基于CFD技術(shù)的FSC賽車車身氣動造型設(shè)計

余順達(dá)，李能，王兵，高陽

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

對湖北汽車工業(yè)學(xué)院FSC賽車模型外流場進(jìn)行CFD模擬研究，在此基礎(chǔ)上對加裝空氣動力學(xué)附加裝置（前后擾流板、底部擴散器）后的情況進(jìn)行分析，并探討它在賽車外部流場的改善方面所發(fā)揮的作用以及在不同條件下攻角的最佳位置。通過對汽車尾部流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出具有工程實際意義的賽車空氣動力特性參數(shù)，并結(jié)合賽車尾部流場的特點，分折后擾流板的安裝對尾流結(jié)構(gòu)的影響。選取合適的湍流模型、差分格式及數(shù)值計算方法，添加正確的邊界條件，先分析無附加擾流板時尾部流場情況和受力情況，再分析附加擾流板的車身在合理速度范圍時的氣動參數(shù)及外流場特性，對12種模型進(jìn)行優(yōu)化分析，找出相應(yīng)速度下擾流板的最佳攻角角度，以指導(dǎo)不同比賽項目中氣動部件的調(diào)教策略。

1 車身外流場CFD建模

1.1 CAD建模

首先對車身造型及空氣動力學(xué)附加裝置進(jìn)行概念設(shè)計和優(yōu)化選型，再利用CATIA進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用IMA模塊按照與實車1∶1的鼻翼對車身進(jìn)行建模，運用GSD模塊對車身分割出散熱器進(jìn)風(fēng)口與風(fēng)道，并對前后擾流板進(jìn)行初步建模。

為了正確模擬賽車行駛過程狀態(tài)，對暴露在車體外部的駕駛員頭盔和輪胎進(jìn)行了簡化處理。汽車放在風(fēng)洞中，根據(jù)經(jīng)驗［1］，選取長方體形的計算域流場，假設(shè)汽車模型長為L，寬為w，高為H，則計算域的取法為汽車前部取3L，側(cè)面取4W，上部取4H，汽車后部取 6L［2－3］，如圖 1 所示。

1.2 控制方程

流體流動要受物理守恒定律的支配。基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。由這些定律可以分別導(dǎo)出質(zhì)量方程、動量方程和能量方程。由它們可以聯(lián)立得到納維爾一斯托克斯方程組，簡稱為N－S方程組。N－S方程組是流體流動所需遵守的普遍規(guī)律［4］。為了便于對各控制方程進(jìn)行分析，并用同一程序?qū)Ω骺刂品匠踢M(jìn)行求解，用表示通用變量，則各控制方程的通用形式如式（1）［5］：

其展開形式為

式中：φ為通用變量，可以代表u、v、w、T等求解變量；Γ為廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項。式（2）中各項依次為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項。對于特定的方程，φ、Γ 和 S 具有特定的形式［6］，表 1 給出了3個符號與各特定方程的對應(yīng)關(guān)系。

1.3 網(wǎng)格劃分

表1 通用控制方程中各符號的具體形式

網(wǎng)格劃分越細(xì)，分析精度越高，計算時間也越長。因此需選用合適的網(wǎng)格劃分方法。由于車身表面是關(guān)鍵表面，因此采用較細(xì)的六面體網(wǎng)格單元，便于后面的體網(wǎng)格劃分，模型總的網(wǎng)格單元數(shù)為544059，如圖2所示。

1.4 邊界條件

對于空氣來說，當(dāng)風(fēng)速小于1/3聲速時，也就是在風(fēng)速小于408km·h－1時，可認(rèn)為是不可壓縮氣體。對FSC賽車來說，最高速度都小于200km·h－1，因此空氣動力學(xué)研究可以把周圍氣體考慮成不可壓縮的。賽車?yán)@流問題一般為定常，等溫、不可壓縮三維流場，考慮到由于復(fù)雜外形引起的分離，應(yīng)按湍流處理，湍流強度及耗散率分別取0.5%、0.5。地面設(shè)置為移動地面，車身表面設(shè)置為無滑移的固壁條件。對4種模型的入口速度分別做高、中、低3種速度設(shè)定。

2 車身造型方案CFD優(yōu)化對比分析

2.1 空氣阻力及負(fù)升力分析

由于FSC賽車前部造型基本類似，前鼻翼擾流板角度一般都在10°～20°之間，而且對賽車氣動性能影響最大的是尾翼，因此本文是在前鼻翼擾流板角度固定的前提條件下，重點對在不同速度下對無擾流板、帶不同角度附加擾流板［1］共12種模型進(jìn)行外流場計算分析，各個模型方案計算如表2所示。

表3為12種模型的氣動阻力和氣動升力參數(shù)，通過比較可以看出賽車氣動性能隨擾流板攻角變化的特點，根據(jù)氣動阻力和氣動升力的變化趨勢，可為賽車在不同速度區(qū)間行駛時提供擾流板攻角調(diào)教的推薦值，供試驗和比賽時參考。

表2 各模型方案［2］

表3 各模型在不同速度下的氣動阻力和氣動升力［3］

2.2 不同車隊車身氣動參數(shù)對比分析

湖南大學(xué)2010年（圖3a）只對車身進(jìn)行分析，沒有考慮車輪和其它附件的影響，在速度為72 km·h－1時車身空氣阻力系數(shù)為0.30195。天津大學(xué)2010年車身造型設(shè)計（圖3b）以平面和直線為主，棱角分明，缺少圓弧過渡，該車身模型在速度為72 km·h－1時空氣阻力系數(shù)為0.32052。本次設(shè)計車身造型采用流線型設(shè)計 （圖3c），對賽車尾部做了圓弧過渡，并對車輪和駕駛員頭盔進(jìn)行簡化處理，車身模型在速度為72 km·h－1時空氣阻力系數(shù)值為0.3293，后擾流板攻角為10°時風(fēng)阻系數(shù)值為0.4467，不同車隊車身氣動參數(shù)對比圖如圖3所示。

與湖南大學(xué)車身模型空氣阻力系數(shù)對比可知，采用流線型設(shè)計車身并附帶車輪和駕駛員頭盔的模型，迎風(fēng)面積比湖南大學(xué)車身模型增加了30%，空氣阻力系數(shù)僅增加了9%，說明本次設(shè)計的車身造型能在一定程度上減小空氣阻力，并且由于賽車尾部采用了封閉式內(nèi)收設(shè)計，能減少尾部湍流，進(jìn)一步降低空氣阻力。

2.3 車身模型外流場對比分析

通過圖4中無后擾流板模型與后擾流板攻角為10°的模型速度流線圖對比可知，氣流經(jīng)過擾流板有明顯上揚，由于攻角較小，產(chǎn)生的負(fù)升力也較小。

通過攻角為 10°和 20°模型流線圖（圖 4b～c）對比，可以看出：更大的攻角能夠產(chǎn)生更大的擾流作用，提供更大的負(fù)升力。氣流沿10°攻角模型上下表面流過，沒有出現(xiàn)附面層分離，20°模型下層翼板下表面有輕微附面層分離。當(dāng)采用30°攻角時，附面層分離現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

鼻錐是影響FSC賽車穩(wěn)定性的重要因素之一，它是賽車車身的前半部分，決定著通過車身上下方、散熱器、后擾流板的氣流比例及方向的關(guān)鍵性部件，如圖5所示。通過俯視圖觀察氣流經(jīng)過前鼻翼和鼻錐之后在前輪周圍形成低壓區(qū)，減少了前輪的干擾阻力。鼻翼前上層翼板與車身之間留有足夠空間，使前方未受繞流影響的氣流能直接進(jìn)入散熱器，保證散熱效果，增加賽車在耐久性項目上的穩(wěn)定性；受前鼻翼的繞流作用影響的氣流與流過車身和散熱器的氣流在車尾匯合，順利流向后方，沒有產(chǎn)生渦旋，如圖6所示，證明本次氣動造型設(shè)計在整體上的效果是比較滿意的。

3 結(jié)論

本文計算了12個不同的流場模型，通過對CFD數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出在不同比賽項目中氣動部件調(diào)教策略，結(jié)論如下：

1）75 m直線加速 建議不使用前后擾流板，將阻力減少到最低，可以使用底部擴散器，在加速末段提供一定的負(fù)升力。

2） 耐久賽 建議將擾流板調(diào)整至 10°～20°之間，在不增加過多空氣阻力的情況下提供適度的負(fù)升力，兼顧操縱穩(wěn)定性與燃油經(jīng)濟(jì)性。

3）高速壁障 建議將擾流板調(diào)整至20°左右，在賽車的加速性能允許范圍內(nèi)，增加不多的空氣阻力，提供更多的負(fù)升力，兼顧加速性能與彎道性能。

4）8字繞環(huán) 建議將擾流板調(diào)整至30°左右，增加的空氣阻力可以通過增大油門開度來彌補，用以獲得更大的負(fù)升力，提高單圈速度。

［1］郭軍朝.理想車身氣動造型研究與F1賽車空氣動力學(xué)［D］.長沙：湖南大學(xué)，2007.

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