大學(xué)生方程式賽車的空氣動力學(xué)套件的建模與流場分析

馬健　王瑋　王凱鵬

摘 要：汽車的空氣動力學(xué)特性被越來越多的人所重視，對汽車的操控性與穩(wěn)定性都產(chǎn)生影響。該文利用Catia軟件對設(shè)計的空氣動力學(xué)套件進(jìn)行三維模型的建立，并與賽車裝配，利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行流場分析，得出賽車的流場特性，為其改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)。空氣動力學(xué)在賽車領(lǐng)域的應(yīng)用是非常廣泛的，我們將此應(yīng)用于大學(xué)生方程式賽車上面，給賽車加裝空氣動力學(xué)套件，使其的操縱性能得以提升。

關(guān)鍵詞：Catia ANSYS 流場分析

中圖分類號：U461.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0025-01

1 賽車空氣動力學(xué)研究意義

在賽車運(yùn)動中運(yùn)用負(fù)升力原理而改善賽車性能措施被證明是極其有效的，氣動負(fù)升力在不增加賽車質(zhì)量的情況下改善了輪胎與路面的附著情況，提高了賽車在平直賽道高速行駛時的動力性及緊急剎車時的制動性能，也改善了賽車的操縱穩(wěn)定性能[1]。該文中空氣動力學(xué)套件由前翼、尾翼、底部擴(kuò)散器組成，通過對加裝空氣動力學(xué)套件和不加裝空氣動力學(xué)套件的三維模型分別進(jìn)行流場分析，得出賽車的流場特性。

2 賽車空氣動力學(xué)套件的三維建模

中國大學(xué)生方程式賽車的比賽中，賽車由在校學(xué)生按照賽事規(guī)則和賽事標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行獨立設(shè)計制造，賽事組委會因考慮賽事安全，在比賽中會在賽道上人為設(shè)置一些繞樁區(qū)，人為限制賽車在賽道中的最高車速，并且賽道以彎道為主，提升過彎速度與加速性能變得尤為重要?？紤]到這些原因，空氣動力學(xué)套件設(shè)計的目標(biāo)就是在較低速度下20 m/s的情況下獲得較大的下壓力，并盡可能減少空氣阻力。

在賽車的行駛過程中，由前翼、尾翼和底部擴(kuò)散器產(chǎn)生下壓力，其中前翼和尾翼產(chǎn)生下壓力的來源是升力翼片，升力翼片的不同結(jié)構(gòu)會影響不同的空氣動力學(xué)性能，而底部擴(kuò)散器的負(fù)升力來源是利用地面效應(yīng)。鑒于負(fù)升力翼片結(jié)構(gòu)在航天發(fā)展中已經(jīng)較為成熟，并且NACA翼型庫（National Advisory Committee for Aeronautics，美國國家航空咨詢委員會）中有較為全面的翼型結(jié)構(gòu)，在建模中從NACA翼型庫選取低速翼型，在Catia中建立多組三維模型，并且在Ansys中進(jìn)行流場分析，經(jīng)過對比分析結(jié)果選取最終翼片規(guī)格。

在前翼設(shè)計中，由于前翼是氣流首先到達(dá)的地方，它的結(jié)構(gòu)影響著氣流在賽車其他結(jié)構(gòu)處的流動，并且要求前翼能使氣流盡量繞開前輪，減少阻力。結(jié)合以上因素，選取兩片半的設(shè)計形式，使第三層襟翼對氣流進(jìn)行引導(dǎo)，避免對前輪的直接沖擊，同時保證有更多的氣流流過賽車側(cè)箱，提高對發(fā)動機(jī)的賽熱。在尾翼設(shè)計中，由于尾翼的作用只有一個，產(chǎn)生下壓力，同時盡可能減少氣動阻力，選用三片式的設(shè)計形式，并在翼片兩端設(shè)計端板，防止外側(cè)氣流的干擾。在底部擴(kuò)散器的設(shè)計中，考慮流體速度大小與壓強(qiáng)成反比的原理，將賽車底部空氣氣流在經(jīng)過梳理后迅速導(dǎo)出，使賽車底部形成一個低壓區(qū)，從而產(chǎn)生賽車下壓力。同時使賽車底部更為平滑，減少了空氣阻力[2]。在滿足以上條件下，運(yùn)用Catia軟件進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建，并利用裝配模塊完成空氣動力學(xué)套件與賽車模型的連接如圖1所示。

3 基于Ansys的流場分析

3.1 三維模型導(dǎo)入與網(wǎng)格劃分

在Catia中將建立的三維模型經(jīng)過一定的簡化處理，轉(zhuǎn)換成IGS文件并將其導(dǎo)入到Ansys Fluent模塊中。在計算域的確定上，在最大限度保證賽車模型周圍流場特性的前提下，縮小計算域的范圍，以達(dá)到減小計算量，提高計算速度。文中計算域的選取以高度為4倍車高，寬度為7倍車寬，左右間隙3倍車寬，長度為11倍車長，出口距汽車最后端6倍車長[3]。

網(wǎng)格的劃分對分析結(jié)果有著重要的影響，網(wǎng)格越細(xì)密，分析結(jié)果越精確，但耗費(fèi)的時間和對電腦的配置要求越高，文中在網(wǎng)格劃分時選用六面體網(wǎng)格，在模型不太復(fù)雜時，可以保證優(yōu)良的貼體性，和同等數(shù)量的四面體網(wǎng)格相比又可以減少計算時間。在劃分網(wǎng)格過程中在一些比較光順處選用較大網(wǎng)格，對局部細(xì)節(jié)處進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化，在保證計算精度的情況下提高計算的速度。最終劃分網(wǎng)格數(shù)目為1 593 756個。

3.2 計算條件和邊界條件的設(shè)置

確定計算條件時選用k-ε高雷諾數(shù)模型，在模型比較簡單，網(wǎng)格質(zhì)量不太高的情況下應(yīng)用比較廣泛[4]。在邊界條件設(shè)置上，選取車頭前端面為速度入口，考慮到在實際比賽中由于賽道的限制，選取入口速度為20m/s；選取車尾后端面為出口邊界相當(dāng)于無窮遠(yuǎn)處壓力取為0；設(shè)置賽車三維模型表面為固定無滑移面；設(shè)置地面邊界為移動邊界，速度為20m/s。選擇迭代步數(shù)為1000步進(jìn)行求解。

4 數(shù)值模擬結(jié)果

安裝空氣動力學(xué)套件模型經(jīng)簡化處理后，分析結(jié)果為在給定入口條件20m/s時，車身阻力為307.3N，升力為-341.9N，迎風(fēng)面積1.459㎡，阻力系數(shù)為0.881。升力系數(shù)。按照同樣方法將空氣動力學(xué)套件去除后，進(jìn)行流場分析得出未安裝空氣動力學(xué)套件車身分析結(jié)果為在給定20m/s時，車身阻力117.9N，升力160.1N，迎風(fēng)面積1.267㎡，阻力系數(shù)為0.525。

5 結(jié)語

在空氣動力學(xué)套件的設(shè)計中應(yīng)在提供一定負(fù)升力的基礎(chǔ)上，盡可能的減少由于增加空氣動力學(xué)套件帶來的空氣阻力，進(jìn)行多次的仿真分析，進(jìn)而確定最終的方案。

（1）在Ansys中對建立的三維模型進(jìn)行數(shù)值仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果可以對模型的修改與優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)，以改善了賽車的空氣動力學(xué)性能。

（2）分析后得知整車在相對空氣速度為20m/s的情況下，不加裝空氣動力學(xué)套件時升力為160.1N，加裝空氣動力學(xué)套件后整車升力為-341.9N。通過加裝空氣動力學(xué)套件車身會產(chǎn)生502N的負(fù)升力，很好的避免了車輛在高速下產(chǎn)生的抓地力不足的問題。

參考文獻(xiàn)

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[3] 呂立坤.擾流板對轎車氣動特性改善的數(shù)值仿真[D].長春：吉林大學(xué)，2005.

[4] 孔斌.基于空氣動力學(xué)的車身造型設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.