基于CFD技術的FSC賽車車身氣動造型設計

山西中北大學機械與動力工程學院 樊卓聞 張翼 任潤國

1 引言

近年來，大學生方程式賽車（簡稱“FSC賽車”）在世界范圍內迅速發(fā)展，在賽車的車身設計過程中，車身動力學特性對賽車各方面的性能有重要的影響。因汽車的風洞實驗對車身空氣動力學有極強的預測性而被用在汽車設計中，但弊端是實驗手段復雜、費用高、周期長。隨著計算機應用技術和湍流理論的發(fā)展，把計算流體力學應用到汽車設計上已成為可能，從而把原來只能在風洞中進行的實驗轉化到計算機上來。

2 車身模型的建立

2.1 三維模型建立

車身的設計不僅用來保護駕駛員的安全，給駕駛員提供一個相對于外界比較穩(wěn)定的駕駛環(huán)境，還要滿足自我審美和個性化等要求，進而設計出了各種車身造型，造成模型曲面復雜、細節(jié)多，在模型的處理、網格的生成和計算過程中都需要花費大量的時間，因此國內外許多學者在進行氣動研究時通常使用簡化模型[2]。本次計算入口條件為對稱均勻來流，為了節(jié)省計算耗費，故只取模型沿縱向對稱面的一半，如圖1所示。

圖1 三維簡化模型

2.2 網格生成

對汽車進行數(shù)值模擬時所使用的計算域為長方體，本文使用ANSYSDesignModeler創(chuàng)建賽車車身的三維幾何體外流場計算區(qū)域，其外流場計算區(qū)域使用Enclosure（包圍）來生成。

本文使用ANSYS-WorkBench集成環(huán)境中的Mesh模塊對外流場計算區(qū)域劃分網格。

計算網格的劃分是數(shù)值模擬過程中最為耗時的部分，同時網格的質量很大程度上決定著數(shù)值模擬結果精度甚至數(shù)值模擬能否收斂。為了提高計算精度，在網格劃分中先采用高級尺寸功能函數(shù)的Proximity and Curvature方法劃分網格，進行表面網格預覽，表面網格如圖2所示。

圖2 表面網格

從圖2的初始表面網格可以看出，沒有在車身表面和地面考慮到邊界層，而且網格有些地方的最小尺寸不太合適，所以需要進一步對網格劃分，并且要考慮到邊界層的影響[3]。將全局網格最小尺寸設為2mm，并且使用Infation功能對車身表面wall-car和地面wallgo und進行邊界層劃分。最后由表面網格和膨脹層網格生成所需的計算域網格，賽車車身的外流場計算區(qū)域劃分單元總數(shù)最終為817321。

2.3 邊界條件的設置

汽車周圍的流體是空氣，空氣在一個標準大氣壓（海平面高度）下，攝氏溫度15℃時的密度ρ=1.225kg/m3，動力粘性系數(shù) μ=1.7894×10Ns/m2，運動粘度v=μ/ρ=1.4607m2/s。因此，當空氣的速度ν＜50m/s時，可視為不可壓縮流體。本次模擬的風速為25m/s，因此可以把汽車繞流考慮成不可壓縮的。汽車繞流問題一般都簡化為定常、等溫、不可壓縮的三維流場，考慮到由于復雜外形引起的分離，應按湍流處理。

3 數(shù)值模擬結果及分析

3.1 車身速度分布特性

為了展現(xiàn)車身速度分布特性，本文選取了車身縱向對稱面上的速度矢量圖。從圖3可以看出，遠方來流首先遇到汽車頭部頂點。在此處，氣流阻塞，來流速度降低，形成一個比較大的阻滯區(qū)，為一駐點。流經駐點，氣流分成上下四部分，兩部分從車頭旁邊流出，一部分流向車頂，一部分流向車底部。上部氣流在車頭前部開始提速，到達車頭后緣的時候，發(fā)生了分離現(xiàn)象。

3.2 壓力分布

圖3 車身表面上的速度矢量

圖4 車身表面上的壓力分布圖

從圖4可以觀察到，在車身上表面，除了車身前臉部位和側翼局部出現(xiàn)了正壓區(qū)外，其余部分均為負壓區(qū)。出現(xiàn)負壓值較大的部位是車頭后部駕駛艙位置。遠方來流由于在汽車前部頂點處受到垂直方向上的阻滯，來流速度快速降低為0，全部動壓變?yōu)殪o壓，壓力系數(shù)達到最大值約為1。我們還可以看到賽車后部負壓區(qū)較多，因此汽車前部總壓力較后部要大，前后的箍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，要想降低汽車的氣動阻力，必須設法使尾部的壓力升高，以此降低壓差阻力。

3.3 三維外流場速度流線分析

圖5 車身縱向對稱面上的速度流線圖

通過流態(tài)分析，可以理解重要的流動過程。圖5顯示了該車身縱向中心對稱面的流態(tài)。從圖中可以看出各流線之間不是等距的，而各流線之間的間距差異，剛好表明了升力的來源。間距近，表明流速高，靜壓低，從而減小有效載荷。圖6所示為車身的速度流線圖。從圖中可以觀察到，車身流線清晰，只是在駕駛艙和座椅后面產生湍流，但由于這不可避免，整體上來說整車的氣動造型不錯。

3.4 氣動力系數(shù)分析

為了反應出汽車外形的空氣動力特性，在求解器中輸出氣動阻力和氣動升力結果，如圖7和圖8所示。

圖6 車身表面上的速度流線圖

圖7 氣動阻力結果

圖8 氣動升力結果

可以看出，車身所受到的氣動阻力為82N，其中壓差阻力為77N，摩擦阻力為5N，空氣阻力系數(shù)為0.33；氣動升力為64N，氣動升力系數(shù)為0.25。氣動力系數(shù)比較符合實際的試驗規(guī)律值。

4 總結

本文對賽車車身三維建模進行簡化，利用ANSYS Meshing對計算模型進行計算區(qū)域的設置、網格的劃分以及邊界類型的確定。通過得到的速度云圖、壓力云圖、速度矢量圖以及車身流線圖分析了賽車車身的流場特性、表面壓力，并得到車身的氣動力系數(shù)及升力系數(shù)，總結車身的氣動特性。通過對本次車身外流場流態(tài)的分析，了解了該車身的流動特性，為改善該車的氣流流線，減少空氣阻力和升力，減少渦流的產生與發(fā)展，控制氣流，提供了一定的參考價值。

[1]谷正氣.汽車空氣動力學[M].北京：人民交通出版社，2005：1-26.

[2]丁欣碩,焦楠.FLUENT 14.5流體仿真計算從入門到精通[M].北京：清華大學出版社.2014:2.

[3]江濤.汽車車身氣動造型設計優(yōu)化研究[D].長沙：湖南大學,2011.

[4]王俊,龔旭,李義林等.CFD技術在汽車車身設計中的應用[J].汽車技術,2013(4):14-17.