基于cfd的车轮空气动力特性分析

基于cfd的车轮空气动力特性分析

车轮辐板对气动特性的影响影响整个车辆的气动特征的主要因素之一是车辆底部的气动特征。为了改善汽车的空气动力学特性，汽车底部的气动特征受到了高度重视。在轮腔里转动的车轮使车体下部的气流变得更加复杂,并成为影响汽车操纵稳定性的重要因素之一。车轮相关的气动阻力值在整车的气动总阻力中占30%左右。目前国内外对车轮的试验及数值模拟研究仅限于简单的类圆柱体模型,对没有辐板细节的车轮进行研究。同时不同种类的车轮对整车气动特性的影响也有所不同,但仅限于轮胎不同花纹对气动特性影响的试验研究。因此采用数值模拟的方法研究由于车轮辐板不同引起的气动特性变化。在STAR-CD平台下进行流场的数值模拟及其后处理,并结合轮腔内部及车身底部流场的压力等值线和流线对相应的流场进行重点分析,寻找气动阻力系数变化的原因,为车轮辐板的设计提供理论依据。1几何模型和计算区域1.1车轮模型的建立车轮的外流场主要受车身下轮腔和车轮本身的影响。为了研究车轮不同辐板对流场的影响,采用了简化的车身模型,即模型具有车身前半部的特征。轮腔包罗线的形状按照某国产轿车精确建模,并且大体上给出了前轴的形状和位置,如图1所示。同一车轮分别加装6种不同辐板,然后进行流场的对比分析。车轮模型是由实际使用的SR14型车轮适当简化得到,细节特征见图2和表1。模型中开孔形状均为实际车轮辐板中常用的类扇形。为了保证车轮与地面接触位置网格的质量,根据车轮的实际变形情况对车轮接地区域进行了修正,即在保证离地间隙的前提下,先将车轮接地部分切掉一段劣弧,然后将切除的边界拉伸至地面,形成如图3所示车轮外形。文献已证明该方法是可行的。1.2车辆纵向对称平面在无风且汽车横摆角为零的情况下,汽车流场在行驶方向上为左右对称的,因此只选取汽车外流场的左边一半进行数值模拟,车身的纵向对称平面为整个外流场的对称平面。模拟中采用的计算域为模型的10倍车长、5倍车高、4倍车宽。2车轮辐板划分方案为了对比分析流场数值模拟结果差异,对6种不同的车轮辐板,采用相同的车身与车轮模型、网格划分方案以及计算区域,设置相同的边界条件,并采用相同的湍流模型和差分格式。2.1网格划分计算网格采用四面体和六面体结合的方式。6种情况的流场计算域生成的网格数均在1000000以上,各个流场生成的网格具体数量见表2。2.2酶活剂将汽车的纵向对称平面设置对称边界条件,地板采用滑移壁面(Slipwall)边界条件,车轮采用旋转壁面边界条件。车轮旋转角速度为100rad/s,来流速度为31.2m/s。湍流强度为Ι=u′U=0.16Re-0.125(1)I=u′U=0.16Re−0.125(1)式中u′、U——速度脉动量和速度均值,m/sk值和ε值计算式为k=32(UΙ)2(2)k=32(UI)2(2)式中k——湍流动能,m2/s2ε=C3/4μk3/2L(3)式中ε——湍流耗散率,m2/s3Cμ——湍流模型中的经验系数,取0.09L——湍流混合长度,mL=0.07DH(4)式中DH——管道的水力直径,m经计算得k=0.146m2/s2,ε=0.03m2/s3。2.3汽车外包中的可适性利用计算流体力学软件STAR-CD求解定常不可压缩雷诺时均N-S方程。文献中求解汽车外流场的算例已经论证了其在复杂的汽车外流场的可适性。该软件采用有限体积法对控制方程进行离散,为避免数值耗散,对流源项采用三阶QUICK格式离散,扩散源项采用中心差分格式离散,差分方程用SIMPLE方法求解。研究发现,采用RNGk-ε模型进行汽车外流场的模拟计算,整体结果更接近风洞试验值。本研究的湍流模型据此均采用RNGk-ε模型。3结果分析3.1开孔面积对车轮阻力系数的影响车轮阻力系数与模型的总阻力系数的计算结果如表2。总阻力系数是指加装车轮后的汽车模型的总气动阻力系数,它因汽车模型的不同而不同。由于选用的车轮辐板几何特征不同而使得空气阻力系数有所变化。车轮阻力系数是指转动车轮的气动阻力系数,不含滚动阻力系数,在该系数的计算中,正投影面积为车轮自身的投影面积。由表2可以看出,并非车轮阻力系数大,整车的阻力系数也随之变大。这说明车轮与车身之间的相互作用是阻力发生变化的主要原因之一。从表中计算结果还可得出:①对比模型S017、S018、S019的结果表明,随着在辐板上开孔数的增加,总阻力系数将减小,而车轮阻力系数呈现不规则变化。②由模型S018s、S018、S018l的比较可知,辐板上单个开孔面积增加,车轮阻力系数将增加,而总阻力系数呈现不规则的变化。因此,在车轮设计中应该充分考虑开孔面积的布置方式,从而达到最佳的气动特性。3.2车桥式的阻力系数不同车轮辐板对轮腔内气流特性的影响是最直接的也是最大的。就本次模拟试验而言,阻力变化的原因也在于此。阻力的增大是由于物体近表面流体中的涡量增大所导致的,通过对此处的涡量分析,可以得到相同的结论。在图4中,可以看到轮腔内的压力系数等值线和流体通过这一区域的流线。从图4中可以看出,在轮腔内所有的模型均在前轴的前侧形成一个较大的剪切涡,并在前轴的后侧形成一个附着在前轴上的涡。由于车轮几何形状的不同,涡的形状也随之发生了变化,其中以前轴后侧的涡变化最为明显,在图4中可以清楚地看到剪切涡2由于被拉伸、拖拽而发生的变形。气流能量消耗的方式有两种,即涡的存在和气流的分离。在轮腔内这两种消耗方式均存在,流线图可以清晰地反映出来。这里选取阻力系数最小的模型(S019)和阻力系数最大的模型(S018l)进行举例说明。从图4d和f比较可以看到,不论是涡还是分离面,模型S018l均有发展变大的趋势,这正是阻力系数变大的原因。另外,比较模型S017和模型S018,可以看出S017的剪切涡2和分离面均比模型S018变化剧烈,大量的能量消耗在此处,所以导致两个模型间车轮阻力系数变化较大(S017为0.0964,S018为0.0494)。由图4可知车轮对流场的影响不仅在轮腔内,同时也扩大到了轮腔后的车身周围,从图4a、c、d、f可看出,气流在轮腔后的车身附近均有剪切涡形成。3.3车辆流场的识别模型底部的流场特性影响着汽车的行驶稳定性。在这一区域中,车轮对汽车底部流场的影响就成了较为突出的因素。如图5所示,选取离地间隙的中心面作为模型底部流场的研究截面。由于车轮不同,该面上的流场参数也不尽相同,可以在一定程度上反映由于车轮辐板不同所引起模型底部流场的不同。从总压系数可反映出流场中涡的能量消耗情况,总压系数值越小,说明涡消耗的能量越大。图中标出的总压系数是近壁面区域内近涡核处的总压系数。从流线图中可以清楚地看到车轮周围及模型底部的流场分布情况。总体上,轮腔前部和后部各存在一个分离面(只有S018不明显),说明流动在这些位置产生了分离,而流动分离是模型底部能量消耗的主要原因。4开孔面积的影响(1)不同形状的车轮辐板可使汽车所受的总阻力系数增加达2.37倍。因此,在车轮辐板的设计中,应充分考虑车轮辐板引起的空气动力特性的变化。(2)车轮和车身之间的相互作用是阻力变化的主要原因之一。(3)车轮辐板上开孔面积的布置方式对气动特性有很大的影响。在总开孔面积相同的情况下,将开孔数适量增大有利于气动特