（光学工程专业论文）转动车轮对轿车外流场影响的数值模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 汽车空气动力特性是汽车的重要特性，对汽车的动力性、燃油经济性和操纵稳定性 有直接的影响。数值模拟计算是现今研究汽车空气动力特性的重要方法。在汽车外流场 数值模拟计算中，通常只采用简化车身，后视镜、车轮等车身附件被忽略不计。作为汽 车车身中重要的组成部分，因车轮影响而增加的气动阻力可占到整车阻力的3 0 ，车轮 对汽车空气动力特性有重要影响。除此之外，由于车轮的作用，车身底部流场进一步复 杂化，其结果也直接影响整车的空气动力特性。因此，了解和掌握车轮附近流场特性以 及对整车外流场的影响，对于进一步改善和提高汽车整体气动特性有重要作用。 本课题中，首先对a h m e d 钝体进行数值模拟计算，得到所选用的湍流模型和网格 的计算精度，保证后续数值模拟计算结果的可靠性，并比较了取消支柱和使用支柱情况 下a h m e d 钝体的气动特性变化。其次分析单个车轮在悬空、着地情况下的不同气动特 性表现。最后选用国内某常见轿车为计算模型，比较在无车轮、固定车轮、转动车轮条 件下，模型气动特性的差别，并详细分析车轮附近流场特性以及其对整车气动特性的影 响。 结果证实：支柱对a h m e d 钝体气动特性有重要影响；无车轮模型在气动阻力与气 动升力的计算上误差较大，带有车轮的模型在气动阻力与气动升力计算上吻合较好；车 轮是产生阻力与升力的重要车身附件；车轮的存在对车身尾部涡流形态有重要影响；固 定车轮与转动车轮对于车身尾涡区的影响类似，计算得到的气动力系数比较接近；车轮 直接影响整个汽车的外流场特性，忽略车轮的汽车外流场数值模拟计算不能得到正确结 果，不能符合实际工程的要求。 关键词：外流场；数值模拟；旋转车轮；空气动力特性；气动力系数 转动车轮对轿车外流场影响的数值模拟 t h ee f f e c to ft h er o t a t i n gw h e e l so nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l o w f i e l da r o u n da u t o m o b i l e a b s t r a c t t h ea e r o d y n a m i cq u a l i t yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c sf o ra u t o m o b i l e i t h a sad i r e c te f f e c to na u t o m o b i l e sp o w e rp e r f o r m a n c e , t h ef i l e le f f i c i e n c ya n dt h ec o n t r o l s t a b i l i t y t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s a l li m p o r t a n tm e t h o df o rs t u d y i n gt h ea u t o m o b i l e s a e r o d y n a m i c sq u a l i t yn o w a d a y s i nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi t se x t e r n a lf l o wf i e l d t h e a u t o m o b i l e sb o d yi su s u a l l ys i m p l i f i e da n dt h ea p p e n d i xs u c ha st h er e a r v i e wm i l t o r , t h e w h e e le t c i si g n o r e d a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f a u t o m o b i l eb o d y , t h ew h e e l si n c r e a s et h e a e r o d y n a m i cd r a gw h i c hc a l lb ea c c o u n t e df o r3 0 o f t h ee n t i r ev e h i c l ed r a gf o r c e h e n c e ，w e c a nc o n c l u d et h a tt h ew h e e l sh a v ea l li m p o r t a n ti n f l u e n c eo na u t o m o b i l e sa e r o d y n a m i c s i n a d d i t i o n t h eb a s ef l o wf i e l do ft h ea u t o m o b i l eb o d yf u r t h e rc o m p l i c a t e sa sar e s u l to ft h e w h e e l sf u a c t i o n , w h i c ha l s od i r e e t l ya f f e c t st h ee n t i r ev c h i c l e t sa e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c t h e r e f o r e i t si m p o r t a n tt ou n d e r s t a n da n dt om a s t e rt h en e a r b yf l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i co f t h e w h e e l sa n di t si n f l u e n c eo nt h ee n t i r ev e h i c l e se x t e r n a lf l o wf i e l d ；i th a ss u c ha ni m p o r t a n t e f f e c tf o ri m p r o v i n ga n de n h a n c i n gt h ea u t o m o b i l e sa e r o d y n a m i cp r o p e r t i e s i nt h i si s s u e ，f i r s t l y , t h ec h o s e nt u r b u l e n c em o d e la n dt h ec a l c u l a t i o na c c u r a c yo fg r i di s g a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o no na h m e db l u n tb o d y t h ep u r p o s ei nd o i n gs oi st oe n s u r e t h ef o l l o w - u pr e s u l t s r e l i a b i l i t yo ft h i sc o m p u t a t i o n a n dt h ec h a n g e so fa h m e db l u n tb o d y s a e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s oo b t a i n e db yc o m p a r i n gt h es t i l ti nu s ea n dt h es t i i tn o t b e e nu s e d s e c o n d l y , t h ep e r f o r m a n c eo fs i n 【g l ew h e e l sa e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci s a n a l y z e db o t hw h e ni t si nv a c a n ta n do nl a n d l a s t l y , b yc h o o s i n gad o m e s t i cc o m m o n a u t o m o b i l ea st h ec o m p u t a t i o nm o d e l ，t h ed i f f e r e n c e so fm o d e l 。sa e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a r ec o m p a r e do nt h ec o n d i t i o no ft h ea u t ob o d yw i t h o u tw h e e l s 。埘mf i x e dw h e e l sa n dw i m r o t a t i n gw h e e l s a n dt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ef l o wf i e l dn e a rt h ew h e e l si sa l s od o n e , a s w e l la si t si n f l u e n c et ot h ee n t i r ev e h i e l e sa e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 矾l er e s u l t sc o n f i r m e dt h a t , t h es t i l th a sam a j o ri m p a c to b a h m e db l u n tb o d e s a e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；i nt h ec o m p u t a t i o no fb o t hd r a gf o r c ea n dl i f tf o r c e ，t h ee r r o ri s b i g g e rf o rt h en o n - w h e e lm o d e lw h i l et h er e s u l tt a l l i e sw e l lf o rt h em o d e lw i t hw h e e l s ； w h e e l sa r ei m p o r t a n ta p p e n d i xf o rp r o d u c i n gd r a ga n dl i f tf o r c e ；a n da l s ow h e e l sh a v em a j o r i m p a c to nt h et u r b u l e n tf l o ws h a p eo ft h eb o d y sr e a rp a r t , a sw e l la sf i x e dw h e e l sa n d r o t a t i n gw h e e l sd o ，a n dt h ec o e f f i c i e n to fa e r o d y n a m i cf o r c eg a i n e db yc a l c u l a t i n gi s i i 大连理工大学硕士学位论文 r e l a t i v e l yc l o s e ；rc a n n o tb er i g h to rm e e tt h ea c t u a lp r o j e c t sr e q u i r e m e n t si ft h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no fa u t o m o b i l e se x t e r n a lf l o wf i e l d si s i g n o r e d , f o rw h e e l sa f f e c t t h ee n t i r e v e h i c l e se x t e r n a lf l o wf i e l d sd i r e c t l y k e yw o r d s ：e x t e r n a lf l o wf i l e d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：r o t a t i n gw h e e l sa e r o d y n a m i c q u a l i t y , c o e f f i c i e n to f a e r o d y n a m i cf o r c e i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：铌铎翱 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者欲受秀仇多碉 陶伤仫铣门 作者签名：引二一7 新虢立丝 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景与意义 随着全球经济的不断发展，汽车的保有量逐年提高。伴随着汽车技术的提高和高等 级公路的建设，汽车的车速在不断增加。从1 7 6 9 年法国陆军上尉古纳制造出的第一辆 三轮蒸汽牵引机的时速5 公里，到2 0 0 6 年8 月2 2 日英国人安迪格林创下的时速5 2 6 0 2 7 公里的世界纪录，两百多年来，汽车的行驶速度已经达到令人惊讶的地步。 汽车车速的提高在给人们带来便捷的同时也带来了汽车在低速行驶时并不突出的 问题，如空气动力特性造成的汽车动力性、操纵稳定性、燃油经济性等。轿车作为人们 日常生活最重要的汽车形式，在“安全、节能、环保”的三大主题下，对其进行空气动 力学特性研究具有重要的意义。 汽车空气动力学的研究手段主要有试验研究、理论分析和数值分析三种方法【l 】。试 验研究是目前汽车空气动力学中的主要研究方法，它能在与所研究的问题完全相同或大 体相同的情况下进行研究，直观且可信度高，但它受限于试验手段、方法、设备及经费 等客观条件，此外有些问题尚无法在试验中解决。理论分析利用数学方法求出理论结果， 清晰、普遍地揭示出空气运动、汽车气动力产生机理以及对汽车性能影响的内在规律。 但理论分析受到数学工具和求解方法的限制，往往只能建立较为简单的近似模型和工程 经验公式，无法满足研究分析更复杂、更符合实际的现象。 随着计算机硬件的发展，数值计算得以长足发展。与试验方法和理论分析相比，以 计算流体力学( c f d ，c o m p u t e r f l u i d d y n a m i c s ) 为基础的数值计算有以下一些优点： l 、数值计算可节省大型试验而花费的巨大人力和物力： 2 、数值计算应用范围广，不受风洞边界条件的影响和湍流、风速、风向、雷诺数 等的影响和限制； 3 、数值计算机动性大，可根据计算机终端的设置而随时改变算题； 4 、数值计算可以计算使用试验方法无法测量或不能进行试验的场合。 由于自身的突出特点，数值计算已成为与试验研究和理论分析同等重要的研究方 法。当前，国外汽车公司已投入大量的人力和物力进行c f d 技术的应用，配合风洞试 验的验证和完善，大大加快了新车型的研究与开发。 轿车的外流场具有典型的三维分离流动特性，而尾流场更是外流场研究中的重点， 因为对于一个基本车体来说，8 5 的阻力为形状阻力，1 5 为摩擦阻力，而在形状阻力 中来自车体前部的阻力仅占9 ，其余全部来自尾部。尾流中存在复杂的流动现象，具 转动车轮对轿车外流场影响的数值模拟 有非定常的特性1 2 。此外，汽车周围的流场由于汽车是利用车轮在地面上行驶这个事实 而更加复杂化【3 1 。作为汽车上重要的组成部分，车轮影响着整个汽车的外流场特性，车 轮对整车空气动力特性的影响越来越受到人们的重视。因车轮影响而产生的气动阻力占 到整车气动阻力的3 0 ，对于一级方程式赛车等整个车轮暴露的车型，这一数值更是达 到了4 5 ，某些厢货车型甚至达到了5 0 。因车轮底舒阻塞气流产生的气动升力也成为 影响汽车操纵稳定性的重要因素。除此之外，汽车侧壁的污染情况也与车轮附近的复杂 流场息息相关。车轮与轮腔内特殊的流动情况形成压差，将泥水与尘土从轮腔内吸出， 向侧壁弥漫，形成对侧壁的污染【4 】。总之，了解和掌握车轮附近流场对整车外流场的影 响，对于进一步改善和提高汽车气动性能有重要作用。 1 2 国内外研究概况 早在2 0 世纪2 0 年代，欧美国家就开展了汽车空气动力学的研究工作【5 l 。从3 0 年代 开始，人们越来越重视车身外形对减少空气阻力的影响 6 1 ，到5 0 年代后期和6 0 年代， 各大汽车公司均投入巨资建造新型的整车风洞，对整车的气动力、室内通风、灰尘积垢、 车身密封性等进行研列“。经过几十年的研究与发展，汽车空气动力学取得了丰硕的成 果，普通轿车的气动阻力系数已经从2 0 年代的0 8 左右降到现在的0 3 5 以下，一些先 进的气动设计的样车，气动阻力系数甚至降到0 1 5 - 0 z o t 2 j 。但是对车轮处空气动力学研 究较少，首先因为轮腔受悬挂系统的影响，考虑空气动力特性较少，其次很多技术问题 受到制约，且费用昂贵。 然而，因为车身受限于功能的限制，已经很难再迸一步改进。空气动力学工程师开 始更多的关注车身下部的研究，车轮附近的流场特性成为汽车空气动力学研究的重点。 早期的研究，仅仅考虑轮胎宽度和轮盖对汽车空气动力学的影响。研究的方法是在风洞 中安置一个静止的轮胎，或者使用一辆静止的整车。 在探索底部优化过程的后期，工程师开始对风洞中静止车轮这一做法产生了疑问， 并开始使用“移动带”或叫做“移动式地板”的装置模拟车轮的转动状态，m e r c h e r 和 k n a p e 第一次使用“移动式地板”对滚动轮胎进行研究，研究表明不仅静止的地面对车 轮外流场精确模拟有影响，静止轮胎这一条件对模拟也有影响 s t 。g w i c k e r n 等人对a u d i a 3 的研究表明，车腔和转动车轮条件对整车影响产生的气动阻力占到整车总阻力的三 分之一【9 1 。 “移动式地板”装置在模拟过程中仍然存在一些不可避免的问题。车轮模型外圆周 与模拟地面之间必须接触，以及“移动式地板”振动导致的接触压力可变，使得气动力 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 的实测变得非常困难。某些试验室把模型车轮升高一个很小的离地间隙转动，但这将会 在车轮与地面之间的缝隙中造成局部气流急剧增加，影响气动合力，得到完全错误的试 验结梨3 1 。 图1 1 使用“移动地板”的汽车风洞试验 f i g 1 1 t h ev e h i c l e sw i n dt u n n e lt e s tw h i c hu s em o v i n gb e l t c f d 技术的发展为更好地模拟车轮处气动特性提供了可能。c f d 技术可以避免风 洞试验带来的和不便于解决的诸多问题。a x o n l j 使用c f d 软件s t a r c d3 1 对车轮 进行了成功的模拟，计算结果表明c f d 技术可以提供比在“移动式地板”上运动的转 动车轮和固定地面固定车轮更好的试验结果，并且c f d 技术可以提供更详细的气流流 场细节 1 0 1 。a f s k e a 和p r b u l l e n 对带有拱罩的车轮进行试验后，比较了c f d 模拟结 果与试验结果的差别，进一步了证明c f d 技术在车轮模拟上的可行性【l ”。 早期的c f d 技术主要研究独立车轮或者附着在简单形体上的车轮，现在已经可以 对整车的流场进行完整的分析。a x o n l j 先对一轿车模型进行了“移动式地板”的风洞 试验，后用c f d 对全车模拟，并进行了结果的比较b 2 a 3 1 ，提出改进“移动式地板”设 备的方法。 现在的c f d 也存在着很多需要解决的问题：对计算模型网格数量和质量、湍流模 型、壁面处理、数值插分格式等的敏感【1 4 】；在一次模拟前需要作复杂繁琐的准备工作。 汽车空气动力学的研究工作，在我国起步较晚。由于早期我国高等级公路通车里程 少，汽车工业水平低，交通设旌不完善，实用车速较低，汽车空气动力学的研究工作没 有引起人们的足够重视。近年来随着我国国民经济的高速发展，汽车行业不断引进具有 国际先进水平的新设备、新技术，使我国汽车工业水平有了很大的提高，同时高速公路 转动车轮对轿车外流场影响的数值模拟 和高等级公路不断建成和投入使用，实用车速不断提高，作用在汽车上的空气力对汽车 性能的影响已经达到了必须进行控制的程度。在此背景下，我国汽车空气动力学的研究 工作得到了发展，并取得了明显的成效。 图1 2 数值模拟计算中的车轮附近网格 f i g 1 21 1 g i r d sa r o u n dt h ew h e e l si nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n 我国汽车专用风洞数量很少，汽车空气动力学的研究大多是在航空风洞中进行。 c f d 技术的引入为追赶技术领先的发达国家提供了契机，对提高国产汽车的性能指标、 研发能力提供了巨大帮助。在计算对象上逐渐由简单、粗糙的车体的模拟计算向复杂、 精确车体过渡，计算的结果和精度逐渐向国外先进水平靠拢。 对于车轮流场，国内也进行了一些研究。吉林大学傅立敏教授等人先后对车轮处网 格的生成【1 5 1 、车轮辋辐板设计【l6 】等方面进行了研究，并取得了很多有意义的结果，为车 轮流场的研究提供了相应的参考。北京航空航天大学许清霖等对不同宽度的独立车轮进 行了数值模拟【1 7 1 ，得到车轮宽度对车轮气动力的影响关系。然而，国内研究对象仍以独 立车轮或带有简单钝体车身车轮为主，对整车条件下流场的模拟相对较少。带有车轮的 车身流场的模拟是今后汽车外流场模拟的发展方向。 1 3 本文研究的主要内容 本文针对汽车外流场模拟的发展趋势，利用流体仿真软件c f x ，对带有车轮的轿车 进行整车外流场的数值模拟计算，主要内容包括： 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 1 、分析与了解汽车行驶过程中的空气流动特征，搜集数值模拟需要的条件，论述 c f d 研究的前处理基础。 2 、对a l l m e d 标准钝体进行数值模拟计算，详细比较不同计算区域、网格划分和湍 流模型下得到的计算结果，为下一步轿车外流场的数值模拟提供可靠的依据。 3 、分析独立车轮在悬空、着地条件下外流场的特点。 4 、对计算车型进行精确建模，分析无车轮、静止车轮和转动车轮三种条件对轿车 气动力和车身流场影响，比较不同条件下车轮附近流场特点；分析车轮流场对汽车气动 力特性改进的意义，为轿车外流场的研究积累数据。 转动车轮对轿车外流场影响的数值模拟 2 汽车外部流场实际模型、数学模型基础理论 汽车外部流场数值模拟计算，必须建立在正确的实际模型与数学模型基础之上。实 际模型代表了汽车行驶过程中真实的物理情况，数学模型就是根据真实物理情况特有的 内在规律，做出一些必要的偷化假设，运用适当的数学工具，得到的一个数学结构。数 学模型应该尽可能地反映实际模型的本质。 对实际模型的分析十分必要。只有通过分析实际模型，才能了解汽车行驶过程中空 气流动的特征，明确建模目的，搜集建模过程中必要的信息。再结合研究对象的特征和 建模目的，对研究的问题进行必要的、合理的简化，并进行数值模拟计算，最后对模型 进行分析。因此，实际模型的分析与数学模型的选取共同决定了最后数值模拟结果的正 确性。 2 1 汽车外部流场实际模型基础理论 2 1 1 汽车车身外部流场 图2 1 典型轿车车身外流场 f i g 2 1 t h et y p i c a lf l o wf i e l da r o u n das a l o o no a r 典型轿车车身外部流场如图2 1 所示。 轿车在行驶过程中，空气相对于轿车流动。在轿车的对称面上，气流在图中a 点形 成一个驻点，从这里气流分支，从上、下面形成对车身的绕流。在a 点周围的一个区域 内，压力高于来流的压力只。 向上流动的气流经过b 点时，由于此处曲率半径较小，气流来不及马上转折而出现 局部分离，加速拐过，b 点出现压强分布的吸力峰。随后气流重新附着在发动机罩上。 大连理工大学硕士学位论文 由于发动机罩有一定的坡度，重新附着的气流流速较大，压强较低。当气流到达发 动机罩与风挡玻璃交接处时，由于风挡玻璃的存在，气流沿流动方向呈现正的压强梯度， 使得在c 、d 点之间形成一个相对较稳定且有明显涡旋的区域。气流在d 点又重新附着。 当气流流过e 点时，与b 点情况相似，气流流速加快，压强降低，又出现一个较大 的吸力峰。气流到达驾驶室顶部时速度逐渐下降，压强有所回升。气流通过车顶后继续 流动，对于不同的后车体形状( 折背式、舱背式和直背式) ，气流将呈现不同的流谱。 向下流动的气流从驻点a 出发，沿底板有一个随轿车一起移动且逐渐变厚的边界 层。边界层外的气流在f 点附近形成一个沿地面向下游运动的边界层。根据离地间隙的 不同，在不同的g 点交汇或始终保持分离。交汇情况下，在g 点将会因边界层速度相 反产生分离气泡或分离涡，直到车下的所有空气被粘滞力拖带着随车一起运动到h 点为 止，导致一个次生地面边界层的出现，涡旋耗散了能量，形成一定阻力。对于始终分离 的情况，气流可以更快地通过轿车底部，减小了升力，还能获得较小的尾涡流。 由于转动车轮的影响，从侧部和底部流出的气流在车轮上形成大的涡旋。转动的车 轮对车身底部气流流动和轿车尾涡的形成与发展均造成较大的影响，而底部气流流动与 尾涡形式正是轿车气动升力与气动阻力形成的主要原因。 2 1 2 行驶汽车所受的空气力 作用于运动汽车上的空气力由汽车的行驶速度、车身外形和风向角共同决定。 图2 2 汽车稳定坐标系 f i g 2 2 s t a b l ec o o r d i n a t es y s t e mo f ac a r 空气力包括气动力和气动力矩，分为相互垂直的三个分力和绕轴的三个力矩。图2 2 所示坐标系中，坐标原点在前、后轴中心地平面上，善、y 、z 轴表示路面。在横摆角p = 0 转动车轮对轿车外流场影响的数值模拟 时，阻力d 和升力同时存在，另还有纵倾力矩p m ( y 轴) ，三个分量d 、l 、p m 决 定了产生气动力的矢量。当口0 时，除上述力和力矩外，汽车还受到侧向力s 、侧倾 力矩y m ( x 轴) 和横摆力矩r m ( z 轴) 的作用。六分量d 、工、s 和p m 、y m 、r m 决定了总的气动力矢量。 1 汽车的气动力、力矩和正面投影面积4 、气流动压g = 去，记、轴距4 的关系如表 二 2 1 t 1 8 】所示。 表2 1 气动力和力矩及其系数 t a b 2 1 t h ea e r o d y n a m i cf o r c e t h em o m e n ta n dt h e i rc o e f f i c i e n t 力和力矩系数 = o 时车身纵向作用气动力d 升力 侧向力s 纵倾力矩尸m 侧倾力矩兄m 横摆力矩l m 阻力系数c 名= d ：昙以彳c 口 升力系数c ：= ( 昙，记一) 侧向力系数g ；s ( 昙以彳) 纵倾力矩系数c e u ：p c 1 , v ：4 口) 侧倾力矩系数c o ：r ( 吾, v 2 4 口) 横摆力矩系数c o = y ( 昙，屺4 4 ) 气动阻力直接影响着汽车的动力性和燃油经济性。在汽车的气动6 分力中，它的构 成和影响因素最复杂，也是汽车空气动力学研究的重要内容之一【4 】。气动阻力由压差阻 力、摩擦阻力、诱导阻力、干涉阻力和内流阻力5 部分组成。 2 1 3 气动阻力系数的推导 由前述可知，气动阻力系数是衡量汽车空气动力学设计水平的一个重要参数。气动 阻力系数的表达式在表2 1 中已经给出。了解阻力系数的内涵，对于汽车空气动力学的 进一步研究有重要意义。 牛顿第三定律指出：两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，并 且作用在同一直线上。在忽略车体变形的条件下，可以把问题简化为：一个以速度v 在 空气中向前平动( 不产生绕其自身质心的转动) 的刚体，所受到的空气阻力。 大连理工大学硕士学位论文 空气阻力本质上是空气与刚体相互作用强度的一种度量。根据牛顿第三定律，空气 阻力在量上与刚体对空气的作用量相等，刚体对空气的作用力，与空气对刚体的阻力大 小相等、方向相反。求解刚体对空气的作用力，即可问接得到刚体所受的空气阻力。 然而，空气的运动状态十分复杂，每个微小单元的运动学参量各不相同，不可能用 几个宏观物理量对它的整体运动状态进行描述，因而必须对刚体周围的空气按一个一个 微小单元来应用经典力学定律进行计算，这样将会得出一组偏微分方程，可以归结为熟 知的守恒原理：质量守恒、动量和角动量守恒、能量守恒。但它的求解十分复杂，在绝 大多数情况下无法给出解析解。在计算机数值模拟技术发展起来之后，才通过将微分方 程改造为差分形式的代数方程组而利用计算机求出数值解。 将问题进一步简化：设空气密度为p ，一个面积为4 的平板沿其法线方向以速度v 运 动，运动时对前方空气的推力为f ( 空气对该刚体的阻力的大小也是f ) ，计算出结果 后再对这个简化引入的差异进行修正。 在该平板向前运动的过程中，由于平板的推动，平板所到之处相同面积上的空气粒 子获得与平板相同的速度v ，经过t 的时间间隔，刚体的运动距离为v f ，即通道面积为彳， 长度w 的空气团获得了v 的速度。这样一个空气团的质量聊= p a r t ，它获得了v 的速度， 于是，其动能的增加量为： 一1v2=一122 p 彳，3 f( 2 1 ) ， 该动能的增加量是由于f 的力在长度为v t 的距离上做功的结果，这个功的大小为： 形= 凡f ( 2 2 ) 根据能量守恒，有： 肌= 吾p f ( 2 3 ) 对式( 2 3 ) 简化，得： f = p a y ( 2 4 ) 由于式( 2 4 ) 是在一系列简化的基础上得到的，回避了空气因应力波而产生的扰动、 汽车为一钝体而非简单平板等诸多问题，因此需对结果进行修正，引入修正因子c 0 ： f = e o p a ，2 ( 2 5 ) 转动车轮对轿车外流场影响的数值模拟 c o = f ( 寺p a , p ) ( 2 6 ) 二 简化情况下f 取得最大值，因此c 。取值范围为0 到l 。 对于实车的测量，可将实车置于风洞中，取得f 的值后，即可通过式( 2 6 ) 计算得 到气动阻力系数c 。 气动阻力系数g 和其他空气力系数c ；与雷诺数关系密切，在不同的雷诺数时空气 力系数的大小不同。当雷诺数增大到一定的数值后，空气力系数a 几乎不再随雷诺数 变化，这个数值以后的区域称为自动模化区。当车速到1 0 0 k m h 以上时，汽车的雷诺数 达到百万以上，其空气动力学系数c 。均可认为是常数f 4 】，不再随车速而变化。 2 1 4 车轮对流场的影响 汽车在行驶过程中，车轮以气流相反的方向沿地面滚动，轮胎外周上各点当通过离 地最高点时，以二倍于汽车运动速度的速度对着迎面气流运动【3 1 。转动车轮周围的流谱 如图2 - 3 【3 】： 图2 3 转动车轮周围的流谱 f i g 2 3 t h ef l o wp a t t e r na r o u n dar o t a t i n gw h e e l 汽车周围的流谱由于车轮的作用而复杂化。表2 2 【5 1 给出某一型号轿车在行驶过程中 各部件产生的气动阻力和气动阻力减小的潜力。对于该型轿车，车轮与轮腔对整车气动 阻力的贡献占到近四分之一。对于其它类型的汽车，这比例可能更大，例如一级方程 式赛车可达4 5 ，某些厢货车甚至达到5 0 。 大连理工大学硕士学位论文 为了解与车轮空气动力学有关的更为复杂的问题，通常首先考虑一个简单车轮的基 本情况。目前的研究工作集中在两个方面：一是车轮本身的空气动力特性，二是车轮对 整车流场的影响。对简单车轮的研究可在风洞中使用缩小的模型来实现。 表2 2 小轿车各部分的气动阻力和减小潜力 t a b 2 2t h ea e r o d y n a m i cf o r c ea n dr e d u c e dc a p a c i t yo f e a c hp a r to f as a l o o nc a l 2 1 4 1 车轮风洞试验中存在的问题 汽车外流场的研究主要是在风洞中进行。但在风洞中准确地模拟车轮转动状态以及 气流状况，技术上却难以达到。主要原因是由风洞试验原理所导致的问题。 车轮在做风洞试验时通常采用以下两种方法进行实际模拟： 方法一：这种方法是将气体吹到静置的车轮模型上来模拟气流流过车轮的情况，这 与实际情况正好相反。当车轮模型沿地面转动时，情况将变得更为复杂。 转动车轮的情况更符合实际中行驶中汽车车轮流场特征。为了在风洞中实现车轮的 转动，人们采用“移动式地板”装置达到试验的目的。由于结构较为复杂且价格昂贵， 这种“移动式地板”装置只设于某些设备较完善的试验室中。“移动式地板”装置在某 些风洞试验室中由挠性地板制成，并能在两个平行的滚筒上移动，例如意大利都林大学 的试验室的“移动式地板”装置：利用几台小型电动机驱动几个大轮，大轮再和模型汽 转动车轮对轿车外流场影响的数值模拟 车的车轮接触，如图2 4 ：两台电动机m 驱动四个大轮p ，将模型固定到隔板上，其四 个车轮w 与大轮p 接触。 图2 4 移动式地板模型 f i g 2 4 a m o v i n gb e l tm o d e l 然而“移动式地板”装置也存在着诸多问题，最重要的是因为车轮与地面接触所产 生的力几乎无法测量。由于车轮模型外圆周与模拟地面之间必须接触，且“移动式地板” 普遍存在振动，而振动导致接触压力可变，气动力的实测变得很困难。为避免这些问题， 某些试验把模型车轮升高一个很小的离地间隙转动，但这又使得车轮与地面之间的缝隙 中局部气流急剧增加，影响气动合力，得到不准确甚至完全错误的结果。 方法二：即使“移动式地板”已解决存在的问题，但因为试验中车轮是在汽车静止 状态下转动的，车轮与车身之间的干涉就可能产生一个难以预见和难以进行研究的很特 殊的流谱。风洞试验所得到的流谱提供了一张准确的汽车空气动力学特性图，但因为它 是许多不同影响因素的综合结果，所以很难将它们分离出来用于分析。要解决这一问题， 必须依靠进一步改进测试仪器。 2 1 4 2 不同试验下车轮流谱的分析 把车轮看作是一个在离地较远的静止空气中悬空转动的短圆柱体，如图2 5 。由于 空气的粘滞作用，最邻近圆柱体表面的空气粒子粘附在短圆柱体表面上，并随之转动。 空气的粘性导致周围的空气粒子也按照同样的轨迹运动，这实际上就造成了短圆柱体周 围空气的旋转运动，气流速度的分布情况如图2 5 a 。因此，根据理论空气动力学，该流 谱为涡流。 一1 2 一 大连理工大学硕士学位论文 a n 卑酌 图2 5 悬空转动车轮周围的流谱和压力分布 f i g 2 5 t h ef l o wp a t t e r na n dp r s u r cd i s t r i b u t i o na r o u n da r o t a t i n gw h e e li nt h ea i r 在不存在地面影响的条件下，匀直气流中转动的车轮，由于车轮轮辋周围的非对称 压力分布会产生气动合力，这个气动合力产生的过程称为马格纳斯( m a g n u s ) 效应【1 9 1 ， 道理如同上拉的弧旋乒乓球急剧下沉，车轮受到一个向下的负升力，如图2 5 b 。 a 耄簪藤b 医 隔 a ! 三l ；c 一b 协月 图2 6 着地转动车轮周围的流谱和压力分布 f i g 2 6 t h ef l o wp a t t e r na n d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na r o u n dar o t a t i n gw h e e lo nt h eg r o u n d 对应实际情况，由于车轮在地面上滚动，导致空气不能在车轮与地面之间沿轮胎和 地面的接触区流动，产生的情况与匀直气流完全不同。合成的流谱和对应的压力分布见 图2 6 。图中表示气动合力是向上作用的，即气动合力是趋予将车轮从地面上抬起，因 此，车轮实际上产生一个相当大的气动升力，这与匀直气流中转动车轮的情况完全不同。 这种情况与车轮完全暴露的f 1 赛车情况相同。 其他测量项目可在车轮旋转和车轮静止两种情况的缩小比例汽车模型上进行，结果 表明车轮静止的模型所受升力要比车轮旋转的模型小3 0 。与通常在风洞中的试验相 同，为了降低模型的制作费用，部分试验中车轮是固定的，以此来近似研究汽车实际情 况下的空气动力特性。 转动车轮对轿车外流场影响的数值模拟 如前所述，单独旋转的车轮会产生涡流。因粘滞性造成的空气团随轮盘旋转，产生 一股较弱的涡流，这股涡流在汽车侧面与迎面气流相遇时，即有下弯的趋势。这些涡流 与汽车主体产生的总涡流系相互干涉，并最后被吸收。在所产生的空气团随车轮外缘移 动，到达车轮顶部表面的同时，空气团与方向恰好相反的迎面气流相遇。由于车轮顶部 表面的空气以二倍于车速的速度流动，可见在旋转车轮的上部，空气粒子仍沿汽车的运 动方向行进。因此，该区域的气流速度由于大量的空气积聚于迎面气流下而迅速降低。 为此，预计在车轮顶部的上游某处可找到一点，气流在该点与轮胎分离。这个分离点显 然取决于汽车的速度，并随着车速的增加而前移。这种现象可以在风洞中用流动显示法 进行研究。 气动阻力也可以由与车轮旋转有关的其他现象产生。轴向速度分布表明，车轮两侧 的气体流动往往局部地慢于汽车上方的流动，流速较低相对应于局部气压较高。空气趋 向于从局部高压区流向局部低压区。因此，在通常的流谱中，我们不得不考虑横向气流 的作用。横向气流和汽车运动所产生的全部气流共同作用，形成一个涡流。当考虑一个 车轮时，在气流分离线和邻近地面处这两个区域，就会得到上述流谱。当汽车在尘土多 的道路上行驶时，可能会看到接近地面的车轮所产生的涡流的效应。 所有这些涡流的形成需要消耗车轮动量，这是车轮阻力的组成部分，但是这一部分 难以从车轮的总阻力中单独测出。 前后轮的空气动力特性不完全相同，例如l 级方程式赛车。完全从实用考虑，车轮 人为安排为前后两排，后轮全部或局部在前轮的尾流中转动，因此后轮在全然不同的状 况下转动，所以它们的空气动力特性也不同。这样的车轮干涉的一般流谱如图2 7 所示。 根据可获得的试验数据，一般认为这种汽车的前轮约占车轮总阻力的6 5 。 己萨 粼 ：一划一乙v 3 0 0 斌酗?一斌 ab 图2 7 前后转动车轮周围的流谱和压力分布 f i g 2 7 t h ef l o wp a t t e r na n d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na r o u n dt h ef r o n tr o t a t i n gw h e e la n d r e a rr o t a t i n gw h e e l 大趣工大学硕士学位论文 以上这些气流形态都会影响汽车的动量，因为汽车的动能被空气阻力和湍流所消 耗。试验研究表明，逐渐缩小离地间隙，并增大在轮腔中转动的轮胎的尺寸有助于减小 车轮的气动总阻力系数 2 0 1 。计算这个系数时，以车轮的正面面积为参照面积。系数值的 减小可以理解为旋转车轮在气流中的总暴露量会使气流的动量受到很大损失，而局部地 挡住外界气流会使动量损失减小。人们还发现，进一步增大对空腔中旋转车轮的遮蔽会 导致粘滞性损耗增大。在遮蔽高度与车轮直径之比为0 7 5 时，车轮的阻力系数达到最小 值。 ， 转向轮所需的空腔比后轮的更宽更深。因此，这些空腔对外部气流更为开放，以致 前部的压力差增大，气流外溢会进一步影响总流谱。前端挡板的开启有助于防止这股外 流，从而减小了它的影响。以缩小模型的风洞试验为基础的总阻力的统计数值表明，对 于一般的小客车，使用挡板可使阻力系数大约下降3 5 【3 】。车轮转动的影响大概会导致 进一步减小5 后轮通常是用护罩部分地或全部地遮蔽起来。从后轮轮腔流出的气体一般少于前 轮，主要是因为流入气流和流出气流之间的压力梯度较小。因此，产生的外流速率不会 影响外部流谱。 2 2 汽车外流场数学模型基础理论 汽车外流场通常认为是不可压缩、等温、绝热的湍流运动，符合粘性流体动力学 n a v i e r - s t o k e s 方程连续介质假设。由于汽车外流场可以认为是绝热的湍流运动，所以求 解的方程只包括连续方程( 质量守恒方程) 和动量方程( 动量守恒方程) 。应用于汽车 外部流场的数值模拟方法目前有直接数值模拟法( d n s ) 、大涡模拟法( l e s ) 和雷诺 平均n s 法( r a n s ) 。这些方法之间的关系如图2 8 。 1 、直接数值模拟法( d n s ) 直接数值模拟法是用三维非稳态的n s 方程对湍流进行直接计算的方法。由于湍流 结构的复杂性，必须采用很小的时间步长与空间步长，才能把湍流中各种尺度涡旋的运 动特性都分辨出来。有人曾对在一个较大尺度范围内的湍流的数模模拟作过这样的