车轮旋转条件下汽车周围流场的流动机理研究

作     者：梁继续 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖宏伟

授予年度：2021年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：汽车空气动力学 流动机理 旋转车轮 DrivAer 阻风板 轮辐 

摘      要：随着我国汽车保有量逐年增加,对能源的需求和消耗也在迅速增长。汽车工业面临巨大的能源挑战,除了现有的发展新能源汽车的应对策略,对于传统汽车节能减排的要求也越来越突出。利用空气动力学技术节省燃油,将会有效缓解我国能源问题。而对于一辆量产汽车,其车轮风阻可达25%,并且汽车旋转车轮产生的分离流对汽车外流场有重要影响,因此利用空气动力学数值模拟技术以及风洞试验验证方法的可行性来研究旋转车轮对汽车周围流场的作用机理具有重要意义。本文以慕尼黑工业大学与宝马和奥迪公司联合推出的更近真实的汽车通用模型DrivAer模型为研究对象,利用STAR-CCM+数值模拟技术对车轮旋转条件下汽车周围流场进行研究。首先利用STAR-CCM+软件对本文采用的具有详细底盘结构和车轮纵向胎纹的DrivAer斜背式模型进行原始工况的计算,将仿真计算结果对比试验结果并进行分析,确认了仿真方法的准确性。之后对两种稳态仿真方法:旋转壁面法和MRF(多重参考系)法进行对比研究,确定好后续的车轮区域建模方法。为研究旋转车轮在整车上的流动机理,首先对孤立旋转车轮和整车旋转车轮工况进行了对比研究,发现由于轮腔的遮挡使得整车工况车轮前部高压区范围变小,车身侧面对气流的遮挡使得车轮外侧经轮辐间隙流入轮毂空腔的气流减少,降低了轮辐与气流的相互作用力,但轮腔的存在,使得车轮顶部来流到达车轮后方时受到轮腔的挤压而向前回流,因此在整车工况车轮后部的轮肩涡消失,这一定程度上减少了后部气流对车轮的拖拽,有利于改善车轮周围气动性能。之后对整车旋转车轮与整车静止车轮工况进行对比研究,发现车轮旋转会使得轮-地交界面附近的气流积聚,局部增大前部高压区从而增大阻力系数,但车轮旋转会改善车轮后部尾流,尤其是后轮尾流气流可以改善整车尾流区结构。在对车轮旋转的整车周围流场结构有了详细了解的基础上,对车轮及其周围的两大结构部件:阻风板和轮辐分别进行了研究分析。设计了平面形和弧形两种阻风板,研究发现阻风板的存在会大大减少前方来流对前轮的冲击,使得前轮高压区范围大大减小,并且有利于降低前轮腔内流动的复杂度;此外阻风板的存在补充了向后方流动的气流能量,使得车轮内侧马蹄涡难以形成,降低了车轮后部流动复杂度。弧形阻风板与平面形阻风板相比更利于气流过渡,使得弧形阻风板局部高压区范围低于平面形阻风板,同时弧形阻风板更利于气流往车轮外侧扩散,相比于平面形阻风板,进入车身底部的气流大大减少,这使得车底气流与车身底部内凹部位的作用减弱,对气动性能贡献巨大。对于轮辐的研究通过设置相同形状、不同数量的轮辐来研究不同轮辐结构对气动性能的影响。研究发现,在前轮区域轮辐数增多使得轮辐间隙变小,一方面降低了车轮两侧气流的相互干扰,使得气流有更多能量向后方流动,有利于压缩前轮尾流,改善气动性能;另一方面会导致轮毂空腔内气流积聚而使得压力上升,这会增大前轮附近的阻力系数,因此需要选择合适的前轮轮辐数量以达到最佳气动性能。而车辆后轮处于前轮尾流区,不同工况的前方来流对后轮的冲击力相差不大,但随着后轮轮辐数的增多,补充了向后方流动的气流能量,有利于改善车辆尾流区,但轮辐数增多会使得轮辐叶片与气流的接触面积增大,进而增大了车轮与气流间的相互作用力,导致等效风阻增大,因此也需要结合实际情况设计后轮轮辐数,以达到最佳气动性能。