輪胎花紋對(duì)整車(chē)氣動(dòng)特性影響的等效方法研究

尹章順 王夫亮

摘? 要：本文基于LBM方法，首先計(jì)算了旋轉(zhuǎn)條件下具有詳細(xì)花紋外形的車(chē)輪的氣動(dòng)特性，然后將輪胎花紋簡(jiǎn)化為縱向溝槽，利用不同表面粗糙度系數(shù)值等效詳細(xì)花紋外形的氣動(dòng)效應(yīng)，計(jì)算旋轉(zhuǎn)條件下的外形簡(jiǎn)化車(chē)輪的瞬態(tài)外流場(chǎng)特性。對(duì)比分析了兩種外形車(chē)輪的流場(chǎng)分布特性和氣動(dòng)力發(fā)展結(jié)果，以及表面粗糙度系數(shù)值對(duì)氣動(dòng)特性的影響，獲得了能夠準(zhǔn)確反映詳細(xì)車(chē)輪花紋氣動(dòng)效應(yīng)的表面粗糙度系數(shù)值，據(jù)此對(duì)整車(chē)瞬態(tài)外流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，將結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，一致性較好并且計(jì)算精度較高。該方法確定了較為合理的等效表面粗糙度系數(shù)值，對(duì)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)條件下的整車(chē)瞬態(tài)空氣動(dòng)力特性進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的模擬，簡(jiǎn)化了處理輪胎詳細(xì)幾何的復(fù)雜程度，計(jì)算效率得到提高。

關(guān)鍵詞：輪胎花紋;氣動(dòng)特性;粗糙度;瞬態(tài)CFD仿真;風(fēng)洞試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U461.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2020）03-0027-05

Abstract： Transient exterior flow field aerodynamic characteristics of rotating wheels was simulated based on LBM method for detailed tread pattern tire， then the tread pattern was simplified to longitudinal slots， and the transient exterior flow field aerodynamic characteristics were simulated for rotating simplified tire with different surface roughness values to simulate the detailed tread pattern aerodynamic effects. The flow field characteristics and aerodynamic force development were both analyzed， and the equivalent surface roughness value was obtained which could accurately simulate the aerodynamic effect of detailed tire tread pattern. And then the vehicle transient flow field was simulated and the Cd results were correlated with the wind tunnel testing results which showed good agreement. This method realizes the accurate simulation of the aerodynamic characteristics of the vehicle's transient flow field under the condition of rotating wheels， the mesh processing complexity of the detailed tire tread pattern is reduced， and the computational efficiency is improved.

前? ? 言

出于節(jié)能環(huán)保和提高最高車(chē)速的目的考慮，以降低車(chē)輛氣動(dòng)阻力為目標(biāo)的空氣動(dòng)力性能開(kāi)發(fā)顯得越來(lái)越重要[1]。

相關(guān)研究結(jié)果表明，上車(chē)身引起的風(fēng)阻約占總氣動(dòng)阻力的50%[2，3，4]，汽車(chē)底板、車(chē)輪和輪腔引起的氣動(dòng)阻力占總氣動(dòng)阻力的40-50%[2，5-8]，車(chē)輪和輪腔引起的氣動(dòng)阻力約占總氣動(dòng)阻力的25%[9]。因此，能否準(zhǔn)確模擬車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)和輪腔內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)于整車(chē)氣動(dòng)性能的模擬有重要影響。然而輪胎表面花紋的幾何細(xì)節(jié)比較復(fù)雜，前處理比較耗時(shí)，而且如果處理不當(dāng)，計(jì)算網(wǎng)格不能準(zhǔn)確反映幾何細(xì)節(jié)，還可能會(huì)對(duì)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生不確定性的影響，對(duì)結(jié)果評(píng)估帶來(lái)困難。

本文針對(duì)上海通用某款車(chē)型，嘗試在簡(jiǎn)化縱向溝槽輪胎表面上利用表面粗糙度等效詳細(xì)幾何花紋對(duì)流場(chǎng)的影響，并實(shí)現(xiàn)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)，對(duì)整車(chē)氣動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，從而簡(jiǎn)化輪胎詳細(xì)幾何前處理的復(fù)雜性，提高計(jì)算效率，并獲得準(zhǔn)確的外流場(chǎng)氣動(dòng)特性計(jì)算方案，應(yīng)用于車(chē)輛氣動(dòng)特性的開(kāi)發(fā)。

1? ? 車(chē)輪幾何與分析方案

本文研究所用的車(chē)輪幾何如圖1所示，輪胎型號(hào)為GITI 195/65R15，左側(cè)為詳細(xì)花紋輪胎，右側(cè)為簡(jiǎn)化成只有縱向溝槽的輪胎，輪輞外形都為詳細(xì)幾何。

取足夠大的計(jì)算域邊界，盡量減小計(jì)算域邊界對(duì)車(chē)輪繞流的影響。應(yīng)用滑移網(wǎng)格方法計(jì)算詳細(xì)花紋輪胎的氣動(dòng)力特性，做為表面粗糙度簡(jiǎn)化輪胎計(jì)算結(jié)果的目標(biāo)值。對(duì)于縱向溝槽輪胎的外流場(chǎng)計(jì)算，應(yīng)用滑移網(wǎng)格計(jì)算輪輞部分的外流場(chǎng)，應(yīng)用移動(dòng)壁面技術(shù)實(shí)現(xiàn)輪胎部分的轉(zhuǎn)動(dòng)模擬，并對(duì)輪胎表面施加不同的表面粗糙度，以模擬詳細(xì)花紋對(duì)氣動(dòng)特性的影響，滑移網(wǎng)格設(shè)置區(qū)域如圖2所示，左側(cè)為詳細(xì)花紋輪胎，右側(cè)為縱向溝槽輪胎。計(jì)算設(shè)置輪胎邊緣轉(zhuǎn)動(dòng)線速度為140km/h。

2? ? 數(shù)值方法

本文應(yīng)用Exa公司的商用軟件PowerFLOW進(jìn)行瞬態(tài)流場(chǎng)數(shù)值模擬。該軟件在笛卡爾體網(wǎng)格上對(duì)格子玻爾茲曼方法（Lattice Boltzmann Method，簡(jiǎn)稱(chēng)LBM）進(jìn)行離散，離散網(wǎng)格由軟件自動(dòng)生成。玻爾茲曼方程給出了通過(guò)分布在時(shí)間和空間域上運(yùn)動(dòng)的流體粒子的統(tǒng)計(jì)學(xué)方程對(duì)流體進(jìn)行了微觀描述，方程可寫(xiě)成如下形式：

PowerFLOW中的湍流模型只應(yīng)用湍流理論模擬耗散和慣性范圍，通過(guò)兩個(gè)附加方程模擬亞格子尺度的運(yùn)動(dòng)學(xué)，附加方程從擴(kuò)展的RNG（重整化群理論）方程獲得，這一方法又稱(chēng)為Very Large Eddy Simulation方法，可詳細(xì)參考文獻(xiàn)[10，11]。

3? ? 車(chē)輪氣動(dòng)特性計(jì)算結(jié)果

3.1? ?氣動(dòng)力

氣動(dòng)力計(jì)算結(jié)果如表1所示，共進(jìn)行了6個(gè)工況的計(jì)算，第1個(gè)工況為詳細(xì)幾何花紋輪胎，其余5個(gè)工況為縱向溝槽輪胎，并分別在輪胎表面設(shè)置數(shù)值為0/1/2/4/6的表面粗糙度值（用SR表示）。

從表1和圖3可以看出，表面粗糙度SR=1時(shí)，氣動(dòng)阻力和阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果與詳細(xì)花紋輪胎計(jì)算結(jié)果整體最為接近，其中阻力差別為0.13N，阻力系數(shù)差別為0.0001。SR=0時(shí)，側(cè)向力和側(cè)向力系數(shù)與詳細(xì)花紋輪胎最為接近，SR=6時(shí)，升力和升力系數(shù)與詳細(xì)花紋輪胎最為接近。考慮到氣動(dòng)阻力特性是目前新車(chē)型氣動(dòng)開(kāi)發(fā)中最為關(guān)注的氣動(dòng)性能，因此選擇表面粗糙度SR=1對(duì)整車(chē)氣動(dòng)特性進(jìn)行模擬。

3.2? ?阻力發(fā)展曲線

圖4為車(chē)輪阻力發(fā)展曲線，表示車(chē)輪阻力隨X方向坐標(biāo)位置的變化。從圖中可以看出，各表面粗糙度下，簡(jiǎn)化溝槽車(chē)輪的阻力發(fā)展趨勢(shì)比較一致。從數(shù)值上看，粗糙度SR=0和SR=1的阻力發(fā)展值與詳細(xì)花紋輪胎結(jié)果比較接近，但是SR=1時(shí)的總阻力值與詳細(xì)花紋輪胎更為接近。因此綜合考慮阻力發(fā)展過(guò)程和總阻力值，取SR=1可以獲得比較合理的等效結(jié)果。

3.3? ?車(chē)輪表面附近流速

圖5為車(chē)輪表面附近的流速對(duì)比，從圖中可以看出SR=1時(shí)的簡(jiǎn)化溝槽車(chē)輪與詳細(xì)花紋輪胎流速分布較為接近。SR=0時(shí)輪胎邊緣高速區(qū)域較為狹長(zhǎng)，側(cè)面分離區(qū)位置較為靠后，與詳細(xì)花紋輪胎流速分布差異較大。SR=2時(shí)的流速分布與SR=1時(shí)較為接近，但是迎風(fēng)面低速區(qū)域較為集中，面積較小，側(cè)面氣流分離區(qū)域也與詳細(xì)花紋輪胎差別較大。

3.4? ?車(chē)輪表面壓力

圖6為車(chē)輪表面壓力分布對(duì)比，從圖中可以看出SR=1和SR=2的車(chē)輪表面壓力分布比較相近，與詳細(xì)花紋輪胎比較接近，SR=0的壓力分布與詳細(xì)花紋輪胎差別相對(duì)比較大。

綜合以上氣動(dòng)力、阻力發(fā)展曲線、速度分布和壓力分布的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，表面粗糙度系數(shù)SR=1時(shí)的計(jì)算結(jié)果與詳細(xì)花紋輪胎最為接近，因此本文取SR=1的簡(jiǎn)化溝槽輪胎等效詳細(xì)花紋輪胎，進(jìn)行整車(chē)氣動(dòng)特性計(jì)算。

4? ? 整車(chē)氣動(dòng)特性計(jì)算

根據(jù)所確定的輪胎等效方案，本文對(duì)所選車(chē)型進(jìn)行了10個(gè)方案的氣動(dòng)特性計(jì)算，這些方案包括一個(gè)基本方案，以及在基本方案基礎(chǔ)上進(jìn)行的外形改動(dòng)，包括去掉前阻風(fēng)板、去掉前輪導(dǎo)流板、加裝鋸齒形前輪導(dǎo)流板、加裝不同高度的后擾流板、設(shè)置尾部銳化分離特征線等等。

瞬態(tài)計(jì)算過(guò)程中風(fēng)阻系數(shù)Cd隨流場(chǎng)時(shí)間的變化如圖7所示，總的流場(chǎng)計(jì)算時(shí)間約為2.18s，開(kāi)始的一段時(shí)間是流場(chǎng)從初始瞬態(tài)逐漸過(guò)渡到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)的過(guò)程。對(duì)Cd結(jié)果取向后平均，獲得圖中任意時(shí)刻處，從該時(shí)刻開(kāi)始其后方所有Cd結(jié)果的平均值。Time=0.5s時(shí)，其后方的Cd變化趨勢(shì)總體比較平穩(wěn)，并且0.5s-1.0s范圍內(nèi)的向后平均值比較接近，偏差小于0.001，因此取Time=0.5s的向后平均值做為Cd的計(jì)算結(jié)果。

計(jì)算所獲得的10個(gè)方案的Cd結(jié)果如圖8所示（涉及保密原因，隱去Cd絕對(duì)值）。圖中可以看出，計(jì)算值分布在實(shí)驗(yàn)值兩側(cè)±1%的偏差帶內(nèi)，即計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的偏差小于1%，可以認(rèn)為本文所采取的計(jì)算方案對(duì)整車(chē)外流場(chǎng)進(jìn)行了比較準(zhǔn)確的模擬，利用表面粗糙度等效模擬詳細(xì)花紋的方案是可行的。

5? ? 總結(jié)

本文基于LBM方法，利用表面粗糙度等效詳細(xì)輪胎花紋對(duì)流場(chǎng)的影響，獲取較為合理的表面粗糙度參數(shù)，進(jìn)而對(duì)旋轉(zhuǎn)車(chē)輪條件下的整車(chē)外流場(chǎng)氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明，合理的表面粗糙度數(shù)值能夠比較準(zhǔn)確地等效輪胎花紋對(duì)流場(chǎng)的影響，利用該方案計(jì)算得到的整車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值的偏差在±1%以內(nèi)。該方法比較準(zhǔn)確地模擬了旋轉(zhuǎn)車(chē)輪條件下的整車(chē)瞬態(tài)外流場(chǎng)氣動(dòng)特性，并且降低了處理輪胎詳細(xì)幾何的復(fù)雜性，提高了計(jì)算效率。

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