不同種類的車輪對整車氣動特性的影響也有所不同，但該方面研究多限于不同輪胎寬度以及不同胎面花紋的影響。目前，汽車底部的流場特性受到了廣泛的重視[1,2]，而車輪作為影響底部流場因素之一，其阻力值在整車的總阻力中占30％左右[3]。

在汽車車輪的設(shè)計中，輪輞輻板的設(shè)計是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。它不僅關(guān)系著車輪制動系統(tǒng)的散熱，同時更影響汽車底部甚至整車的空氣動力特性。輪輞輻板的設(shè)計是否合理是影響車輪周圍以及車底氣流流動的重要因素。采用流體動力學(xué)數(shù)值計算的方法，在參考模型試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用商業(yè)軟件STAR-CD進(jìn)行了流場的數(shù)值模擬計算，通過TECPLOT進(jìn)行流場可視化處理，并結(jié)合車輪周圍速度矢量場及車輪后方的流線對相應(yīng)的流場進(jìn)行了分析，得出了不同輪輞輻板下同一簡化汽車模型外流場的流動規(guī)律，為輪輞輻板的設(shè)計提供理論參考。

2 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

2.1設(shè)計方案

在輪輞輻板設(shè)計中，開孔的設(shè)計情況對氣動阻力影響較大。為了對比分析開孔面積對氣動力的影響，設(shè)計的開孔面積應(yīng)按照一定的規(guī)律變化。設(shè)計中選用了典型的扇形開孔，其開孔面積的分配方式為：當(dāng)開孔面積應(yīng)一定時增大開孔的個數(shù)；開孔數(shù)相同時改變開孔的面積。對于SR14車輪模型（由實際使用的車輪適當(dāng)簡化得到），結(jié)合實際情況設(shè)計出了6種不同輻板。

車輪的外流場主要受車身下輪腔和車輪自身的影響。本文通過對流場的數(shù)值仿真及分析來完成對所設(shè)計輪輞輻板的流場特性的評價。采用了簡化的車身模型，即模型具有車身前半部的特征。對于輪腔包絡(luò)線的形狀按照某國產(chǎn)車精確建模，并且給出了前軸的形狀和位置。車身及其具有不同輻板的車輪模型的建立均在UNIGRAPHICS軟件中完成。

2.2網(wǎng)格生成

在車輪的接地區(qū)域，車輪與地面夾角幾乎為0,此處生成單元的內(nèi)角將會接近0，致使單元質(zhì)量差而影響流場計算的收斂性。為了保證網(wǎng)格單元的生成質(zhì)量，根據(jù)車輪的實際變形情況對車輪接地區(qū)域進(jìn)行了如下修正：在保證離地間隙的前提下，先將車輪接地部分切掉一段劣弧，然后將切除的邊界拉伸至地面，形成的車輪外形。這樣生成網(wǎng)格單元的內(nèi)角均在30℃以上，從而確保計算能夠進(jìn)行并收斂。

計算網(wǎng)格采用四面體和六面體結(jié)合的方式。對于6種不同輪輞輻板的整車計算區(qū)域最后生成的網(wǎng)格數(shù)均為1X106~1.2x106之間。3 數(shù)值計算 對于6種不同的輪輞輻板，研究采用相同的車身與車輪模型、網(wǎng)格劃分方案及計算區(qū)域，設(shè)置相同的邊界條件，并采用相同的湍流模型，以使6種情況下數(shù)值計算結(jié)果具有可比性。

3.1 計算域選擇

為再現(xiàn)汽車自然行駛狀況，選取一個長方形計算區(qū)域。根據(jù)汽車模型，計算域前部取5倍車長，后部取10倍車長，上部取5倍車高，側(cè)面取5倍車寬。

3.2湍流模型

理論上表達(dá)氣體流動規(guī)律的方程為N-S方程，但目前由于計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的限制，完全求解N-S方程的難度大，為此采用工程中廣泛應(yīng)用的雷諾時均N-S方程，計算模型均采用RNG k-ε湍流模型。

3.3邊界條件

本文仿真的是汽車直線行駛在無風(fēng)的道路上，流場為沿車身的縱向?qū)ΨQ平面對稱，并取左邊1/2流場進(jìn)行仿真計算。為此，將汽車的遠(yuǎn)前方及后方分別設(shè)置為進(jìn)口和出口邊界條件；右側(cè)為流場的對稱平面，設(shè)置為對稱邊界條件；上方、左側(cè)及地面的邊界均采用移動壁面（Moving Wall）邊界條件；車輪采用旋轉(zhuǎn)壁面邊界條件。車輪的旋轉(zhuǎn)角速度為100rad/s，遠(yuǎn)前方來流的速度為31.2 m/s;k與ε分別取0.146 014 6 m2/s2和0.030 337 85 m2/s3。

4 計算結(jié)果及分析

該仿真研究是在配置了 AMD3000 +的64位CPU, 1.5GB的內(nèi)存及80G的SICI硬盤的工作站上完成的。模型S8闡明了計算出的流場的主要特性，該模型是實際應(yīng)用的輪輞輻板模型。輻板開孔后氣流速度明顯下降，可知輻板開孔對車輪的氣動特性有重要的影響。

4.1阻力系數(shù)

車輪氣動阻力系數(shù)與模型的總氣動阻力系數(shù)的計算結(jié)果及相應(yīng)FO模型的試驗值如表2所列。在車輪阻力系數(shù)計算中，正投影面積為車輪自身的投影面積。比較FO模型的CFD仿真與試驗結(jié)果可知，車輪阻力系數(shù)以及總阻力系數(shù)的相對誤差均在6％左右，這說明該研究中所采用的CFD仿真方案（包括湍流模型、網(wǎng)格方案及邊界條件等）具有有效性和可行性。

并非車輪阻力系數(shù)大而整車的阻力系數(shù)也隨之變大，這說明車輪與車身之間流場的相互干擾作用是阻力發(fā)生變化的一個主要原因。

通過模型S7,S8和S9的對比表明，隨著輻板上開孔數(shù)的增加，總阻力系數(shù)減小，而車輪阻力系數(shù)呈不規(guī)則變化。

b.比較模型S8s,S8和S81可知，輻板上單個開孔面積增加，則車輪阻力系數(shù)增加，而總阻力系數(shù)呈不規(guī)則變化。

因此，在輪輞輻板設(shè)計中應(yīng)充分考慮開孔的布置方式，以達(dá)到最佳的氣動特性。

4.2輪腔內(nèi)的流場

不同輪輞輻板對輪腔內(nèi)氣流特性的影響是最直接的也是最大的，該模擬試驗的陰力變化原因也在于此。眾所周知，阻力的增大是由于物體近表面流體中渦量增大所導(dǎo)致的，通過對此處的渦量分析可以得到相同的結(jié)論。A-A剖面得到的車輪橫向的速度流場，從中可以看出車輪周圍展向渦旋的情況。

由于輻板外側(cè)的幾何形狀的改變，使得外側(cè)渦的位置上移，車輪底部的速度有所增加，而速度梯度有所減小。由于輻板開孔數(shù)的增加和開孔面積的變化，車輪左上角的流場中有新渦旋產(chǎn)生。在圖4d、f中，該位置上的渦旋（剪切渦1）已經(jīng)十分清楚，這也是車輪阻力略有增加的原因。而模型S7阻力增加的原因是由于從開孔處溢出的流體恰好增加了外側(cè)渦（剪切渦1）的強(qiáng)度。由此可知，均勻開孔的數(shù)目與車輪阻力系數(shù)并不是簡單.的線性關(guān)系，而是存在一個使車輪阻力系數(shù)最小的極值點。

隨著輻板開孔面積的增大，側(cè)面渦有加強(qiáng)的趨勢，這是因為面積的增大導(dǎo)致更大量的氣體交換，所以橫向通過車輪的氣體流量增加，這樣勢必為車輪增加了額外的阻力，導(dǎo)致車輪阻力系數(shù)增大（模型S8s,S8,S81數(shù)值依次增加）。

4.3車輪后部流動

模型底部的流場特性影響著汽車的行駛穩(wěn)定性。在這一區(qū)域中，車輪及其輪輞輻板對汽車底部流場的影響為主要因素。由圖5可以看出，由于輻板的不同而導(dǎo)致車身底部流場不同：模型FO的后部有一個明顯的剪切渦，并且被拖拽的很長，在車身底部的區(qū)域中沒有破裂的現(xiàn)象；在模型S7中，由于輻板開孔，車輪后部的渦有被拉長的趨勢，并且渦的核心略有下移；模型S8則出現(xiàn)了一對剪切渦，氣流的旋轉(zhuǎn)方向相反，這種情況的出現(xiàn)說明在此處來流的能量、被大量消耗，同時兩個渦迅速破裂，沒有向后拖拽。綜合6種模型計算結(jié)果可知，在車輪后部可以形成兩個不同種類的渦：一種是粗壯的剪切渦并同時被向后拖拽，在這種情況下容易消耗較大的能量；另一種是在車輪后部形成了一對剪切渦，沒有被向后拖拽，雖然在局部形成這樣的渦耗能較大，但就整體而言，這種情況的阻力較小。以上分析說明，車身底部的拖拽渦是此處消耗能量的關(guān)鍵因素。5結(jié)論 在該研究中，就汽車所受的總阻力系數(shù)而言，不同形狀的輪輞輻板可使其值增加2倍以上，因此在輪輞輻板的設(shè)計中，應(yīng)充分考慮它引起的空氣動力特性的變化。

通過對設(shè)計出的不同輻板的流場進(jìn)行的CFD研究與分析，可得出如下結(jié)論：

a.車輪和車身之間流場的相互干擾是阻力變化的一個主要原因。

b.由于輻板幾何形狀的改變，使得外側(cè)渦的位置上移，車輪底部的氣流速度有所增加，而速度梯度有所減小。

隨著輻板開孔面積的增大，側(cè)面渦有加強(qiáng)的趨勢，對車輪增加了額外的阻力。

d.在車輪后部可以形成兩種不同的渦，一種是粗壯的剪切渦，另一種是在車輪后部形成了一個渦對；車身底部的拖拽渦是消耗能量的關(guān)鍵因素。

（轉(zhuǎn)載）