2023 年 3 月 16 日? 4 分鐘閱讀    

每兩年，世界各地的參賽者都會在澳大利亞內陸展開一場艱苦的比賽：普利司通 世界太陽能挑戰賽。這一挑戰傾向于促進對太陽能汽車的研究，以此作為邁向可持續交通的一步。

Blue Point 是 2019 年贏得世界太陽能挑戰賽冠軍的汽車，由比利時團隊 Agoria 設計和制造。Agoria 團隊由來自 Katholieke Universiteit (KU) Leuven 的論文學生組成，他們是車輛設計和工程領域最聰明的人才。在設計太陽能汽車時，減阻對于最大程度地降低功耗至關重要。因此，為了在挑戰的設定規則內找到最佳設計，Agoria 團隊使用Cadence Fidelity CFD運行了多次模擬。該團隊使用高保真網格生成和仿真平臺測試了多項設計變更，以獲得最佳車輛性能。

車輪的旋轉如何影響阻力？

在一些較早的汽車空氣動力學模擬中，沒有考慮或假設車輪是靜態的。但這項研究的重點是車輪，并且使用旋轉和固定車輪對太陽能汽車進行了模擬，以評估旋轉對汽車總阻力的影響。

作為起點，考慮了文獻回顧的結果，即以前對沒有車輪的汽車的模擬。為了減少計算時間，簡化了輪輞和輪胎。例如，沒有考慮輪胎溝槽，簡化了輪拱，關閉了懸架的間隙，忽略了車內的流動。此外，只模擬了一半的汽車。

簡化的輪胎、輪輞和輪拱（左）；車輪在汽車中的位置（右）。

網格劃分和仿真設置

使用 Fidelity Hexpress 從 Parasolid 格式的 CAD 文件生成具有大約 1150 萬個單元的完整六面體網格。此外，不同的表面自動分組，簡化了模擬過程。通過將所有窄圓角曲面隔離在一個單獨的組中，可以輕松執行細化，從而可以準確捕獲曲率，同時保持盡可能少的單元數。以這種方式，汽車的前緣和后緣也通過適當的改進被精確捕獲。

 汽車前緣處的全六面體網格在 y 常數切割平面上。

結果

模擬是在 KU Leuven 校區 Groep T Leuven 的應用流體力學和（航空）聲學研究組的 26 核、160 GB RAM 工作站上運行的。一開始穩定模擬52小時，對應4.5個CPU.h/M點。對于不穩定的模擬，靜止的輪子需要 440 小時才能穩定下來，而旋轉的輪子只需要 44 小時。這種差異可以完全歸因于在固定輪的情況下觀察到的渦流脫落。此外，由于旋轉的輪子，渦旋脫落的幅度和頻率顯著降低。

靜止（左）和旋轉（右）車輪的速度底視圖。

汽車下游 (x=-1.8) 垂直剖切面上的 Q 不變和表面流線（紅色）。與旋轉輪（右）相比，固定輪（左）顯示渦流脫落。

旋轉輪對皮膚摩擦阻力的影響很小，而壓力阻力很大。仿真結果還表明，前輪比后輪具有更高的壓力阻力。這可以用后輪中較低的滯止壓力來解釋。此外，氣流從前輪引起的渦旋脫落接近后輪。前輪下游尾流中的壓力（左側）低于后輪尾流中的壓力（右側）。

水平切口上靜壓的底視圖。

值得注意的是，車輪的旋轉減少了大約 40% 的阻力。這顯著影響了汽車設計，因為空氣阻力系數 C d A 降低了 10%。模擬提供了對旋轉輪周圍流場的詳細了解。在車輪前部和輪拱周圍觀察到一個小的再循環區。在這里，來自上游的氣流在車輪和輪拱之間匯合成單一的氣流。

流線按前輪胎周圍的速度著色。

結論

通過與 Fidelity Hexpress 和 Fidelity Flow 的合作，可以更深入地了解旋轉輪周圍的流場及其對壓力阻力的影響。車輪的旋轉導致車輪阻力降低 40%，整車的C d A 降低 10%。該案例研究增加了我們對仿真解決方案的信心，因為結果非常接近實驗測試（道路測試和風洞測試）。

參考

1. Borgions K., Holemans T.，太陽能汽車旋轉輪的空氣動力學模擬。KU Leuven，工程技術學院。碩士論文, 2019.

2. Vandervelpen E., Uten J.，用于太陽能汽車空氣動力學模擬的湍流模型測試，KU Leuven，工程技術學院。碩士論文, 2018.

文章來源：cadence博客