汽車(chē)車(chē)輪擾流板減阻參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

鐘根鵬+楊業(yè)豪+汪允浩

【摘 要】針對(duì)某轎車(chē)，采用數(shù)值仿真和近似計(jì)算的方法研究了車(chē)輪擾流板對(duì)于車(chē)輪處流場(chǎng)以及整車(chē)氣動(dòng)阻力的影響。在原型數(shù)值研究基礎(chǔ)上加裝了兩種不同的車(chē)輪擾流板，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的流場(chǎng)近似模擬并對(duì)比分析了3種方案在車(chē)輪處的流動(dòng)特性及其整車(chē)氣動(dòng)阻力。研究發(fā)現(xiàn)，在車(chē)輪前增加合適的車(chē)輪擾流板，可以有效減小車(chē)輪兩側(cè)氣流的分離及湍流現(xiàn)象，從而有助于降低整車(chē)氣動(dòng)阻力，從而在一定程度上汽車(chē)高速行駛過(guò)程中減少了負(fù)壓，提高了汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

【關(guān)鍵詞】汽車(chē)動(dòng)力學(xué)；數(shù)值模擬；車(chē)輪擾流板

一、關(guān)于汽車(chē)流場(chǎng)和汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介

汽車(chē)的外部流場(chǎng)使汽車(chē)受到力和力矩的作用，對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生極大影響。但直到不久前，汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)還只研究氣動(dòng)力和力矩效應(yīng)。但是通過(guò)流態(tài)分析，可以理解很重要的流動(dòng)過(guò)程，如氣流在汽車(chē)車(chē)頂后緣發(fā)生分離，形成很大的一個(gè)滯區(qū)，以及車(chē)尾部分的氣流分離過(guò)程。

二、數(shù)值模擬理論簡(jiǎn)介

目前的湍流數(shù)值模擬方法可以分為直接數(shù)值模擬方法和非直接數(shù)值模擬方法。直接數(shù)值模擬方法是指求解瞬時(shí)湍流控制方程，非直接數(shù)值模擬方法就是不直接計(jì)算湍流的脈動(dòng)特性，而是設(shè)法對(duì)湍流做出某種程度上的近似和簡(jiǎn)化處理。這些簡(jiǎn)化處理可分為：大渦模擬、統(tǒng)計(jì)平均法和雷諾時(shí)均法。

數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)就可以用到現(xiàn)在的許多計(jì)算流體力學(xué)軟件，本處即舉出CFD為例。

如圖是CFD求解方程的框圖。建立控制方程和確立初始條件及邊界條件對(duì)研究的物理模型進(jìn)行分析，概括出合適的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)選取。劃分網(wǎng)格，生成計(jì)算節(jié)點(diǎn)過(guò)程需要選定合適的方案，一般的流體問(wèn)題都是采用有限體積法的離散格式。在離散的空間上建立了離散的代數(shù)方程組，并施加離散化的初始條件和邊界條件后，還需要給定流體的物理參數(shù)和湍流模型的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，此外，還要控制計(jì)算精度、輸出頻率等。通過(guò)數(shù)值方法求解方程，CFD提供了成熟的算法。

邊界條件是指在求解域的邊界上所求解的變量或其任意一階導(dǎo)數(shù)隨地點(diǎn)和時(shí)間的變化規(guī)律。只有給定了合理的邊界條件，才可能得到流場(chǎng)的解。在CFD模擬時(shí)，基本邊界條件包括流動(dòng)入口邊界、流動(dòng)出口邊界、壁面邊界、對(duì)稱邊界、周期性邊界。

湍流控制方程簡(jiǎn)介：湍流流動(dòng)是自然界常見(jiàn)的流動(dòng)現(xiàn)象，在多數(shù)工程問(wèn)題中流體的流動(dòng)往往處于湍流狀態(tài)。湍流實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)雷諾數(shù)小于某臨界值時(shí)，流動(dòng)是平滑的，相鄰的流體層之間彼此有著秩序地流動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)叫做層流。當(dāng)雷諾數(shù)大于某一個(gè)值時(shí)，出現(xiàn)一系列復(fù)雜的變化，流動(dòng)處于混亂無(wú)序的狀態(tài)，這種運(yùn)動(dòng)叫做湍流。一般認(rèn)為，無(wú)論湍流運(yùn)動(dòng)多么復(fù)雜，非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程和納維斯托克斯方程對(duì)于湍流的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)還是適用的。使用笛卡爾坐標(biāo)速度矢量在X、Y和Z方向的速度分量分別為u、v和w，湍流瞬時(shí)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(jiǎn)化車(chē)身模型

轎車(chē)后車(chē)體形狀直接影響汽車(chē)表面上氣流的流動(dòng)狀態(tài)影響車(chē)后部的尾渦從而影響氣動(dòng)阻力，此處選擇某種常見(jiàn)的轎車(chē)作為研究對(duì)象，并且忽略雨刷、后視鏡、門(mén)把手，水槽等一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且也對(duì)汽車(chē)的底盤(pán)做出了簡(jiǎn)化。建立簡(jiǎn)單的CAD模型。

如圖，原始的簡(jiǎn)單CAD模型（選自吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，車(chē)輪擾流板對(duì)轎車(chē)風(fēng)阻的影響）

在數(shù)值仿真過(guò)程中，各邊界條件設(shè)置如下：計(jì)算域入口采用速度入口，設(shè)置氣流速度為28m/s，方向?yàn)閄正向；出口為壓力出口，車(chē)身各個(gè)部件設(shè)定為固定壁面，計(jì)算域地面設(shè)定為移動(dòng)壁面；方向?yàn)閆正向，速度為28m/s！以便消除地面效應(yīng)。.

左圖是原始車(chē)輪前后流線圖 右圖是加裝車(chē)輪擾流板后車(chē)輪前后流線圖（選自吉林大學(xué)學(xué)報(bào)車(chē)輪擾流板對(duì)轎車(chē)風(fēng)阻的影響，）

模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，做出如下表格：

通過(guò)數(shù)值模擬方法得到結(jié)論，安裝車(chē)輪擾流板起到降低氣動(dòng)阻力的作用，且車(chē)輪擾流板安裝在車(chē)輪前端的位置對(duì)整車(chē)的減阻效果要更明顯一點(diǎn)，整車(chē)Cd值的減少量方案一比方案二多0.43%；車(chē)輪處的阻力也大大減少。

分析減阻的原因，對(duì)比兩組車(chē)輪的壓力云圖（略），得知加入了車(chē)輪擾流板后車(chē)輪處的正壓力明顯減少。汽車(chē)向前行駛時(shí)，進(jìn)入汽車(chē)底部的氣流會(huì)沖擊車(chē)輪，強(qiáng)烈的撞擊后會(huì)使車(chē)輪表面產(chǎn)生氣流分離，因此車(chē)輪正壓區(qū)的后側(cè)有很明顯的負(fù)壓區(qū)。車(chē)輪擾流板抵擋了一部分沖擊前輪的氣流，使這部分氣流減緩分散開(kāi)來(lái)，進(jìn)入輪腔的氣流會(huì)少一些，削弱了從側(cè)面進(jìn)入的氣流與它形成渦流的趨勢(shì)，從而獲得減阻效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡興軍，李騰飛，郭鵬，廖磊，王靖宇.車(chē)輪擾流板對(duì)轎車(chē)風(fēng)阻的影響.吉林大學(xué)

[2]李冠群，胡興軍，廖磊，楊博.車(chē)輪擾流板外形參數(shù)的DOE設(shè)計(jì)于低風(fēng)阻優(yōu)化.吉林大學(xué)

[3]張英朝，《汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)》，北京；北京大學(xué)出版社

[4]楊永柏，王靖宇，胡興軍.皮卡車(chē)外流場(chǎng)的數(shù)值模擬.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)

[5]胡興軍，張英朝等.基于雷諾應(yīng)力湍流模型的數(shù)值模擬

[6]郭建成，谷正氣，容江磊等.基于Kriging模型的某轎車(chē)前輪阻風(fēng)板優(yōu)化，工學(xué)版

[7]胡興軍，汽車(chē)動(dòng)力學(xué)，北京；人民交通出版社