一辆普通乘用车的体积约为10m3，而一个轮胎的体积小于0.1m3；四个轮胎的总体积不到整车的5%，轮胎和轮罩造成的风阻占整车的30%左右，而对于电动车来说，这个比例可能更高。为什么看似对人畜无害的轮胎，会对车辆的抗风能力产生如此大的影响？

01 自身带来的风阻

车轮本身造成的风阻占整车风阻的20%左右，主要是因为车轮迎风面直接受到底部气流的冲击，压力大，形状轮胎本身和与地面的接触导致其尾流较大，车轮下风侧的压力较低，从而带来较大的风阻。其中，前轮受高速气流影响更为显着，其风阻也略高于后轮。

02 对局部流场的影响

前轮产生的尾流对后部的受力影响很大。并且其对附近流场结构的影响也极大地影响了舱外冷却气流的特性。

03 对车辆尾流的影响

后轮不仅产生部分风阻，而且尾流与整车尾流之间有很强的相互作用，改变了整车尾流的结构，影响了后轮的压力恢复。车辆后部。具体体现在：（a）后轮尾流低速区与整车尾流混合，形成下涡的阻力； (b) 流场的阻塞效应导致车辆底部的流动加速——这正是的扩压器减速效应。

04 车轮转动等效风阻

除了摩擦产生的风阻和车轮前后压差外，车轮翻腾也会消耗一部分能量，而这部分能量的来源依然是动力车辆的系统。为了更准确地评估整车的综合风阻汽车轮胎加宽两个厘米动力损失多少，除了常规的平移风阻（即整车风阻）外，还需要加上换算的车轮等效风阻通过车轮的空气动力扭矩。然而，车轮的等效风阻在风洞中很难测量，一般通过模拟得到的车轮气动扭矩来换算。

我记得去年的一个新版 CFD 软件大会上展示了一段车外流场的视频。现场提问时，有人说轮胎尾流看起来不太对劲，主办方只能尴尬地笑了笑。然而，准确模拟轮胎尾流真的有那么难吗？

01 车轮旋转效果

当车轮旋转时，其阻力系数通常低于静止时。这是因为车轮转动一方面为流场注入了额外的能量，同时也改变了其附近（尤其是车辆底部）的流场结构。由于后轮更靠近车尾，其转动对整车风阻的影响更为显着：高能轮胎尾流减少了高低速气流在车底的混合损失车辆后部。

因此，在模拟分​​析时，能否准确模拟车轮尾迹主要取决于能否准确模拟轮辋和轮胎的复杂转动。车轮与地面接触时发生的压缩变形对流动也有一定的影响，这种复杂的运动对模拟提出了更大的挑战。

02 Wall可以模拟真实的车轮旋转吗？

对于旋转表面，例如光滑的轮胎，可以通过设置对象表面的切向速度来应用壁边界条件来模拟实际旋转。事实上，这种边界条件的应用方式具有相当准确的物理意义——比如下图中围绕其轴旋转的几何图形，在每个瞬态时刻，其表面上的每个点都具有该时刻的切向速度，从而驱动附近的空气流动。

但是，“墙”只适用于圆周均匀的旋转面，即在物体运动的不同时刻，它对流场的影响是一致的。对于非旋转面，比如下图的轮缘，不同时刻流场上的力是不同的，所以不适合用Wall。同样，轮胎上密密麻麻的胎面花纹也是非旋转面，强行使用“Wall”也会带来不真实的物理效果。

03 更高级的 MRF 呢？

多参考系 (MRF) 是一种常见的解决方案，它是通过使用相对参考系计算旋转区域内的流量来实现的，而在区域外使用绝对参考系来实现。 MRF的思路当然很好，但是在动态和静态接口上的数据传输存在一个问题——如果数据是点对点传输的汽车轮胎加宽两个厘米动力损失多少，就意味着轮辋被锁定在某种状态因此，在实际应用中，通常先对旋转域侧的数据进行圆周平均，然后再向下游传输。但这需要假设旋转界面处的流场在圆周方向上足够均匀。

如果实际流场符合这个假设，那么 MRF 就足够准确了，例如对于风扇来说，无论转向哪个角度，进风或出风都是相似的。对于车轮的辐条来说，当它们转向不同的方向时，它们感受到的空气速度和压力是不同的——如果使用MRF，周向数据会被同质化，从而失去一定的精度。

所以更好的方法是通过一个滑动网格（Mesh）来模拟真实的轮辋旋转，但是这种方法只适用于瞬态解（比如自然瞬态LBM方法）。下图（SAE 2012-01-0297）展示了使用以上三种方法和实验对比的轮辋区域的风阻值。可以看出，对于所有的车辆形状，Mesh的精度几乎是最好的。

04 如何处理复杂的真实胎面花纹？

用“Mesh”解决了轮辋的问题，但是对于直接接触地面的轮胎就无能为力了，因为防滑网不能在地面下旋转。于是聪明的CFDer发明了另一种方法：保留对流场影响最大的花纹沟（花纹沟是旋转面，可以应用Wall wall条件），删除不旋转的胎面花纹；另外，为了考虑胎面花纹，可以对胎皮表面施加等效的表面粗糙度，以保证简化后的凹槽轮胎能够获得与实际轮胎相同的风阻值。

上述简化的方法虽然可以解决轮胎风阻的问题，但不能保证轮胎周围流场的细节也能准确解决。好在折腾CFDer已经发明了浸没边界法（ ）来求解动接触（如齿轮啮合）条件下的流场。这是一种数学建模和数值计算相结合的方法：将边界设置为直接插入到流体域中，而不是像标准壁那样设置精确的边界条件，只对边界施加实时变化的边界条件。能量源。虽然这种方法会损失一小部分精度，但它可以解决真实的轮胎旋转问题，从而提供更逼真的车轮尾流。

下图将以上两种方法计算的轮胎尾迹与实验进行对比。可以看出，采用浸没边界法计算的轮胎尾迹比简化的沟槽轮胎更接近实验结果。

05 胎底压缩变形怎么办？

为了更准确地模拟轮胎底部的压缩变形对流动的影响，喜欢折腾的CFDer得到了进一步的发展：它允许胎面在受压时遵循特定的轨迹旋转 - 即使轨迹不是一个完整的圆。如视频所示，带胎面的真实轮胎在接触地面的压力下会发生变形。

看到这里，你是否同意我的观点，准确评估轮胎的空气动力学性能并不容易？不过，除了计算之外，小编还想和大家聊聊车轮风阻的优化问题。毕竟是风阻的一大来源。

1 轮辋密封越多越好吗？

挡住轮辋确实可以大大减少车轮的尾流，这是降低车辆风阻的好方法。很多人还认为，轮辋密封得越多，抗风性能就越好。但事实是什么？

前轮：由于车头的滞流效应，气流会自然流向两侧，也会在车底斜向冲击前轮。如果轮辋堵塞过多，会在轮辋内侧和后部形成停滞，从而增加风阻，导致刹车盘散热问题。如果堵塞太少，漏气过多会导致前轮尾流过大，也会增加损失。

后轮：对于后轮来说，卡纸量也是一个权衡。不过原因和前轮不同：后轮前面的气流基本是顺着车身的方向，堵的太死了，不会造成严重的内压滞胀，但是会导致轮辋空气搅拌效果不足。车轮尾流能量不足导致车辆尾流匹配不良，在车身后部形成局部低压区。但是，轮辋搅动会增加车轮本身的气动扭矩，增加车轮的等效风阻。

一般来说，无论是前轮还是后轮，如果轮辋密封过大或过小都会增加风阻，所以合适的轮辋密封是优化风阻的关键。

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其实在特斯拉Model S的研发过程中，也对气动轮辋的阻塞区域进行了详细研究，通过大量计算优化了轮辋阻塞后的缝隙大小，最终降低了车辆的整体风阻。这包括车辆平动风阻的降低和车轮等效风阻的降低。

2 轮圈形状优化

轮圈的优化，尤其是辐条的造型，也是降低风阻的方向之一，但最重要的还是轮圈密封的比例，所以搭配和取舍需要更仔细地考虑局部流场。也有学者对轮辋外侧的凸度进行了研究，认为凸轮辋可以更好地贴合外侧的气流，减少局部损失。比如下图中最右边的轮辋，通常比左边的两个要好。但如果凸度太大，也会造成迎风面积增大，得不偿失。

3 轮胎的选择

实际上，很少从空气动力学的角度考虑轮胎型号的选择。毕竟轮胎对车辆的操控性能有着决定性的影响，同时也极大地影响了乘坐舒适性。需要指出的是，不同类型的轮胎对车轮尾迹的影响更大。即使轮胎尺寸保持不变，凹槽和胎面的形状也会产生更大的影响。一般来说，精细的胎面花纹有助于降低风阻，但更要注意匹配车辆的尾流。

4 车轮附近部件的抗风优化

除了车轮本身的风阻优化外，前脸、车轮导流板、气帘、轮拱、轮罩等轮廓的优化也有助于改善轮胎尾迹。基本原理是：对于前轮来说，要减少高速气流直接冲击车轮或轮腔，让气流尽可能靠近胎肩外侧流动，从而压缩轮胎。车轮尾流；车轮迎风面的空气速度。对于后轮，要重点控制车轮后侧的后部，使车轮尾流上部尽可能恢复贴体流。

车轮位于车辆底部，不仅对风阻影响很大，而且是举升的关键区域。下期汽车应用将为大家带来电梯优化的详细讲解，敬请期待。