普利司通太阳能挑战赛旋转轮空气动力学的模拟挑战

每两年，世界各地的参赛者都会在澳大利亚内陆展开一场艰苦的比赛：普利司通 世界太阳能挑战赛。这一挑战倾向于促进对太阳能汽车的研究，以此作为迈向可持续交通的一步。

Blue Point 是 2019 年赢得世界太阳能挑战赛冠军的汽车，由比利时团队 Agoria 设计和制造。Agoria 团队由来自 Katholieke Universiteit (KU) Leuven 的论文学生组成，他们是车辆设计和工程领域最聪明的人才。在设计太阳能汽车时，减阻对于最大程度地降低功耗至关重要。因此，为了在挑战的设定规则内找到最佳设计，Agoria 团队使用Cadence Fidelity CFD运行了多次模拟。该团队使用高保真网格生成和仿真平台测试了多项设计变更，以获得最佳车辆性能。

车轮的旋转如何影响阻力？

在一些较早的汽车空气动力学模拟中，没有考虑或假设车轮是静态的。但这项研究的重点是车轮，并且使用旋转和固定车轮对太阳能汽车进行了模拟，以评估旋转对汽车总阻力的影响。

作为起点，考虑了文献回顾的结果，即以前对没有车轮的汽车的模拟。为了减少计算时间，简化了轮辋和轮胎。例如，没有考虑轮胎沟槽，简化了轮拱，关闭了悬架的间隙，忽略了车内的流动。此外，只模拟了一半的汽车。

简化的轮胎、轮辋和轮拱（左）；车轮在汽车中的位置（右）。

网格划分和仿真设置

使用 Fidelity Hexpress 从 Parasolid 格式的 CAD 文件生成具有大约 1150 万个单元的完整六面体网格。此外，不同的表面自动分组，简化了模拟过程。通过将所有窄圆角曲面隔离在一个单独的组中，可以轻松执行细化，从而可以准确捕获曲率，同时保持尽可能少的单元数。以这种方式，汽车的前缘和后缘也通过适当的改进被精确捕获。

汽车前缘处的全六面体网格在 y 常数切割平面上。

结果

模拟是在 KU Leuven 校区 Groep T Leuven 的应用流体力学和（航空）声学研究组的 26 核、160 GB RAM 工作站上运行的。一开始稳定模拟52小时，对应4.5个CPU.h/M点。对于不稳定的模拟，静止的轮子需要 440 小时才能稳定下来，而旋转的轮子只需要 44 小时。这种差异可以完全归因于在固定轮的情况下观察到的涡流脱落。此外，由于旋转的轮子，涡旋脱落的幅度和频率显着降低。

静止（左）和旋转（右）车轮的速度底视图。

汽车下游 (x=-1.8) 垂直剖切面上的 Q 不变和表面流线（红色）。与旋转轮（右）相比，固定轮（左）显示涡流脱落。

旋转轮对皮肤摩擦阻力的影响很小，而压力阻力很大。仿真结果还表明，前轮比后轮具有更高的压力阻力。这可以用后轮中较低的滞止压力来解释。此外，气流从前轮引起的涡旋脱落接近后轮。前轮下游尾流中的压力（左侧）低于后轮尾流中的压力（右侧）。

水平切口上静压的底视图。

值得注意的是，车轮的旋转减少了大约 40% 的阻力。这显着影响了汽车设计，因为空气阻力系数 C d A 降低了 10%。模拟提供了对旋转轮周围流场的详细了解。在车轮前部和轮拱周围观察到一个小的再循环区。在这里，来自上游的气流在车轮和轮拱之间汇合成单一的气流。

流线按前轮胎周围的速度着色。

结论

通过与 Fidelity Hexpress 和 Fidelity Flow 的合作，可以更深入地了解旋转轮周围的流场及其对压力阻力的影响。车轮的旋转导致车轮阻力降低 40%，整车的C d A 降低 10%。该案例研究增加了我们对仿真解决方案的信心，因为结果非常接近实验测试（道路测试和风洞测试）。

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