全带宽风洞下汽车旋转车轮流场预测的深入分析

与其他类型的车辆相比，皮卡车高更高，轮胎外形更大，因为它们与其他车辆使用周期和使用环境都不同。这些差异在其旋转车轮、轮胎表面及车体的之间相互作用产生的流场中起着重要作用。从空气动力学的角度来看，了解和管理这个流场对减阻，车轮设计和制动冷却是至关重要的。本文介绍一个由两个不同的车轮设计的皮卡车的旋转车轮附近流场。将在全宽带系统的风洞中获得的十二孔探针实验数据与数值模拟的预测进行比较。数值模拟可以预测车轮整体的尾流结构及其变化。结果显示，两种方法之间的差异较大。

实验方法及设置

由于轮胎滚动和地面效应设计的重要性，关键在于捕捉车辆下方移动道路的边界条件的流场。因此，车辆在带有切变风移动道路的风洞中进行测试。

试验车辆选择及轮胎设计方案

本研究所使用的车辆为FCA US LLC生产的2015年Ram 1500 STL 4X2皮卡车，如图1所示。所使用的轮胎是具有标准压力的Goodyear Wrangler SR-A P275 / 60R20。车轮设计A具有5个轮辐和大开口，车轮设计B具有5个轮辐和小开口，两种设计方案如图2所示。



图1.带有车轮设计A的Ram 1500



图2. 车轮设计A具有5个轮辐和大开口，车轮设计B具有5个轮辐和小开口

实验装置

用于风洞试验的Aeroprobe仪器系统，包括一个能够获得高速旋转涡流压力和三维速度数据的精密探测器。全方位探针采用带12个压力端口的微型球形尖端，可以测量+/- 150度的流量角，如图3所示。



图3.探测器探头

探头安装在由Aeroprobe提供的图4所示的横动系统上。



图4.探测器安装示意图

数据采集平面
来自12孔探针的数据分别在五个采样平面上进行采集，如图5至图7所示。



图5.轴心线上方和下方6.5cm处的两个Z平面



图6.Z平面的样本采集点分布



图7.轮胎外侧的3个X平面

实验数据分析
表1总结了两种轮胎设计方案下的阻力和升力，与车轮A相比，车轮B的阻力稍微减小，考虑到车轮B中较小的开口，允许较小的空气流量通过车轮，这是合理的。另一方面，升力增加，这与轮辋配置一致，较高的阻塞会增加车底压力。



表1.实验结果的气动力分析

速度测量平面
如图8所示，车轮外侧尾流的特征是自由流轻微向外、向上的偏转以及剪切层的发展与车轮旋转之间的相互作用引起的。通过轮辋开口的流量影响上述的旋转。与A相比，B特别是轮辋下半部的外流量较小，这与推入的下部剪切层和推出的高剪切层密切相关。



a)测量平面图像





图8

再往下游，如图9所示，流动方向发展成靠近地面的逆时针涡旋结构， B在轮轴附近展现出较小的分离流动区域，而近地面的尾流比A大。此外，B的向下流动和流动分量更强。



a)测量平面图像





图9
B的较强横向流动与图10下游尾流区域的更接近地面的循环一致。类似地， B在这个位置处的轮子尾流结构也较厚。



a)测量平面图像








图10

仿真结果
在表2比较了通过计算方法计算的两种方案的阻力和升力。
表2. 数值计算方法下两种方案气动力



速度测量
计算结果如图11-13所示，对轮轴高度以上的外侧自由流和下部轮尾高度的影响匹配度高。但是，对于计算结果，车轮下部尾流较大。计算方法中的横流速度分量要高于实验值，特别是对于靠近地面的较低外侧区域。





图11
在165mm的下游x位置处，如图13所示，包括涡流结构的位置在内的整体横流分布与实验结果一致，除了较小的上轮尾流和较大的较低的尾流。







图12
在x = 508mm的最下游位置处，尽管在剪切层之外的流动在交叉平面上的拓扑结构在实验和计算结果表明，旋涡结构在计算结果中更为明显结论。在计算方法中没有模拟的胎面花纹块，并产生大量较小尺度的涡流结构，需进一步研究。





结论
本文介绍了风洞试验和CFD仿真结果，尽管在两种设计中剪切层的形状非常相似，但是对于B来说，外侧尾迹区域减小了，这与具有较小开口的轮子所期望的相符。车轮B也导致车辆阻力系数略微减少1个count。对于车轮B，通过车轮开口的流量和车轮尾流量减小，这与实验结果是一致的。与轮A相比，轮B导致车辆阻力系数减少10 count。
主要结论如下：
1、为正确捕捉车轮流量的变化及其对车辆空气动力学的影响，将高精度模型的几何尺寸和测试条件进行匹配至关重要，包括横向系统，支柱和塔架几何形状以及风下车辆姿态和零件细节、旋转车轮和轮胎的详细几何形状。
2、通过当前设置，不同车轮设计的关键影响在实验和计算方法之间是一致的：较大轮辋开口的车轮设计涉及车轮尾流中较多的扩散涡结构，而产生更大的阻力和更低的升力。
3、然而，在计算方法中，车轮设计的影响更大。差异主要表现在计算方法中车轮尾流 和阻力的上部和下部的较大变化。

原文信息：
Published 03/28/2017 Copyright © 2017 SAE International
doi:10.4271/2017-01-1519 saepcmech.saejournals.org
作者：
Arturo Guzman FCA US LLC
Young-Chang Cho Exa Corporation
John Tripp and Kumar Srinivasan FCA US LLC
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编者：曹惠南
评论润色：张英朝
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不明觉厉，同时也希望自己2.3号能查到一个自己满意的成绩，以加入老师的队伍
1月31日
作者回复
欢迎！预祝取得好成绩！
1月31日
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