王夫亮，尹章顺，陈 枫，闫 石

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

2016025

车轮旋转条件下前轮导流板气动减阻机理研究

王夫亮，尹章顺，陈 枫，闫 石

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

为优化上海通用某款车型的气动特性，降低风阻系数，利用风洞试验和流场数值模拟研究了不同高度的前轮导流板的减阻效果。数值模拟实现了车轮转动和地面移动，其结果与风洞试验值基本一致，各导流板方案减阻效果明显。根据数值模拟获得的流场分布信息，分析了前轮导流板的减阻机理及其对整车流场特性影响，为导流板减阻设计提供了参考。

汽车空气动力学;前轮导流板;风洞试验;数值模拟;旋转车轮;移动地面

前言

目前，为了降低油耗和提高最高车速，以降低车辆气动阻力为目标的空气动力性能开发显得越来越重要[1]。

研究结果显示，上车身引起的风阻约占总气动阻力的50%[2-4]，汽车底板、车轮和轮腔引起的气动阻力占总气动阻力的40%～50%[2,5-8]，其中，车轮和轮腔引起的气动阻力约占总气动阻力的25%[9]。由于多数车辆车底表面不够平整，存在很多凸起和凹陷，与车辆其它位置相比，底板、车轮和轮腔的减阻潜力更大[10]。

因此，仅对上车身进行气动减阻优化不能保证获得足够的低风阻竞争力，对汽车底板、车轮和轮腔进行气动优化可以显著降低气动阻力，与优化上车身具有同样的重要性[11]。

然而这些区域的几何形状比较复杂，难以在风洞试验中对这些区域进行气动数据的测量和流态显示。CFD是一种有利的工具，可获得比较详细的流场信息，以分析这些区域的流场分布特点，进行减阻优化。

本文中针对上海通用某款车型，进行了加装前轮导流板的气动减阻优化。前轮导流板按照高度不同分为15种方案，结合没有加装导流板的方案，本文中共研究了16种方案的气动特性。进行了所有方案的流场数值模拟，对5种方案进行了风洞试验，对比了数值计算与风洞试验结果的一致性。根据数值模拟获得的流场信息，分析不同高度前轮导流板对整车流场的影响和前轮导流板气动减阻的流场机理，为前轮导流板减阻优化设计提供参考。

1 前轮导流板方案

本文中研究的16种方案如图1所示，包括无导流板方案(1)和15种不同前轮导流板高度的方案。从方案(2)到方案(16)，导流板高度依次增加5mm。进行了16种方案的数值模拟，并对其中的方案(1)、(6)、(8)、(10)和(12)进行了风洞试验。

2 风洞试验和数值模拟

上述5种方案的风洞试验在上海地面交通工具风洞中心的气动声学风洞中进行。该风洞配备了组合式边界层控制系统，包括水平抽吸、基础抽吸、切向射流和移动带，该组合式边界层控制系统提高了近地面气流速度，较好地保证了车身周围的气流特别是车底的气流与车辆相对运动状态的真实性和试验结果的准确性。

试验车辆通过支杆固定，支杆和车轮移动带与风洞天平系统相连，天平系统对试验车辆所受到的气动力和力矩进行准确测量。

试验过程中边界层控制系统开启，中央移动带和车轮移动带都以试验风速v运转，以模拟地面效应和实现车轮转动。与之相对应，外流场数值模拟的计算域地面和车轮(外边缘)分别以速度v移动和转动，如图2所示。在风洞试验和数值模拟过程中实现车轮转动，保证了车轮附近流场的真实性，有助于更准确地研究前轮导流板对气动特性的影响。

CFD计算网格反映了车身外表面、发动机舱和底盘等部件的几何细节，但忽略了轮胎表面的花纹和轮辐厚度，将胎面和轮辐处理成无厚度的面网格，用旋转壁面边界条件实现车轮的转动，用移动壁面边界条件实现地面的移动，采用专业商用软件FLUENT进行流场计算。

计算网格如图3所示，车身表面生成棱柱体网格，车体附近的空间网格进行了加密处理，以提高计算精度。计算选用基于压力修正的SIMPLE算法，湍流模型为Realizablek-ε模型，近壁区流场采用非平衡壁面函数进行处理，压力离散格式为Standard，动量、湍流动能和湍流耗散率离散格式为2阶迎风格式。

以张量指标形式表示的流场控制方程，即为时均连续方程、Reynolds方程和标量φ的时均输运方程[12]，分别为

(1)

(2)

(3)

式中:ρ为空气密度，t为时间，u为速度，u′为脉动速度，p为压力，S为源项，下标i和j指标取值范围为(1,2,3)。冷凝器和散热器内的流场利用多孔介质模型进行模拟，多孔介质上压降与速度的关系用Darcy′s定律描述，具体数学表达式为

式中:μ为空气的动力黏度，1/α为黏性阻力系数，C2为惯性阻力系数，ρ为空气密度，t为多孔介质厚度。

3 结果对比与分析

3.1 风阻系数结果对比

5种方案的风洞试验和数值模拟的风阻系数Cd结果对比如图4所示，风洞试验和数值模拟结果一致性较好，可以认为通过数值模拟能够获得比较准确的流场信息。相对于无导流板方案，4种导流板方案平均减阻约6.5%，减阻效果明显。

风洞试验和数值模拟结果显示，不同高度的导流板方案之间风阻系数差别较小，导流板(6)、(8)、(10)和(12)之间高度依次增加10mm，导流板高度的明显增加并没有引起风阻的显著变化。

图5所示为所有方案风阻的CFD计算结果。可以看出加装导流板后风阻明显降低，但是15种不同高度的导流板方案之间风阻系数比较接近，变化趋势平缓。各导流板方案之间最大高度差为70mm，但是风阻系数没有明显差别，这表明风阻系数对是否加装导流板比较敏感，而对导流板高度的变化并不敏感。

对比分析各研究方案之间车辆各个部件的风阻贡献量的变化，有助于探寻是否加装导流板和不同导流板高度对流场产生明显影响的区域，进而研究导流板的减阻机理，为合理设计导流板提供参考依据。

通过对比分析全部16种方案中各个部件风阻贡献量，发现加装导流板的15种方案之间各部件的风阻贡献量基本一致，这15种方案中某些部件的风阻贡献量与不加装导流板的方案(1)有明显差别，这与图4和图5展示的结果相吻合。

限于篇幅，本文中仅在图6中列出加装导流板(10)方案后，各部件风阻贡献量的变化，其中，CRFM为冷凝器(Condenser)、散热器(Radiator)和风扇(Fan)模块(Module)的简称。结果显示，风阻贡献量减小的部件大部分都位于前轮腔内，如前轮腔内壁、左右前轮、驱动轴与制动角和左右后轮等。

风阻贡献量变大的部件主要有前轮导流板、前保险杠和发动机体等。综合来看，减小的风阻贡献量占优势，加装前轮导流板后整车风阻有显著降低。

3.2 导流板对流动状态的影响

图7所示为y=-0.6m截面(约为前轮导流板和轮腔在y方向的中间位置)内的流场速度分布对比。可以看出，在没有安装前轮导流板的情况下，来自前方进入前轮腔的气流速度较高，速度较高的气流受到前轮腔内壁、前轮、驱动轴、制动角、转向节和悬架等部件的阻碍，速度降低，产生动量损失，这些动量损失是产生风阻的重要来源[13]。

安装前轮导流板后，导流板降低了前方的气流速度，进入前轮腔的气流速度降低，减小了前轮腔内的气流动量损失，对降低风阻有利。如图6所示，安装前轮导流板后，前轮腔内的部件对风阻的贡献量显著减小，是导致风阻降低的主要原因。

随着导流板高度的增加，导流板前方的气流速度略有降低，导流板下方的气流速度略有增加，但是高速气流基本经由轮罩下方流向后方车底，流入前轮腔的气流速度较低，不同导流板高度下的前轮腔流动状态很接近，4种高度的导流板方案减阻效果相近。

3.3 前轮腔内流动状态

前轮腔内流动状态如图8所示，没有安装前轮导流板时，进入前轮腔的气流速度较高，轮腔内壁、驱动轴、制动角、转向节和悬架等部件对气流产生阻碍作用，气流速度降低，产生动量损失，压力升高(图9)，产生较高的风阻。

安装导流板后，进入轮腔的气流速度降低，由轮腔内壁和腔内部件阻碍作用所产生的动量损失和部件表面产生的滞止压力都减小，从而减小了前轮腔内的部件所受到的阻力。

前轮导流板在降低轮腔内动量损失和表面压力的同时，其自身迎风面和附近的前保险杠表面也形成了较高的滞止压力，导致前轮导流板产生阻力且增加前保险杠阻力。

图10为前轮表面压力分布对比，加装导流板后，高速气流在前轮和轮圈迎风面形成的高压区域主要位于导流板下缘水平高度以下，相对于不加装导流板的情况，高压区域明显减小，车轮受到的气动阻力也减小。

3.4 导流板对CRFM流动状态的影响

图11为加装导流板前后冷凝器入口气流速度的对比。可以看出，加装导流板后，冷凝器入口速度有所增加，这说明导流板对前端气流的流量分配产生了影响，导流板增加了轮腔前方的流动阻力，流入前轮腔的气流速度降低，流量减小，经前格栅流入发动机舱的气流速度升高，流量增加。前格栅处气流速度增加，导致在格栅和牌照板位置产生的滞止压力升高，风阻增加。

经过CRFM的气流量增加有利于提高其换热性能，但流速增加(表1)也会导致冷凝器和散热器进出口压差变大(表2)，引起风阻增加。

流出CRFM的气流，受到发动机体和变速器的阻碍，气流速度降低，产生动量损失并在发动机体和变速器表面形成滞止压力。安装导流板后，流出CRFM的气流流量和流速增加，在发动机体和变速器表面形成的滞止压力升高，导致阻力增加。

表1 加装导流板后入口平均速度增加值 m·s-1

表2 加装导流板后进出口压差增加值 Pa

3.5 上车身压力系数对比

图12所示为加装导流板前后车体上表面中线上的压力系数对比。可以看出，两种状态下的压力系数没有明显差异，这说明前轮导流板对车身上表面附近的气流流态没有明显影响，车身上表面的气动阻力没有明显变化。

4 结论

本文中针对上海通用某款车型，加装前轮导流板后，改善了前轮腔内的流动状态，使整车风阻系数降低了约6.5%，减阻效果明显。对无导流板和15种高度的导流板方案进行了风洞试验和数值模拟，试验结果与数值模拟结果基本一致。根据数值模拟获得的流场结果，分析了前轮导流板对整车流场状态的影响和前轮导流板的减阻机理。可以得出以下结论：

(1) 利用转动车轮和移动地面边界条件，可以获得与试验结果基本一致的数值模拟结果，更准确地模拟流场特性；

(2) 前轮导流板减小了流入前轮腔内的气流速度和流量，降低了前轮腔内的动量损失和表面压力，引起前轮腔内零部件的风阻降低；但其迎风面和附近的前保险杠表面形成较高的滞止压力也使风阻增加；

(3) 加装前轮导流板后，经过前格栅开口和CRFM的流速和流量有所升高，引起CRFM压差变大以及前格栅、发动机体和变速器滞止压力增加，引起风阻增加；

(4) 前轮导流板对上车身附近的流动状态没有明显影响，上车身表面风阻没有明显变化。

综合来看，前轮导流板引起的前轮腔内的风阻降低占优势，提高了整车的气动特性。

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A Research on the Aerodynamic Drag Reduction Mechanismof Front Wheel Deflectors in a Condition of Wheel Rotation

Wang Fuliang, Yin Zhangshun, Chen Feng & Yan Shi

PanAsiaTechnicalAutomotiveCenter,Shanghai201201

To optimize the aerodynamic characteristics and reduce the drag coefficient of a SGM vehicle model, the drag reduction effects of front wheel deflectors with different heights are investigated by utilizing wind tunnel test and flow field numerical simulation, in which wheel rotation and ground moving are realized. The results of simulation well agree with wind tunnel test data, and all schemes of deflector have significant drag reduction effects. Based on the flow field distribution information acquired from simulation, the drag reduction mechanism of reflector and its effects on the flow field characteristics of vehicle are analyzed, providing references for the drag reduction design of reflector.

vehicle aerodynamics; front wheel deflector; wind tunnel test; numerical simulation; rotating wheels; moving ground

原稿收到日期为2014年7月18日，修改稿收到日期为2014年11月13日。