康宁 丁浩

（北京航空航天大学）

车轮前阻风板对汽车风阻的影响*

康宁 丁浩

（北京航空航天大学）

利用CFD方法计算了车轮附近的流场，研究了阻风板位置、曲率半径、宽度及高度这4个因素对整车风阻的影响规律。计算结果表明，阻风板位置和宽度对风阻的影响不大，曲面阻风板减阻效果优于平板阻风板。对这4个因素进行了匹配研究，选定阻风板外侧与车身底部圆弧平齐、内侧与车轮内侧平齐、曲率半径为15 mm、高度为10 mm时，风阻系数降低了14.7%，实现了最大程度的减阻。

1 前言

汽车在行驶过程中，由于车轮旋转，会带动部分空气与前方来流交汇于轮腔与车轮的间隙通道，造成车轮周围气流紊乱，从而影响汽车底部及整车的气动性能。车轮阻风板位于车轮的正前方，能够有效阻挡气流对车轮的直接冲击，并削弱间隙及底部气流的紊乱程度，起到优化流场、减小整车气动阻力的作用[1]。

文献[2]～文献[9]研究的阻风板均是矩形平面薄板。本文对平面、曲面阻风板进行了研究，计算了无阻风板和带阻风板两种情况下某局部简化汽车模型的外部流场，研究了阻风板位置、曲率半径、宽度及高度对整车气动阻力的影响及其之间的匹配，确定了能够最大程度优化车轮附近流场、实现最优减阻效果的阻风板。

2 计算模型的建立

2.1 控制方程组

通常状态下，汽车外部流动被认为是定常不可压缩流动，空气介质物性参数恒为常数。考虑到汽车车轮旋转引起的分离现象，应按湍流处理，其控制方程组如下[10]：

引入相应湍流模型来封闭方程。

2.2 车身模型

车身模型采用文献[11]和文献[12]中的局部简化缩比模型，局部车身长度为591.1 mm，宽度为190.5 mm，高度为127 mm，车轮直径为76.6 mm，宽度为36.2 mm。由于模型的对称性，取一半模型进行模拟计算，如图1所示。

由于阻风板厚度与其高度和宽度相比很小，对流场影响较小，故定义为零厚度。阻风板位于车轮前方，其模型示意图如图2所示。

2.3 计算域及网格划分

计算域为包围车身模型的长方体，为研究计算域尺度对结果的影响，建立了两种计算域模型。计算域1与文献[12]中尺度一致，长度、宽度、高度分别为4 761.3 mm、250 mm、750 mm，车身前端距入口约2倍车身长度，后端距出口约5倍车身长度，宽度约2.6倍车身宽度，高度约6倍车身高度；计算域2宽度增加至400 mm，其余均保持不变。

对这两种计算域划分网格，重叠部分的网格划分完全一致，均采用非结构化四面体网格，在车轮附近网格分布较密，其次是车身附近，远离车身网格分布较稀疏。两种计算域的网格数目分别为95万和135万。图3为车轮附近的网格分布情况。

两种计算域计算后得出模型风阻系数分别为0.387和0.384，两者相差不到0.8%。由于计算域1的网格数目较少，有利于节省计算时间，故选用计算域1作为以下计算的计算域。

2.4 求解参数及边界条件设置

采用k-εRealizable湍流模型，壁面函数为标准壁面函数，采用2阶迎风格式对网格进行离散，速度和压强的耦合处理采用PISO方法。

入口为速度入口，大小为30 m/s；出口为压力出口，压强为1个标准大气压；车身为无滑移壁面条件；车轮为旋转无滑移壁面条件，角速度为783.2 rad/s；地面为移动无滑移壁面条件，速度大小及方向同入口；对称面为对称边界条件；顶部与右侧为滑移壁面条件；参考压强为1个标准大气压。

3 计算方法验证

为验证本文计算方法及结果的可靠性，对未加阻风板的原模型（图1）外流场进行了计算。计算得出风阻系数CD为0.387，与文献[11]试验结果的相对误差为7.8%，与文献[12]计算结果的相对误差为2%。本文仿真结果与试验结果有一定误差的原因是未考虑控制车轮旋转装置。

4 仿真结果及分析

4.1 原模型车轮附近流场分析

首先对原模型外流场进行了计算。图4为原模型过车轮中心纵截面速度矢量图和车轮表面压力分布图。从图4中可以看出，来流直接冲击车轮前下部，在车轮迎风面形成压力较大的正压区，在后下部形成较大的尾涡，导致车轮产生较大空气阻力，因此减小车轮迎风面正压和后部尾涡是降低车轮空气阻力的有效途径。

位于车轮前方的阻风板能有效削弱来流对车轮的冲击，故研究阻风板位置、曲率半径、宽度及高度这4个因素对风阻的影响，以便设计合适的阻风板以最大程度地降低车轮空气阻力。

4.2 阻风板放置位置的影响

本文采用宽度36.2 mm、高度5 mm的平面阻风板，研究了阻风板的4种放置方案，如图5所示。方案a表示阻风板外侧与车身和车轮平齐；方案b表示阻风板向车身内缩进10 mm；方案c缩进12.67 mm，且外侧与车身底部圆弧平齐；方案d缩进14.30 mm，内侧与轮腔内边界平齐。

对4种阻风板放置方案的外流场进行了计算，图6为4种方案的风阻系数。

从图6中可以看出，4种方案的风阻系数较原模型均有所降低，平均降低6%左右，说明添加阻风板确有一定的减阻效果，其中方案c减阻效果最好，风阻系数为0.359。4种方案的风阻系数最大相差1%左右，可见位置对减阻效果影响不大，为减阻不敏感因素。

图7为方案c的车轮纵截面速度矢量图和车轮表面压力分布图。对比原模型流场图发现，阻风板能有效减小尾涡及正压区域。由于方案c的风阻系数最小，因此以下研究均采用方案c。

4.3 曲率半径的影响

曲率半径分别选为15 mm、20 mm、30 mm、40 mm及∞（平板），高度为5 mm，阻风板外侧均与车身底部圆弧平齐，内侧与车轮内侧平齐，此时宽度为23.53 mm。

对5种曲率半径的外流场进行了计算，图8为风阻系数随阻风板曲率半径变化的曲线。从图8可以看出，曲面阻风板的风阻系数均小于平板；曲率半径为30 mm时风阻系数最小，为0.356，较原模型降低了8%。

图9为曲率半径为30 mm时车轮纵截面的速度矢量图和车轮表面压力分布图。对比原模型流场图发现，尾涡及正压区域均有所减小。故以下研究的曲率半径均采用30 mm。

4.4 阻风板宽度的影响

阻风板宽度分别选为18.82 mm、20 mm、23.53 mm、

28.24 mm、30 mm和37.8 mm 6种，其中18.82 mm和28.24 mm分别为23.53 mm的0.8倍和1.2倍，37.8 mm的阻风板内侧与轮腔内边界平齐；阻风板外侧均与车身底部圆弧平齐，高度为5 mm，曲率半径为30 mm。

对6种宽度下的外流场进行了计算，风阻系数随阻风板宽度变化的曲线如图10所示。从图10中发现，6种宽度的风阻系数较原模型均降低了8%左右。6种宽度的风阻系数相差不大，宽度20 mm时风阻系数最小，为0.354。因此认为阻风板宽度为减阻不敏感因素。考虑到宽度为23.53 mm时，阻风板外侧正好与车身底部圆弧平齐，内侧又与车轮内侧平齐，故以下研究均采用该宽度。

4.5 阻风板高度的影响

考虑行驶通过性，阻风板高度取值范围为3～11 mm；阻风板外侧与车身底部圆弧平齐，内侧与车轮内侧平齐，曲率半径为30 mm。

对9种高度下的外流场进行了计算，图11为风阻系数随阻风板高度的变化情况。从图11中可以看出，高度为3～9 mm时，风阻系数不断减小，高度为9 mm时风阻系数最小，为0.333，较原模型降低了14%，随后在高度为10 mm和11 mm时有小幅增加。

图12为阻风板高度9 mm时车轮纵截面速度矢量图和车轮表面压力分布图。与原模型流场对比发现，尾涡基本消除，车轮正压区大幅减小。

4.6 最优阻风板的确定

根据以上研究结果可知，选定的阻风板外侧均与车身底部圆弧平齐，内侧与车轮内侧平齐，因此只需研究曲率半径和高度这两个因素的最佳匹配。

表1给出了不同曲率半径和高度情况下的风阻系数。结果表明，当曲率半径为15 mm、高度为10 mm时，风阻系数最小，较原模型降低了14.7%，实现了最大程度的减阻效果，为最佳匹配。

表1 曲率半径与高度匹配的模型风阻系数

图13为该阻风板的车轮纵截面速度矢量图和车轮

表面压力分布图。对比原模型流场图发现，其最大程度消除了车轮后下部的尾涡，减小了正压区域，实现了最优减阻效果。

1 谷正气.汽车空气动力学.北京:人民交通出版社,2005: 149～151.

2 Pedersen C B W.Crashworthiness design of transient frame structures using topology optimization.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,2004,193:653～678.

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4 Dimitriou I,Klussmann S.Aerodynamic forces of exposed and enclosed rotating wheels as an example of the synergy in the development of racing and passenger cars.SAE Tech⁃nical Paper,2006-01-0805.

5 郭建成,谷正气,容江磊等.基于Kriging模型的某轿车前轮阻风板优化.郑州大学学报:工学版,2011,32(3):124～128.

6 金益锋.基于CFD的某微型客车减阻与尘土污染研究：[学位论文].长沙:湖南大学,2012.

7 胡兴军,李腾飞,郭鹏，等.车轮扰流板对轿车风阻的影响.吉林大学学报:工学版,2012,42（增刊）:32～36.

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9 刘学龙,蔡晓林,崔新涛.前阻流板对汽车气动性能的影响.汽车工程师,2013,7:25～28.

10 康宁,郑昊,蓝天.两车速度对超车过程轿车气动特性的影响.航空动力学报,2009,24（2）:287～291.

11 Fabijanic J.An experimental investigation of wheel-well flows.SAE Technical Paper,1996,960901.

12 Krajnovic S,Sarmast S,Basara B.Numerical Investigation of the flow around a simplified wheel in a wheelhouse.Jour⁃nal of Fluids Engineering,2011,133（11）:112～112.

（责任编辑 帘 青）

修改稿收到日期为2015年9月1日。

Influence of the Front-wheel Spoiler on Aerodynamic Drag of Vehicle

Kang Ning,Ding Hao
（Beihang University）

The method of CFD(Computational Fluid Dynamics)is applied to calculate the flow field around the wheel.The influence rules of the installation location,radius of curvature,width and height of the spoiler on aerodynamic drag are investigated.The results show that the location and width of the spoiler have little influence on aerodynamic drag.The effect of the curved spoiler on reducing aerodynamic drag is better than the flat one.The above four factors are matched and studied,when the outside of the spoiler is flush with the bottom arc of the vehicle body and the inside is flush with the inside of the wheel,the radius of curvature is 15mm and the height is 9 mm,air drag is reduced by 14.7%,the maximum air drag reduction is achieved.

Wheel，Spoiler，Drag coefficient，Vehicle external flow field，CFD

车轮 阻风板 风阻系数 汽车外流场 CFD

U461.1

A

1000-3703（2015）12-0029-05

国家自然科学基金项目（NO.51175016）。