1. 前言
伴随着自驾游和野营等新兴生活方式的崛起，消费者对越野车型的购买需求日益增强，并且随着越来越多自主品牌越野车型的上市，越野车这一细分领域的门槛和价格在逐渐降低，此外，新能源车型的节能、便捷的特点也让越来越多的消费者选择越野车型。由于越野车型的行驶路况较为复杂，其通常配有后备轮胎以满足在一些爆胎情况下的使用需求，但是目前针对越野车型空气动力学开发的研究大多都是对车辆局部细节进行气动外形优化，很少有人开展专门针对后备轮胎对车辆气动效应的影响研究。
李兵等人在仰望U8的开发过程中提出一种越野混动车型风阻开发流程，以数值仿真为主要开发工具完成了外造型、车底部以及轮辋等区域的性能开发[1]。屈鹏等人对越野车辆的车头、A柱、车尾倒角以及阻风板等局部进行修正及优化实现了车辆风阻系数降低0.028 [2]。饶紫微等人通过对某小型越野车型进行数值仿真发现外流场中沿车身外形的大幅度压力脉动是气动噪声的主要来源之一[3]。王俊等人采用数值仿真的方法对某型SUV包括前保险杠下部、发动机罩、车顶以及轮眉在内的多个关键部位进行仿真优化，显著降低了该车型的风阻系数[4]。陈永良等人通过仿真计算方法研究扩散器角度对于SUV车型空气动力学性能的影响，研究发现扩散器下斜角度的增大会导致风阻系数增加[5]。Al-Saadi等人通过应用一些修改和空气动力学装置，对运动型多用途车(SUV)的空气动力学性能进行数值优化提升，他们研究发现居于车辆尾部中央位置的后备轮胎向上或向下移动对车辆的空气动力学性能影响很小[6]，但是他们只考虑后备轮胎垂直方向上位置改变对空气动力学特性的影响，缺乏开展针对后备轮胎向左右偏置的研究。此外，调研发现目前市场上越野车型后备轮胎的布置无统一性，后备轮胎的位置通常情况下位于车辆尾部平面的中央，也有多种车型的后备轮胎安装位置偏置。尽管市场上出现多款后备轮胎偏置的车型，但是由于缺乏专门关于后备轮胎对汽车空气动力学性能影响的研究，因此很少有人能够清晰解释后备轮胎位置及布局对车辆空气动力学的具体影响。
车辆后备轮胎(或类似结构)作为一种常见的越野车型部件，不仅影响车辆的外观特性，对车辆的空气动力学性能也有很大的影响。随着汽车造型的不断更新发展以及消费者审美需求的改变，多元化的车辆尾部设计进入大众的视野，然而针对尾部备胎对于车辆空气动力学特性的具体影响行业内仍没有系统的研究。本文以MIRA汽车方背标模为研究对象，采用STAR-CCM+软件对其进行整车空气动力学分析，研究后备轮胎安放布局对于车辆空气动力学性能的影响。本论文具体阐述两部分内容，第一部分是对此次研究方法的具体介绍；第二部分是对后备轮胎的仿真结果进行细致分析与讨论。通过此次研究梳理，可以为后续相关车型的空气动力学开发提供有力的参考和支持。
2. 研究方法
2.1. 汽车几何模型
本文的研究对象为MIRA方背式模型，这种简化的汽车模型在汽车空气动力学的研究中使用非常广泛，具有与真实汽车较为接近几何外形，车身表面光滑无棱角，车身周围的拐角由倒角圆滑过渡，车轮为无轮腔设计。此次研究使用1:1方背式模型进行研究，其具体尺寸如图1所示[7] [8]。参考MIRA模型轮胎的直径在模型尾部加装宽度为200 mm的轮胎部件。图2展示的是配有后备轮胎的MIRA方背模型，此次针对贴体后备轮胎(轮胎与车辆尾部紧密相连，车体与轮胎之间没有间隙)和分离后备轮胎(轮胎独立安装，通过固定点连接放置，轮胎与车辆缝隙宽度为50 mm)两个布局展开深入研究(如图2(b)和图2(c)所示)，为了提高网格生成质量，在后备轮胎与车身连接处作倒角处理。
Figure 1. MIRA squareback model size diagram
图1. MIRA方背模型尺寸示意图
Figure 2. Off-road vehicles with spare tire
图2. 配有后备轮胎的越野车型
2.2. 计算域设置
为减少阻塞的影响并使流场充分发展，计算域设置如图3所示：车头到计算域的入口距离为4倍车长，车尾到计算域出口距离为10倍车长，计算域总长为15倍车长；车的左右两侧到计算域的左右两侧的距离为8倍车宽，计算域总宽为17倍车宽；计算域总高为7倍车高，最终此算例的阻塞比约为0.76%。
Figure 3. Schematic of the computational domain
图3. 计算域示意图
2.3. 网格划分
汽车的轮胎是具有弹性变形的材料，因此，在实际模拟的过程中，在车轮接地处使用小垫块将车轮与地面连接，避免了车轮直接与地面计算域相切而产生的尖锐区域，使得此处的网格质量得到了改善，并且更加符合汽车行驶时的实际情况。为使数值模拟的结果可靠，此次研究在汽车表面添加边界层并且在车身周围设置多层加密区对体网格进行更进一步的加密，往外逐层变大变疏，对A柱、轮胎、车辆尾部等气流分离区域进行局部网格加密，最终所得切割体网格总数约为2300万。
2.4. 湍流模型与边界设置
采用STAR-CCM+中的k-ω SST耦合湍流模型进行计算，根据汽车行驶的实际情况进行边界条件参数设定。进口边界条件为速度入口，汽车以30 m/s的速度匀速运动，出口边界条件采用压力出口边界，具体的计算域边界条件设置，如下表1所示。
Table 1. Boundary condition setting of computational domain
表1. 计算域边界条件设定
边界名称 |
边界条件类型 |
计算域入口 |
速度入口U = 30 m/s |
计算域出口 |
压力出口P = 0 Pa |
计算域地面 |
滑移壁面 |
计算域侧面/上面 |
对称壁面 |
模型表面 |
无滑移壁面 |
根据以上仿真计算设置得到的MIRA方背模型的风阻系数为0.3527，参考同济大学风洞试验中测得MIRA方背模型的风阻系数为0.3668 [9] [10]，仿真计算结果与试验结果的误差为3.8%，仿真设置满足计算的精度要求。
3. 仿真结果分析
本文针对贴体轮胎布局和分离轮胎布局两个配置展开研究，分析这两种布局情况下轮胎位置对车辆空气动力学性能的影响。每个布局进行8个算例(后备轮胎布置在车辆尾部不同位置)的研究，详见表2，其中算例1为基准算例(原始MIRA模型未装配后备轮胎)。“左”和“下”分别表示轮胎基于中央位置向左和向下移动。
Table 2. Correspondence between different examples and spare tire positions (Unit: mm)
表2. 不同算例与备胎位置对应关系(单位：mm)
Case1 |
Case2 |
Case3 |
Case4 |
Case5 |
Case6 |
Case7 |
Case8 |
Case9 |
无 (基准) |
中间 |
左：250 |
下：90 |
下：110 |
左：250 下：90 |
左：250 下：110 |
左：320 下：90 |
左：320 下：110 |
风阻系数(Cd)一直是汽车空气动力学研究的关键指标，其直接影响汽车在高速行驶时的能耗，降低汽车的风阻系数也一直是汽车空气动力学开发的关键内容[11]。图4所展示的是后备轮胎在不同位置时车辆的风阻系数Cd值。首先从贴体轮胎布局的结果可以看出后备轮胎的加装对车辆气动阻力的影响显著，风阻系数明显增加，在所有的算例中风阻系数最低增加了2 counts，最高增加了4.8 counts。相较于Case2，后备轮胎在基于车辆尾部中央位置往左或者往下单向偏移后风阻系数仅增加0.8 count。后备轮胎位置往左下方偏移后风阻系数相对于中央位置又有所增加，风阻系数增加了约2.5 counts，增加效果明显。此外，通过图中结果可以明显发现后备轮胎布局从贴体改为分离后车辆的气动性能明显改善，风阻系数降低至跟无后备轮胎相近的水平，此时后备轮胎对于车辆空气动力学特性的影响很小。
Figure 4. Drag coefficient for different positions of backup tire
图4. 后备轮胎放置不同位置时的风阻系数
接着选择Case9(后备轮胎位置相对于中央位置往左偏移320 mm，往下偏移110 mm)的计算结果对后备轮胎的气动效应展开深入分析。图5展示的是车辆尾部平均流场强度以及流线的计算结果，从图5(a)和图5(b)的结果可以看出增加轮胎之后尾流区域变小，尾流区两个主涡的位置也受到车体外形的影响往远离车体的方向偏移。但是在增加后备轮胎后在轮胎位置的下方出现一个相对较小贴体涡，并且由于轮胎结构增加了低压尾流区域作用于后部基面的面积从而导致车辆尾部负压区面积的扩大，增大了车辆前后的压差。此外，王子杰等人的研究结果显示在MIRA方背模型尾部存在一个较大的回流涡[12]，而后备轮胎恰好阻碍了车辆尾部回流涡的正常流动。为了揭示贴体轮胎布局与分离轮胎布局风阻系数差异的原因，对图5(b)与图5(c)的结果进行分析，对比发现由于后备轮胎与车身之间缝隙的存在使车辆左右两侧气流的流动得到改善，并且轮胎下方的小型贴体涡也已经消失。由于分离轮胎布局的尾涡区中两个主涡离车尾更远，分离轮胎布局相比于贴体布局更有利于车辆尾部压力的恢复。分离轮胎布局的尾流鞍点[13](通常认为是尾流结束的位置)会比贴体轮胎布局更加远离车辆尾部(Longa等人的研究表明车辆尾部回流涡长度的增加通常与平均阻力的下降有相关性[14])。因此，分离轮胎布局较长的尾流涡可能是其气动阻力比贴体布局低的原因之一。
Figure 5. The velocity flow field and streamline of vehicle’s tail at Y = −0.32 m section
图5. Y = −0.32 m截面汽车尾部速度流场以及流线示意图
Figure 6. Zero isosurface of total pressure at the rear of the vehicle rendered by turbulent kinetic energy (the top view)
图6. 湍动能渲染的车辆尾部总压零等值面(车辆顶部视角)
在汽车的数值模拟研究中常使用总压零等值面图去区分车辆尾部流动分离区域，图6和图7展示了车辆尾部总压零等值面的结果，并且使用湍动能(TKE)对总压等值面进行渲染。无后备轮胎时车辆尾部总压等值面呈明显的对称分布，然而尾部配置变为贴体轮胎布局后等值面结构在后备轮胎位置存在明显的差异变化，车辆尾部左右两侧存在明显的压力分布差异，并且贴体轮胎配置一侧的尾部湍动能明显增强，具有更强的能量交换，这些现象都表明贴体轮胎布局增加了车辆的气动阻力。分离后备轮胎布局方案的总压等值面较贴体方案分布更加对称，尽管其左侧轮胎位置区域的总压分布相比于基准情况仍存在一定差异，但仍能说明轮胎与车辆尾部之间的缝隙有利于尾部左右两侧压力的恢复。此外，图中圈注位置附近的湍流动能也相较于贴体布局明显变小，亦说明车体与轮胎之间的缝隙起到一定减阻效果。
Figure 7. Zero isosurface of total pressure at the rear of the vehicle rendered by turbulent kinetic energy (the underside view)
图7. 湍动能渲染的车辆尾部总压零等值面(车辆底部视角)
4. 结论与展望
本文以汽车标模MIRA方背实车模型为研究对象开展了汽车后备轮胎对汽车空气动力学性能影响的研究。由车辆风阻系数的结果可以发现后备轮胎对车辆的空气动力学性能影响明显，贴体后备轮胎布局明显增加了车辆行驶时所受的气动阻力。将贴体后备轮胎布局改为分离轮胎布局后车辆的风阻系数明显降低，达到未安装后备轮胎时的风阻水平。通过对车辆尾部的速度流场以及总压零等值面的结果对Case9展开进一步分析，发现贴体后备轮胎布局阻碍了车辆尾部回流涡的流动，增强了动能损失并导致车辆尾部左右两侧出现压力差进而导致车辆风阻系数增加，而分离布局轮胎与车辆尾部之间的缝隙在一定程度上提到了车辆尾部左右两侧气流的交换，有助于尾部压力的改善。综合以上分析，建议在越野车型开发的过程中后备轮胎采用分离布局。
图4中为何轮胎向左偏置后采用分离轮胎布局方案的风阻系数比基准算例还要低需要进一步深入研究，并且文章中分离轮胎布局中轮胎与车辆尾部的距离为50 mm，后续还拟开展此参数对于汽车空气动力学效应的影响。此外车辆的行驶稳定性也是车辆空气动力学性能开发过程中需要着重考虑的研究内容，后续也将继续深化开展后备轮胎配置布局与车辆行驶稳定效应之间的关联。
NOTES
*通讯作者。