车轮旋转方法对道路车辆空气动力学模拟的影响

汽车工业中基于稳态RANS方法的热动力学CFD模拟通常使用近似的数值方法来考虑旋转车轮。在这些方法中，表示轮缘几何形状的计算网格保持静止，并模拟了车轮旋转对气流的影响。由于轮辋只考虑在一个固定的旋转位置(大多数情况下选择任意的)，轮辋方向对气动模拟结果的影响被忽略，仍然是无法量化的。本文提出了一个数值敏感性研究的影响，边缘定位位置的详细生产车辆气动参数。模拟是基于稳态RANS方法进行的。这些研究针对三种轮辋几何形状进行，并针对静止和旋转车轮的仿真案例进行比较，其中移动壁(MW)和移动参考系(MRF)方法以及两种方法的组合用于模拟车轮旋转。对于试验车辆，可以检测到流场的变化，以及随后对车辆气动阻力发展的影响，这导致了对车辆整体阻力的显著影响。这些结果表明，车轮旋转方法是汽车空气动力学仿真的一个重要参数。

简介

汽车空气动力学研究表明，车轮是影响汽车空气动力学性能的主要因素之一。它们可归因于高达25%的总气动阻力。车轮转动的模拟是一门相对较新的和具有挑战性的学科。考虑到WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicle Testing Procedure)测试标准对汽车气动发展战略的要求，车轮旋转对汽车气动性能的影响是实现工业汽车发展目标的重要组成部分。稳态RANS方法是汽车行业常用的一种模拟方法(在其他方法中)，在湍流模拟中计算成本与预测质量之间具有良好的关系。然而，该方法对运动壁(MW)和运动参考系(MRF)旋转方法，以及两者的组合，都面临着静止边缘几何形状的约束。应用这些方法来模拟车轮旋转意味着计算网格的轮辋和轮胎几何形状保持静止，并使用各种近似来模拟旋转。这种方法意味着模拟只能为一个特定的轮辋定位位置提供结果。由于车轮几何形状不旋转，似乎几何边缘方向可能对仿真结果有影响。      为了量化这种影响，对轮辋定位位置对车辆气动仿真影响的敏感性进行了研究。这些调查是基于流动拓扑分析的基础上，特别是在接近左前轮和底部区域的固定车轮固定的情况下。在本研究的第二阶段，为了分析每种旋转方法下车辆在不同轮缘位置之间的阻力范围，将检查范围从静止情况扩展到有旋转车轮的负载情况。

方法论

计算网格

数值车辆模型A轿车被选为本研究的代表性生产车辆。由于生产车辆的几何形状不对称，所以使用的是整车，而不是半模型。CAE曲面网格的生成使用了TGrid (ANSYS, Inc.)、Hypermesh (Altair Engineering)和ANSA软件包(BETA CAE Systems SA)的组合。特别感兴趣的区域用相应的更高网格分辨率建模。最终的CAE表面网格由约1.8×10^7个三角形表面单元组成，大小为0.8 - 8 mm。

车轮数值模型研究了车轮的网格生成问题。轮胎和轮辋的啮合过程一般与上述车辆的啮合过程相对应。但是，考虑到其他的要求，必须相应地采用网格策略。为了能够对轮胎和轮辋应用不同的边界条件，车轮被分成两个表面区域。此外，在边缘内创建了一个额外的计算域。最后，每个车轮由一个轮胎和轮辋表面区域组成，并在轮辋内安装了一个额外的计算域。所有三个车轮组件将在下面分别描述。边缘几何形状没有简化。

图一 车轮模型组件

虚拟风洞是一个长52米，宽20米，高12米的矩形盒子。这个区域足够大，可以避免任何明显的堵塞或边界效应。虚拟风洞的几何形状如图2所示，测试车辆按比例定位在区域内。通过对整个风洞楼板施加滑移壁边界条件，对移动地面的模拟也进行了理想化处理。

图二 带有测试车的虚拟风洞

求解器

利用商用CFD软件ANSYS Fluent(求解器版本为15.0)对基于k-ω的海温湍流模型进行了数值模拟。采用了稳态RANS方法。

边界条件

本研究的所有数值研究均在无偏航风速为140 km/h的情况下进行。以4.5 m左右的车辆长度为长度尺度，这样的设置得到的雷诺数Re≈107。利用进气速度边界条件，在虚拟风洞进气表面建立均匀速度剖面。下游风洞边界处的出流条件设置为压力出口，其值对应于自由流动中的静压。在计算域的壁面和顶面设置对称边界条件，地板定义为MW，速度为140 km/h，以匹配自由流进气速度。

车轮旋转方法

固定轮子(NR)：不采用旋转方法，车轮静止不动。在轮胎和轮辋上使用了零速度的壁边界，且MRF体积不旋转。

移动车轮壁(MW)：固体旋转的速度作用于车轮，即轮胎和轮辋、MRF不旋转。

仅轮胎壁移动(MW-TO)：一个旋转表面边界专门应用于轮胎，而轮辋，以及MRF体积不旋转。

旋转轮缘容积(MRF)：仅在轮辋辐条内的体积由MRF方法旋转。轮辋和轮胎的表面是静止的，没有旋转。移动的车轮壁和旋转的轮辋体积(MRF&MW)。车轮(轮胎和轮辋)，以及MRF区内部轮辋辐条在旋转。

MW和MRF两种旋转方法可以单独使用，也可以结合使用。因此，轮辋和轮胎在车轮啮合过程中被分离为单独的网格区。这一程序允许将固定或移动的壁边界条件分别应用于轮辋、轮胎或完整的车轮。由于MRF方法需要一个封闭的体积，它可以在其中应用，MRF体积被创建在每个车轮的单独辐条之间的轮辋内，以使模拟辐条之间的旋转空气流动。

图三 旋转方法的应用组合。灰色的轮子部件表示平稳，而红色的部件设置为旋转。

表一 车轮旋转边界条件

结果和讨论

车辆流动拓扑

为了了解轮辋位置对车辆空气动力学的影响，研究了其对相关车辆区域流动拓扑的影响。前轮左侧区域的流动情况分别在位于前轮房下游的分析平面A和位于前轮拱旁边的分析平面B进行了检查。为了识别和可视化气流变化，在这些平面上计算相应的压力系数，并将结果以等高线图的形式显示出来。A面和B面左前轮区域的流动拓扑分析结果如图四所示。

图四 轮辋为固定模拟工况的轮拱下游压力系数Cp。在A面(上)和B面(下)的边缘方向。

静止情况下的流动分析表明，轮缘方向对前轮附近的流动拓扑有显著影响，进而对整车周围的流动情况也有显著影响。随后通过Wäschle前人的研究对所调查的轮拱附近的气流情况进行了解释和讨论。

在前轮区域可以看出气流拓扑结构的主要变化(图6a和图6b)，可以看到涡旋结构的轻微向下移动。

近地涡不发达，上层涡增大。通过比较车轮涡和底层轮辋，轮辋几何形状和流动拓扑之间的相关性变得明显。

因此，对该区域流场的影响可以归因于通过轮辋和轮拱的横流，因为轮室的排气行为强烈依赖于辐条的堵塞。由于两种模拟情况下辐条的方向不同，不同位置的气流通过轮缘和从轮拱向外，影响了主要气流。通过比较车辆前轮附近的压力差，可以很容易地看出这种变化(图四c和d)。这两个轮缘位置的不同位置都发生了排气，这直接影响了该区域的涡旋形成。

一个明显的流动拓扑变化，起源于前轮，并传播到下游的尾部和更远，可以识别。此外，进入车底区域的冷却空气的流出也受到影响，这可以归因于轮拱内部和车底处压力状况的改变。因此，可以得出结论，这个压差也决定了冷却空气从发动机舱的流出行为，从而空气进入车轮拱和底盘部分。

阻力形成

这一调查包括静止以及其余模拟情况下应用的车轮旋转方法。除车辆阻力外，还研究了车身阻力和车轮阻力的单独演化。车身阻力考虑所有轮胎和轮辋的阻力值，而车轮阻力包括车辆的所有剩余组件。结果以百分比显示。

图五 车身阻力系数差和车轮阻力系数差累计情况

结果表明，轮缘定位位置对车辆的整个阻力情况有明显的影响。在实际几何变化区域的上游区域也可识别出影响，即在车辆前部。车辆阻力系数的主要变化可以在前端、前后轮拱区域以及尾部区域发现(图五a)。对车身(图五b)和车轮(图五c)阻力变化的分析表明，这些变化可以在两组之间平均分配。

然而，车身和车轮阻力变化的比例并不一定具有相同的趋势，结果是整体增加、减少、甚至抵消由此产生的车辆阻力差，如图五b和图五c中的MRF例子所示。

随后分析了阻力沿三轴的变化规律。如前所述，车辆阻力的主要变化可以在车辆前端识别。这种影响可以归因于发动机舱流量的变化，以及冷却空气流入轮拱和车底的行为，这一区域的流动拓扑分析也揭示了这一点。此外，前轮拱区也发生了阻力变化，其大小与车辆前端相似。这些影响可以归因于通过轮缘的交叉流动情况的改变和车轮拱的排气行为。静止情况下，两个轮辋位置之间的最大阻力差异在该区域，这直接导致车轮阻力的变化。位于前轮和后轮拱之间的车辆中心区域对车辆阻力的贡献微乎其微。然而，干扰效应是明显的，它改变了车辆各个部件周围的空气流动情况。后轮拱处的阻力变化与前轮屋相似。而对于MW- to和MW，尾段的阻力变化占比较大。在这一领域，对MRF、MRF&MW以及MR F&MW-TO的影响较低。这些结果表明，大的阻力变化可能会在局部发生，但它们也可能会沿着车辆的下游消失，最终导致对车辆总阻力的轻微影响。相反，流场可以这样改变，尽管沿着车辆只发生很小的局部阻力变化，但这些变化最终会转化为后部的主要变化。这一效应在MW-TO中是明显的，其中阻力的增加最终发展为车辆尾部的强阻力减少。从这些观察可以得出结论，这些流动结构的变化不只是一个局部现象。由于干扰效应，它们反而改变了全局流拓扑结构。

对沿y轴的阻力系数差异的分析(图五a)得出了车辆左右两侧的不同演变，如图所示，例如，在MRF模拟情况下，驾驶员侧的阻力影响是正的，而乘客侧的阻力影响很大程度上是负的。沿着x轴的阻力分析显示，这些差异最终在后方抵消。对这种现象的一个可能的解释是不对称的车辆几何形状和不对称的发动机舱流量，以及非左/右轮缘几何形状，这导致了不平衡的车身下流动，并影响了通过轮缘的横流。y方向的阻力变化主要在车辆两侧可以检测到，这可以归因于车轮的冲击。

沿着z轴的阻力分析表明，主要的改变位于车辆的下半部分，特别是在静止的情况下，这可以归因于特别车轮的比例。通过与x轴方向分析结果的交叉比较，可以将影响范围限定在车底、前轮下部和尾部。

总结

本文基于稳态RANS模拟进行了数值灵敏度研究，考察了不同轮辋几何形状的定位位置对车辆空气动力学的影响。

研究表明，无论采用哪种旋转方式，轮辋方向和轮辐位置都会改变静止和旋转车轮的流动拓扑结构。轮辋几何形状的微小变化会极大地影响整车的气流情况，因此也会影响整车阻力。并且改变前轮区域的压力分布和流拓扑。后者影响通过轮缘的横流，以及冷却空气从发动机舱流出进入轮拱和车底，这可能是这种影响的一个解释。

改进后的气流拓扑结构进一步改变了车辆的局部阻力演化，其中前端、前后轮拱区域、车底以及尾部的变化最大。来自车身和车轮的影响在程度上是相同的，但它们可能有不同的趋势，导致整体增加、减少甚至消除由此产生的车辆阻力差。对车辆整体阻力的影响取决于应用的车轮旋转方法和轮辋几何形状，可占车辆阻力值的4.1%。但是，无法确定个别轮调办法之间的趋势。

由于轮辋定位位置对车辆的气动性能有很大影响，建议在轮胎和轮辋几何形状不能旋转的数值模拟中考虑这种影响，如RANS方法。在这种情况下，应检查各种相关的轮辋方向，以量化其对车辆整体阻力影响的不确定性。

文章来源：Zore, K., Caridi, D., and Lockley, I., “Fast and Accurate Prediction of Vehicle Aerodynamics Using ANSYS Mosaic Mesh,” SAE Technical Paper 2020-01-5011, 2020, doi:10.4271/2020-01-5011

本期内容相关推送文章汇总：

1. 汽车空气动力学中不同车轮旋转仿真方法对比研究|AutoAero202217期

2. 轮胎变形对开放车轮空气动力学影响的研究|AutoAero202201期

3. AutoAero给大家拜年啦！日本横滨橡胶空气动力学轮胎新技术：AutoAero201704期