独立旋转车轮的气动仿真

旋转轮胎的空气动力学可以贡献三分之一的车辆整体空气动力。旋转的轮胎周围的流动非常复杂，并且通常受最小的轮胎特征的影响。因此，准确预测车辆空气动力学需要对轮胎旋转进行建模，包括所有的几何形状细节。模拟精度的提高是由更严格的新规范所保证的。例如，即将推出的全球统一轻型车辆测试程序（WLTP）在更高的速度更加重视车辆性能。这是为了使认证的车辆特性更接近真实的性能。此外，WLTP将要求报告所有车辆的二氧化碳排放量，包括所有可能的车轮和轮胎型号。由于大多数模型可能衍生的数量可能会达到数百，所以在风洞中的评估实际上是不可能的。因此，数值模拟是很好的选择，特别是因为它们的使用是由WLTP允许的。

作为第一步为了满足这些不断增长的需求，目前的研究使用基于晶格玻尔兹曼方法（LBM）的计算流体动力学（CFD）的求解器（沉浸式边界法）来模拟和验证独立旋转轮胎胎。初步的尾迹平面预测结果与实验尾迹平面测量结果非常吻合。还讨论了轮胎载荷对尾流效果的影响。

对于全球的新车，要求制造商提供用于消费者教育，环境认证和监管的燃料经济性估计值，并在许多地区作为二氧化碳和其他环境税收的基础。今天报告的燃油消耗估计值最大的缺点是，它只是一个特定的修正的估计。如果消费者希望改变，添加或去除某些特征，例如它是空气动力学的，例如，如冬季轮胎，高性能轮胎或轮辋等，这将大大影响燃油效率，但并未反映在报告指标中。如果根据现行法规进行这些更改，则不需要提供原始设备制造商的现场里程信息。然而，随着即将在2017年提出的全球协调轻型车辆测试（WLTP），新的重点将放在配置车辆的高速真实驾驶条件。这意味着车辆原始设备制造商将需要认证市场上的每一种车辆配置。这给原始设备制造商带来了巨大的负担，以确保新的车辆设计能够达到燃油效率的目标，不仅是最低的阻力配置，而且还包括整个产品系列提供的所有配平水平和选项。

对路上表现的关注也体现在最终消费者的观点和购买习惯上。车辆范围是EV和PHEV车辆的主要区别之一。对于许多电动汽车驾驶员来说，他们所做的每一次旅行都是考虑范围的一部分，因此消费者有很多机会将实际性能与制造商提供的性能进行比较，从而影响感知价值和质量。此外，对于电气化和传统的内燃（IC）车辆，消费者现在可以通过车载诊断方式轻松地监测其实际效率，或者越来越多地通过人群来源的真实世界效率度量来监控其实际效率。对于一个给定的消费者来说，他们车辆的路上性能必然意味着“配置”。因此，无论在购买过程中还是在整个产品生命周期中，消费者越来越关注实际车辆的性能，而不仅仅是当今通常报告的“低能量”配置。提供每车的准确信息将帮助客户，并指导他们做出购买决定。然而，它也为汽车制造商额外的努力，以评估他们制造的所有车辆的排放值。对多个装饰和配置执行风洞测量不仅费时且成本过高，而且还可能受到测量不确定性的困扰。因此，使用高效的计算流体动力学（CFD）是帮助和补充未来车辆设计的关键，以满足WLTP提出的要求和不断变化的消费者需求。

由于这些压力，对于空气动力学的准确，高效和深入的计算模拟现在是数字车辆开发过程的基本要求。使用精确的发动机舱，底部部件，悬架，制动器和车轮等整车几何的详细空气动力学模拟，几乎可以探索空气动力学设计的各个方面。

据估计，车轮阻力的25-30％是由车轮/轮辋和轮胎组装区域产生的[2]。这也包括轮舱区域。由于轮胎/车轮组件区域的高阻力，车辆的整体燃料消耗严重受车轮和轮胎的选择影响。此外，轻型车辆上的所有轮胎均为胎面轮胎。由于胎面特征经过接近气流而形成的小尺寸分离和压力梯度，踩踏轮胎具有独特的空气动力特性。胎面会明显影响进入车轮和制动区域的流量，影响车轮尾流的下游尺寸和方向，进而影响整个车辆的气动阻力。这些因素对车身，车轮偏转器和车身底部处理的设计以及空气动力学轮胎和车轮概念的发展都很重要。他们影响制动冷却性能和其他设计属性，如污染。如果车轮/轮胎的整体流动特征不能很好地理解，那么很难做出设计决定，不仅涉及轮胎和轮辋，而且涉及整个车辆，因为与不同车轮和轮胎的相互作用可能是未知的。在设计的早期正确预测旋转花纹的影响需要多种技术来提供准确和高效的设计迭代的预测能力。

然而，由于轮胎和地面之间复杂的流体-结构相互作用，即接触面和该区域周围的空气动力学气动力，对车辆上真正旋转的胎面轮胎的空气动力学仿真仍然是一项具有挑战性的任务。而且，简单地模拟在地平面附近的移动胎面是一个挑战，因为需要真实的移动几何。胎面周围的区域不能通过滑动网格或其他参考变换来处理，因为胎面与地平面的相互作用是感兴趣的主要区域之一。

这项工作的最终目标是一个完整的带有旋转车轮的空气动力车辆设计。作为该方向的第一步，使用格子-玻尔兹曼方法（LBM）进行了独立旋转胎面轮胎的初步验证研究。如前所述，车轮/轮胎外壳中的流动结构是非常复杂的，一个独立的车轮的准确分析会立即形成高效的汽车设计是不可能的。尽管如此，由于设置的相对简单性，可能会获得验证新方法的最终目标。

旋转式轮胎胎面法简述：旋转胎面轮胎方法基于Peskin最初开发的沉浸式边界方法，旨在有效解决心血管血流问题。在浸没的边界中，弹性或非弹性材料被视为流体的一部分。具体而言，笛卡尔计算网格不符合诸如旋转轮胎的实体的形状。取而代之的是在材料的界面处施加体力，因此作用于流体或控制方程。随着瞬态仿真的进行，在拉格朗日框架中被跟踪的材料接收并施加周围流体的体力。这种方法的吸引力在于，当应用于轮胎/道路问题时，它是有效的和强大的。此方法是PowerFLOW中旋转胎面模拟的基础。

计算方法：
Exa公司的商用CFD软件包PowerFLOW5.4用于数值求解流场。该软件基于Lattice-Boltzmann数值格式，采用超大涡模拟（VLES）方法进行湍流建模。这种技术在解决复杂领域的瞬态空气动力学问题上的精确性和稳健性已经确立。在模拟过程的每个时间步骤中，旋转胎面与Lattice-Boltzmann方法一起求解。

模拟细节和设置：
图1显示了一种现实的，高质量的计算机辅助设计（CAD），表示独立的胎面轮胎附着在梁上。计算设置尽可能接近由Schnepf等人实施的实验风洞设置。带盖轮辋的轮胎为225/55 R17型或更具体地为225毫米的基础宽度，55％侧壁高度纵横比（123毫米）和17英寸（431.8毫米）的半径。图2的顶部显示了轮胎基座前部的特写视图。胎面通道间隙分别从最小处的2mm到最大处的4mm处测量。在图2的底部，显示了接触面形状。流入流速设定为140Km/h（38.89 m / s），模拟和实验中的地面或移动带设定为相同的自由流速度。轮胎上最好的分辨率设置为0.5mm，从而为整个计算域总共创造了近9200万个网格。

对于标准的气动轮胎模拟，通常使用两个关键设置功能。首先仅将轮辋封闭在局部参考框架（LRF）中，即轮辋真正旋转而不是轮胎。如果轮胎被包含在LRF内，则LRF的外围将与地面相交并且部分地板将在LRF内旋转。显然这是不可行的。因此，LRF被应用于轮辋。在轮胎上，执行旋转的墙壁边界条件。之前我们已经将旋转壁BC应用于静态胎面花纹轮胎，并且与带槽的旋转壁BC相比，结果不太理想。这是由于旋转壁不能有效地横向传递动力相对于切向传递。随着轮胎的胎肩侧向倾斜，轮胎BC的转动不足。因此，第二个关键设置是将一个花纹的轮胎用一个开槽轮胎取代。在这项研究中，梁上的带凹槽轮胎箱也是以相同的分辨率设置和运行的，但没有使用浸入式边界作为参考。图3显示了花纹和开槽轮胎之间的更接近的表面比较。重要的是要注意，模拟设置是针对未变形的轮胎，而在实验中，轮胎是垂直加载的，因此在接触面上具有变形凸起。主要原因是基线凹槽轮胎也没有变形，因此为了更好地比较模拟，使用了未变形的轮胎。讨论部分将讨论实验和模拟之间的差异。

作为比较轮胎-地面结果之前的一个预先步骤，进行了两次“飞行”轮模拟。首先是在整个轮胎上使用LRF，其次是沉浸式边界。结果在流动结构方面几乎完全相同，阻力和升力差异相差5％。



图1.计算设置中的独立胎纹的详细CAD表示



图2.穿透深度3.5mm（顶部）和接触面形状（底部）的描述



图3.（a）花纹轮胎和（b）开槽轮胎的表面花纹

结果
瞬态流场

图4显示了轮胎中心线切面上速度量级填充轮廓的瞬时快照。请注意，轮胎上的薄边界层（轮胎的左上角）会保留，直到流量从轮胎停滞点测量的大约90度处分离。
图5显示了由速度大小着色的瞬时Lambda-2等值面。 Lambda-2涡旋准则是一种从三维速度场中正确识别涡旋结构的方法。Lambda-2是Galilean不变量，即使在速度场被转换时也会产生相同的结果。请注意，至少解决的精细结构不仅在其内部的接触面（内侧和外侧）还有胎面的通道中。图6中进一步强调了这一点，图6示出了接触区域中流体平面切片的瞬时总压力等值线。观察进入胎面通道流体的喷射。没有采取实验的瞬时流场结果，因此无法进行比较。



图4.轮胎中心线上速度幅度的瞬时快照



图5.从底部观察Lambda-2涡旋等值面结构的瞬时快照



图6.流体切片切割接触片的瞬时总压力轮廓

平均流场

图7显示了流场的两个流体平面测量区域的示意图，其对应于在风洞中捕获的内容。主尾迹平面的尺寸为跨度为0.5米，高度为0.7米。主尾迹平面位于轮胎后方20mm处，X=0.363m的X坐标位置，其中x=0m为轮胎的中心。第二个平面位于接地面附近，其跨度大约为0.18米，高度为0.15米。接触点测量平面位于x=0m处，距离轮胎侧壁约15mm的平面最近的边缘。实验测量技术的更多细节可以在Schnepf et al 中找到。



图7.仿真和实验中使用的接地面和尾迹平面测量的位置和相对尺寸

正如前一节所述，结合旋转胎面，也可以运行一个基准开槽轮胎，但轮胎表面应用了旋转壁边界条件。旋转滑动网格或LRF被应用到边缘。



图8. PowerFLOW旋转胎面的轮胎尾迹轮廓和接触片的平均总压力

图8至图10分别显示了带有旋转胎面的PowerFLOW，具有旋转壁面边界条件（BC）的PowerFLOW和实验风洞测量结果的尾迹平面和接触斑块区域的平均总压力。观察这三个数字，旋转胎面结果显示，与风洞尾迹测量相比，旋转壁面边界条件有相当大的改善。与图10（a）相比，图8（a）中的整体轮胎尾迹轮廓更细。此外，与不存在的图9（a）相比，分离高度处的轮胎尾部形状的顶部至少被捕获得更好。轮胎靠近皮带（左侧或外侧）的底部涡旋结构虽然比旋转壁有所改善，但与实验相比仍然存在一些差异。下一节讨论这种行为的进一步解释。



图9.在轮胎上具有旋转壁面边界条件的LRF的轮胎尾迹轮廓和接触斑点的平均总压力
对于图9（a），地板附近的尾流压力损失显示了跨几乎整个测量窗口的压力损失。对于接触斑点也可以看到类似的观察结果，即图9（b）。



图10.风洞测量的轮胎尾迹轮廓和接触斑点的平均总压力。

为了更好地了解和理解三维结构，图11显示了从后方和前方观察到的零表面等值零点的平均总压力。关注层流流动结构，尽管偏转位置始于同一点（轮胎与皮带相遇处），但偏转角度差异很大，导致压力损失较大，如图9（a）所示。人们还可以观察到花纹轮胎与沟槽轮胎相比，轮胎胎侧的分离更小且更紧密。从正面看，总压力的等值表面清楚地显示了靠近轮胎顶部的分离流动，而没有显示带槽轮胎。此外，花纹轮胎的尾迹具有更多的“升流”表明与沟槽轮胎相比，接触斑块区域中的流体的动量被适当地传递到下游。图12显示了旋转胎面，旋转壁和实验的中心线平均总压力。很难对风洞测量中分离位置的位置进行适当分析（图12（a）和图12（c）），由于测量系统的限制，至少从旋转的胎面尾迹的质量高度总体上与测量一致，尽管压力损失略高。图12（b）中的旋转壁BC至少在中心线上显然没有表现出任何分离行为。

图13显示了通过地板和内胎套之间的接触面的平均总压平面。该图像更清晰地显示了接触面的情况。在外侧和内侧，花纹轮胎的平面尾迹偏转角度较小。实际上，花纹轮胎的内侧平面尾迹被推向外侧并且与沟槽轮胎相比具有更少的压力损失。与凹槽轮胎相比，花纹轮胎上的流向通道整体承受更小的压力损失。尽管凹槽轮胎上的两个中央通道遭受的压降较小，但外部和内部通道不会。流体似乎遇到了更多的堵塞，因此流体的能量必须绕着patch外围，导致更多的patch wake。由于轮胎真正旋转并且其胎面花纹，这种流动收缩被减轻，导致通过主要通道的高效喷射。 Schnepf等报道没有力。但基于仿真，旋转胎面贡献了轮胎总阻力的大约20％。其余部分来自轮胎外胎，轮辋和轮辋罩。总的来说，旋转胎面方法的结果令人鼓舞，为研究旋转胎面和轮辋/轮胎设计提供了飞跃。



图11.通过速度大小着色的总压力零点的平均等值面。 后部等距视图（顶部）和前部等距视图（底部）



图12.（a）旋转胎面（b）旋转壁面边界条件和（c）Y = 0m处的风洞测量值，即独立轮胎中心线的平均总压力曲



图13.地板和内胎套管之间的平均总压力切片。花纹胎（左）和槽轮胎（右）。

胎纹的进一步讨论

尽管与沟槽胎面轮胎相比，旋转胎面预测的主要轮纹已经显示出显着的改进，但是在靠近地板的流动结构中仍然存在一些差异。观察图8和图10中的轮胎尾流模式，底部尾迹越来越小，并且在风洞测量中似乎有更多的上冲。穿透深度以1mm为增量从1.5mm变化到4.5mm。发现最好的结果是使用3.5mm。从3.5mm增加和减小导致较不利的结果，即地板尾迹出现较大。迄今为止所呈现的结果是针对3.5毫米的穿透深度。如上所述，模拟的轮胎是空载的（无凸起的），而在风洞实验中，轮胎垂直加载大约5kN，因此在接地面上存在凸起。 Schnepf [16]研究了不同的垂直载荷对独立轮胎的影响，发现载荷或凸起在确定靠近地板的最终尾迹形状方面起着决定性的作用。
图14显示了从轻到重三种不同类型的负载下的独立轮胎及其对地面轮胎尾流的影响。较轻的垂直载荷表明，与重载荷轮胎相比，靠近接触面的轮胎侧壁凸起较小，即与较重载荷的较大曲率相比较小的曲率。人们也可以假定，随着负载变重，接地面积的大小可能会影响地板尾流结构。如上所述，当模拟中轮胎升高（穿透深度较小）时，与图9中的尾流结构相比，尾流结构没有改善。因此，无载模拟轮胎的穿透深度类似于垂直载荷应用于风洞轮胎。为了进行定性比较，模拟结果与实验中的中等载荷轮胎（3.5kN）相比较良好，并且这在图15中示出。因此，基于当前设置，穿透深度为3.5mm的空载旋转胎纹轮胎模仿中等负载的轮胎。



图14.不同垂直载荷下轮胎的实验平均总压力尾迹平面。 从左到右表示轻到重负载。 来自Schenpf等人的图像



图15.来自PowerFLOW旋转胎面（左）和实验中载荷胎面轮胎（右）的尾流结果之间的比较。来自Schenpf的风洞图像

总结和后续步骤

提出的是一种使用浸入式边界方法扩展来研究旋转式独立胎面轮胎的格子 - 波尔兹曼方法。在这项工作中，与标准的旋转墙边界条件相比，旋转的胎面已经显示出相当大的改进和令人鼓舞的结果。现在平均总压力与轮胎后面和接地面上的实验性尾流测量结果更好地一致。板尾流结构的差异很可能是由于模拟轮胎没有凸起。从仿真结果来看，目前的结果与实验中的中等载荷轮胎非常相似。其他因素需要加以研究，并与进一步解决问题的效果，轮胎粗糙度以及在接触斑处实施凸起相比较。
然而，为了使该技术在虚拟车辆设计过程中得以实施，还需要进一步的工作。对独立轮胎本身的研究虽然是第一步，但并不代表道路车辆上典型车轮/轮胎实施的真实性质，因此不太现实。为了在设计过程中精简该功能，需要执行以下步骤，首先要展示安装在道路车辆上的花纹轮胎和带槽轮胎的比较。目前这项进一步的独立轮胎工作正在进行中，并将在不久的将来发布。