加。

综上，整车前保险杠和前轮导流板对来流起到了良好引导作用，减少车轮对来流的扰动。风洞试验结果表明，4种轮辋的整车风阻系数基本相同，均保持在较低水平。

4 结束语

本文对某款纯电动SUV 进行流场仿真分析和风洞试验，分析和测试不同轮辋配置下整车风阻性能，并重点测试前轮导流板对整车风阻的影响。仿真与试验结果均表明，前保险杠和前轮导流板设计对车轮周边气流具有较好引导作用，整车Cd约为0.249，尤其前轮导流板可以明显降低整车风阻，并且常规镂空轮辋能够达到理想封闭气动轮辋的风阻效果，为低风阻车型开发提供借鉴参考。