车轮旋转条件下前轮导流板气动减阻机理研究.pdf

2 0 1 6年 第 3 8卷 第 2 期 汽车工程 A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g 2 0 1 6 V o 1 ． 3 8 N o ． 2 2 01 6 0 2 5 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， 闰石 泛亚汽车技 术中心有 限公 司， 上海2 0 1 2 0 1 [ 摘要] 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。 关键词 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 A Re s e a r c h o n t h e Ae r o d y n a mi c Dr a g Re d u c t i o n Me c h a n i s m o f F r o n t Wh e e l De fl e c t o r s i n a C o n d i t i o n o f Wh e e l Ro t a t i o n W a ng Fu l i a ng，Yi n Zha ng s hun，Che n Fe ng Ya n Sh i Pa n As i a T e c h n i c a l A u t o mo t i v e C e n t e r ，S h a n g h a i 2 01 2 01 [ A b s t r a c t ] T o o p t i m i z e t h e a e r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d r e d u c e t h e d r a g c o e ffic i e n t o f a S G M v e h i c l e mo d e l ，t h e d r a g r e d u c t i o n e f f e c t s o f f r o n t w h e e l d e fl e c t o r s w i t h d i f f e r e n t h e i g h t s a r e i n v e s t i g a t e d b y u t i l i z i n g w i n d t u n n e l t e s t a nd fl o w fie l d n u me r i c a l s i mu l a t i o n．i n wh i c h wh e e l r o t a t i o n a n d g r o u n d mo v i ng a r e r e a l i z e d．T he r e s ul t s o f s i mu l a t i o n we l l a g r e e wi t h wi n d t u n ne l t e s t d a t a，a nd a l l s c h e me s o f de fle c t o r h a v e s i g n i fic a n t d r a g r e d u c t i o n e f f e c t s ．Ba s e d o n t h e fl o w fie l d d i s t r i bu t i o n i n f o r ma t i o n a c q u i r e d f r o m s i mu l a t i o n，t he d r a g r e d u c t i o n me c ha n i s m o f r e fle c t o r a n d i t s e f f e c t s o n t he flo w fie l d c ha r a c t e r i s t i c s o f v e h i c l e a r e a n a l y z e d，p r o v i d i n g r e f e r e n c e s f o r t h e d r a g r e d uc t i o n d e s i g n o f r e fle c t o r ． Ke y wo r d sv e h i c l e a e r o dy n ami c s；f r on t whe e l d e fle c t or；wi nd t unn e l t e s t ；nume r i c a l s i mul a t i o n；r o t a - t i ng whe e l s；m o v i ng g r o und 月 IJ舌 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 。 研究结果显示 ， 上 车身引起 的风阻约 占总气 动 阻力的 5 0 ％[ 2 - 4 3 ， 汽车底板 、 车轮和轮腔引起 的气动 阻力占总气动阻力的4 0 ％ ～ 5 0 ％‘ 2 J ， 其中， 车轮 和轮腔引起 的气动阻力约 占总气动阻力 的 2 5 ％[ 9 3 。 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 。 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 。 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。C F D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 1 5 种方案， 结合没有加装导流板的方案， 本文中 共研究了1 6 种方案的气动特性。进行了所有方案的 原稿收到 日期为 2 0 1 4年7月 1 8日， 修改稿收到 日期为 2 0 1 4年 1 1 月 1 3日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王夫亮， 等 车轮旋转条件下前轮导流板气动减阻机理研究 1 5 9 蠹 击 毒 ，1、 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 。 一 尝 毒 一 ， 2 毒 ， ok _Ot Ox p 州3 ＼ 一 ， ， 、 式中 P 为空气密度， t 为时间， 为速度， u 为脉动速 度 ， P为压力 ， S为源项 ， 下标 i 和 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 D a r c y S 定律描述 ， 具体数学表达式为 △ p 一 c z 式中 为空气的动力黏度 ， 1 ／ a为黏性阻力系数 ， C 为惯性阻力系数 ， P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 c 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 。 1 6 8 1 0 1 2 方案序号 图4 风洞试验和数值模拟 C 结果对比 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 、 1 0 和 1 2 之间高度依次增加 l O m m， 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 C F D计算结果。 可以看出加装导流板后风阻明显降低， 但是 l 5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7 0 ra m， 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 l 1 1 2 l 3 1 4 1 5 1 6 方案序号 图5 各方案的风阻 C F D计算结果 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 1 6种方 案中各个部件风 阻 贡献量 ， 发现加装导流板的 1 5种方案之间各部件 的 风阻贡献量基本一致 ， 这 1 5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 1 0 方案后， 各部件 风阻贡献量 的变化， 其 中， C R F M为冷凝器 C o n d e n s e r 、 散热器 R a d i a t o r 和风 扇 F a n 模块 Mo d u l e 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。 一 ≠ 茹 驱动轴 右后轮 左后轮 嘲制动角 嘲 转向节 _ 转向拉杆 瓣前悬架 横向稳定杆 变速器- 牌照板■ 中格栅 CR F M ■ 油箱 _ 副车架 ■ 一 发动 机体 _ 前保险杠 l_- 一 一 前 轮 曼 鎏 总 贡 献 量 一 △ 图6 加装导流板 1 0 后风阻贡献量发生变化的部件 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。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 2 汽车工程 2 0 1 6年 第 3 8卷 第2期 1 O 0 5 奋 5 1 0 1 5 一 y u 7 t5 - ,-矶饭 L l J y o导流板 1 0 1 l 八 一 l l 1 0 ． 4 “ Na s 0 ． 6 0 ． 7 o 1 8 ／ 9 一- f I 图 1 2 车身上表面与y 0平面的交线 上的压力系数对比 为车长 4 结论 O 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 1 5 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 C R F M的流速和流量有所升高， 引起 C R F M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。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7] [ 8 ] [ 9 ] 参考文献 Di mi t r i o s S a p n a r a s ，I o a n n i s Di mi t r i o u ．Ex p e rime n t a l An aly s i s o f t h e Un d e r b o d y P r e s s ur e Di s t rib u t i o n o f a S e rie s Ve h i c l e o n t h e Ro a d a n d in t h e Wi n d T u n n e l [ C ] ．S A E P a p e r 2 0 0 8 0 1 0 8 0 2 ． HU C H0 W H．A e r o d y n a mi c s o f R o a d V e h i c l e s [ M] ．4 t h e d i t i o n ． S AE P u b l i c a t i o n s Gr o u p，1 9 9 8． P FADENHAUER M ，W I C KERN G，Z W I C KER K． On t h e I n fl u e n e e o f Wh e e l s a n d Ti r e s o n t h e Ae r o d y n a mi c Dr a g o f Ve h i c l e s [ c ] ．M I R A I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n V e h i c l e A e r o d y n a m i c s ， P roc ． S p o n s o r e d b y t h e En g i n e e r ，Oc t o b e r ，1 9 9 6． S K E A A F， B U L L E N P R，Q I A O J ．C F D S i m u l a t i o n s a n d E x p e ri me n t a l Me a s u r e me n t s o f t h e Fl o w o v e r a Ro t a t i n g W h e e l i n a W h e e l A r c h [ C ] ．S A E P a p e r 2 0 0 0 - 0 1 - 0 4 8 7 ． S KEA A F，B ULL EN P R，HARVEY J K．Th e Us e o f C FD t o P r e d i c t t h e A i r F l o w a r o u n d a R o ta t i n g Wh e e l s [ C] ．2 n d MI R A I n ． t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Ve h i c l e Ae r o d y na mi c s ，1 9 9 8 ． S K E A A F ，B U L L E N P R，Q I A 0 J ．U n d e r b o d y A e r o d y n am i c s Us ing C FD t o S i mu l a t e t h e Ai r f l o w a r o u n d a Ro t a t i n g W h e e l o f a P a s s e n g e r C a r [ C] ．B i r m i n g h a m， 1 9 9 9 ． S K E A A F， B U L L E N P R， Q I A O J ．R e v i e w o f U n d e r b o d y A e r o d y n a mi c s Te s t i n g T e c h n i q u e s ；Ai r fl o w Ch a r a c t e ris t i c s I CF D Co n t ri- b u t i o n [ J ] ．F 0 r d T e c h n i c a l J o u rna l ，1 9 9 8 ． VI T A U D，C A S E L L A M。B E R G AMI N I P ．C F D P r e d i c t i o n o f t h e E f f e c t o n A e r o d y n a m i c D r a g o f V e h i c l e U n d e r b o d y [ c ] ．E C C O MA S 9 6 P r o c e e d i n g s ， J o h n Wi l e y＆ S o n s ，U K，1 9 9 6 ． C h r i s t o f f e r L a n d s t r t im，T i m Wa l k e r ，L a s s e C h r i s t o ff e me n，e t a l I n fl u e n c e s o f D i f f e r e n t F r o n t a n d R e a r Wh e e l D e s i g n s o n A e rod y n a mi c D r a g o f a S e d a n T y p e P a s s e n g e r C a r [ C ] ．S A E p a p e r 2 0 1 l 一 01 01 6 5 ． S i mo n e S e b b e n．Nu me ri c al S i mu l a t i o n s o f a Car Un d e r b o d yE ff e c t o f F r o n t Wh e e l D e fl e c t o r s 『 C ] ．s LA -E P a p e r 2 O 0 4 一 O 1 1 3 0 7 ． C h ri s t o f f e r L a n d s t r m，L e n n a r t L t i f d a h 1 ．T i m Wa l k e r ． D e t a i l e d F l o w S t u d i e s i n C l o s e p r o x i m i t y o f R o t a t i n g Wh e e l s o n a P a s s e n g e r C ar [ C ] ．S A E P a p e r 2 0 0 9 0 1 0 7 7 8 ． F l u e n t I n c ． ，F L U E N T U s e r ’ s G u i d e [ M] ．F l u e n t I n c ． ， 2 0 0 3 ． L a s s e Ch r i s t o f f e r s e n，L e n n a r t L f d a h l 。An d e m J 6 n s o n．I n t e r f e r - e n c e Be t we e n En g i n e Ba y F l o w and Ex t e ma l Ae r o d y n a mi c s o f R o a d V e h i c l e s [ C ] ． S A g P a p e r 2 0 1 0 一 O 1 0 2 8 8 ． 州 ⋯ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m