節(jié)能競技賽車車身造型的CFD研究

齊益強，田 芳

(黑龍江工程學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，哈爾濱150050)

全國節(jié)能競技大賽意在提高人們節(jié)能與環(huán)保的意識，每年吸引著國內(nèi)外眾多賽車愛好者參加。空氣動力學(xué)性能優(yōu)越的車身造型可以大大提高賽車的成績，所以車身工程越來越引起人們的重視［1］。隨著計算機技術(shù)和湍流理論的發(fā)展，計算流體力學(xué)(Calculation Fluid Dynamics，CFD)的方法被運用到汽車空氣動力學(xué)研究中［2］。利用數(shù)值模擬的方法對汽車行駛中的外流場進(jìn)行分析，與傳統(tǒng)的風(fēng)洞實測研究方法相比，CFD建模研究有效改善汽車性能的同時節(jié)約研究資金、提高研究效率。

1 節(jié)能競技賽車車身總體方案的確定

汽車空氣動力學(xué)是研究空氣流經(jīng)汽車時的流動規(guī)律及空氣與汽車相互作用的一門科學(xué)。對節(jié)能競技賽車而言，動力性、燃料經(jīng)濟性和操縱穩(wěn)定性是獲勝的關(guān)鍵，節(jié)能競技比賽要求驅(qū)動能量最大程度的發(fā)揮，使賽車能夠快速行駛到最遠(yuǎn)距離。輪胎的選擇與車軸軸承結(jié)構(gòu)基本確定了滾動阻力的大小，各種車型差別不大，影響因素較大的是車身造形的不同所產(chǎn)生的空氣阻力。根據(jù)節(jié)能競技大賽對車身尺寸的規(guī)則，結(jié)合賽車總體布置方案和車身設(shè)計相關(guān)理論，綜合考慮車身的流線型，駕駛員的運動空間性，車輛的行駛穩(wěn)定性和安全性等因素，參考往屆比賽成績優(yōu)秀賽車的造型，并借鑒其它環(huán)保賽事車身造型，確定了本車身的基本造型。

2 基于CATIA的節(jié)能競技賽車車身造型設(shè)計

CATIA將Auto CAD繪制的2D圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換，利用創(chuàng)成式曲面造型模塊，實現(xiàn)車身殼體的三維建模。通過曲面檢測工具檢測曲面表面曲率的連續(xù)性，通過光照法確定模型表面光順性，最終獲得符合要求的車身模型。根據(jù)節(jié)能競技賽車總體布置方案，空氣動力學(xué)原理和車身各種布置形式的比較結(jié)果，綜合考慮，提出以下三種車身布置形式。車身造型的設(shè)計尺寸均為全長L是2 700 mm，前軸到車身最前端的距離D是750 mm，車寬B是800 mm。如圖1所示。

圖1 節(jié)能競技賽車三種造型三維實體模型Fig.1 3D solid models o f energy-saving racing cars

3 基于FLUENT的節(jié)能競技賽車車身三維模型數(shù)值模擬

3.1 節(jié)能競技賽車車身模型建立

本文使用CATIA建造節(jié)能競技賽車車身三維模型。汽車?yán)@流問題一般都簡化為定常、等溫、不可壓縮的三維流場，考慮到由于復(fù)雜外形引起的分離，按湍流處理，并采用三維不可壓縮雷諾平均方程N－S方程和RNG k－ε湍流模型，控制界面的物理量用二階迎風(fēng)差分格式獲得，運用SIMPLEC壓力修正法進(jìn)行迭代［3］。汽車外流場的邊界條件設(shè)定為入口邊界、出口邊界、移動地面邊界、固定壁面和對稱面邊界條件。設(shè)置的主要參數(shù)有車身表面材質(zhì)的粗糙度、地面的粗糙度、空氣的密度、大氣壓強，網(wǎng)格類型等［4］。

汽車尾流對汽車空氣動力性能影響很大，并且在汽車后部很長一段距離內(nèi)存在，為了更好地仿真尾流，在汽車后部取較長一段距離。同理，在汽車的前部、上部和側(cè)面都取大于汽車幾倍尺寸的距離。最終確定節(jié)能競技賽車車身模型全長為L，寬為B，高為H，則計算域的取法為汽車前部取2L，全寬取L，全高取L，汽車后部取4L［5］。

3.2 節(jié)能競技賽車車身造型方案確定

基于節(jié)能競技賽車車身三維模型的建立，采用可行性k－ε湍流模型及移動地面邊界模擬，入口邊界速度V=10 m/s。分別對總長均是2 700 mm，寬均是800 mm，前軸到最前端的距離均是750 mm的三個造型方案進(jìn)行模擬，對比分析其風(fēng)阻系數(shù)。如圖2所示。

圖2 A、B、C三種造型數(shù)值模擬車身表面壓力分布云圖Fig.2 Pressure distribution of three types of numerical simulated body surfaces

模擬結(jié)果顯示遠(yuǎn)方來流對A、B、C三種造型的車身中后部表面壓力影響不大，車身側(cè)面表面壓力則逐漸增大。A造型的車頭前迎風(fēng)面表面壓力集中于車頭中下部且數(shù)值較大，C造型車頭前迎風(fēng)面表面壓力數(shù)值最小但分布不均，而B造型車頭前迎風(fēng)面表面壓力集中且數(shù)值介于A、C造型之間。C造型車頭頂部正上方表面壓力較大，A造型車頭頂部正上方表面壓力大于B造型，B造型車頭頂部正上方表面壓力分布均勻且較小。在模型重要尺寸和流場區(qū)域尺寸完全相同的條件下，綜合考慮車身表面壓力的影響與風(fēng)阻系數(shù)Cd值和升力系數(shù)Cl值，見表1，本次設(shè)計選擇車身表面壓力影響綜合效果小，風(fēng)阻系數(shù)小，升力系數(shù)小的車身造型方案B作為基礎(chǔ)方案。

表1 風(fēng)阻系數(shù)、升力系數(shù)對比表Tab.1 Comparison table of wind resistance coefficient and lift coefficient

圖3顯示遠(yuǎn)方來流首先遇到車頭部頂點，在此處氣流大量阻塞，來流速度變小，形成一個比較小的阻滯區(qū)，為一駐點，流經(jīng)駐點，氣流分成上下兩部分，一部分流向車頂，一部分流向車底。上部氣流在車窗下部開始提速，到達(dá)車頂最高點時，氣流達(dá)到最大值，之后速度下降，但是維持在比較大的數(shù)值上。上部氣流和底部氣流在車尾會形成一個小的渦流區(qū)。圖4顯示在車身表面，前部承受壓力較大，中部負(fù)壓力較大，車身后部有一定負(fù)壓力，但不是很大。遠(yuǎn)方來流由于在汽車前頭頂點處受到垂直方向上的阻滯，來流速度降為零，全部動壓變?yōu)殪o壓，壓力系數(shù)達(dá)到最大值約為1。車身后部負(fù)壓區(qū)域多，汽車前部總壓力較后部要大，前后的壓力差造成了汽車的壓差阻力，這部分阻力占總阻力的主要部分，想要降低汽車的氣動阻力，必須設(shè)法使尾部的壓力升高，以此降低壓差阻力。

圖4 流場區(qū)域中性面上壓力云圖Fig.4 Pressure contour of neutral flow plane

本次對模擬的節(jié)油競技賽車車身模型進(jìn)行了簡化處理，未考慮車輪及側(cè)風(fēng)等因素的影響。通過這次車身外流場流態(tài)的分析，設(shè)計中將盡量改善賽車車身氣流線條，使其逼近理想的流態(tài)，減少空氣阻力和升力，控制氣流，渦流的產(chǎn)生和發(fā)展。

圖5 當(dāng)h=200時中性面上的壓力分布情況Fig.5 Pressure distribution of neutral surface at h=200

3.3 節(jié)能競技賽車車身模型數(shù)值模擬分析

基于車身造型方案B，流場區(qū)域尺寸不變，調(diào)整離地間隙h，分別選取200 mm、100 mm、50 mm和25 mm對模型進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果如圖5，圖6，圖7，圖8和表2所示。

圖6 當(dāng)h=100時中性面上壓力分布情況Fig.6 Pressure distribution of neutral surface at h=100

表2 離地間隙與風(fēng)阻系數(shù)對比Tab.2 Comparison of ground clearance and wind resistance coefficient

模擬結(jié)果顯示車頭前迎風(fēng)面、車頭頂部、車身側(cè)面及車身下部表面壓力均隨離地間隙減小而減少，表面壓力集中的范圍逐漸縮短，同時計算數(shù)據(jù)風(fēng)阻系數(shù)也減少。綜合賽場賽道的坡度和總體布置方案對重心高度的要求，最小離地間隙要保證賽車的通過性和行駛穩(wěn)定性［6］，所以最小離地間隙不是越小越好，此時的賽車接近角為3.814°(上海F1賽道的上坡度為1.712°)，為行駛過程中車身的震動和制動時車輛的前傾預(yù)留出有一定的安全間隙，最終確定離地間隙為50 mm。

改變賽車車頭部分尺寸，將對風(fēng)阻系數(shù)、升力系數(shù)產(chǎn)生影響［7］。分別在前軸到車身最前端的距離D為650 mm、750 mm、850 mm時對模型進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果見表3。當(dāng)D越大風(fēng)阻系數(shù)越大，但D值的大小受到車架前端尺寸的影響，為了車身頭部流線型更好的發(fā)揮作用，D值確定為750。

表3 D值的變化對風(fēng)阻系數(shù)的影響Tab.3 Effects of wind resistance coefficient on the variations of D value

車身寬度B的大小是根據(jù)車架前軸龍門位置的尺寸和轉(zhuǎn)向需要而預(yù)留出來的尺寸，分別在B為750 mm、800 mm時對模型進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如表4所示。當(dāng)B越大風(fēng)阻系數(shù)越大，本次設(shè)計B取750 mm。

圖8 當(dāng)h=25時中性面上壓力分布情況Fig.8 Pressure distribution of neutral surface at h=25

表4 B值的變化對風(fēng)阻系數(shù)的影響Tab.4 Effects of wind resistance coefficient on the variations of B value

4 結(jié)論

基于汽車空氣動力學(xué)影響，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，設(shè)計節(jié)能競技賽車選擇風(fēng)阻系數(shù)小，升力系數(shù)小的車身造型方案B作為基礎(chǔ)方案。同時進(jìn)行局部改進(jìn)，綜合考慮，本次設(shè)計車身數(shù)據(jù)為全長2 700 mm，車寬為750 mm，車前軸軸線到車身前端距離為750 mm，離地間隙為50 mm，風(fēng)阻系數(shù)為0.21 323，迎風(fēng)面積為0.4 248 499。本文所述設(shè)計方法節(jié)約了節(jié)能競技賽車的研發(fā)成本，縮短了賽車研發(fā)周期。在設(shè)計階段即可有效實現(xiàn)節(jié)能競技賽車車身相關(guān)性能的優(yōu)化，對其開發(fā)起到了一定的促進(jìn)作用。

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