基于FLUENT的FSC賽車空氣動力學系統(tǒng)的 設計與分析

張軒睿，周 靖，馬鳴天

（北京理工大學 珠海學院，廣東 珠海 519088）

賽車氣動造型的完美與否對汽車的性能有著至關重要的影響[1]。當賽車開始行駛時，周圍的流場也會隨之運動，形成了各種各樣的氣動力。當賽車高速行駛時，空氣阻力占據(jù)汽車大部分阻力來源，很大程度地限制著賽車的最高速度。大學生方程式汽車賽事的專用賽道上直道少，彎道多，所以盡可能地提高過彎速度是主要研究方向。研究表明，為賽車提供更多的地面附著力可以有效地提高過彎時的速度：一是使用熱熔胎，增大輪胎與地面的摩擦力，從而提高賽車的地面附著力；二是通過添加空氣動力學系統(tǒng)提供負升力，為賽車提供向下的氣動力，從而提高賽車的地面附著力。

1 基于CATIA的空氣動力學系統(tǒng)三維模型

1.1 前翼

前翼作為在賽車最前端最先接觸氣流的空氣動力學套件，在整車的空氣動力學套件的布置上有著很大的作用。圖1為賽車前翼建模。利用Profili翼型庫選擇CH10翼型作為前翼主襟翼的翼型。雙翼片結構相對于單翼結構可以在有限空間內(nèi)提供較大的下壓力。合理控制如圖2所示的主翼離地間隙，離地間隙太低會造成主翼后半段出現(xiàn)氣流分離，不利于翼片發(fā)揮最大的負升力，離地間隙太高會造成翼片與地面之間的文丘里效應（地面效應）減弱。合理控制襟翼的攻角，增加氣流經(jīng)過翼片上洗的角度，減少前輪迎風量，減少氣流經(jīng)過輪胎時產(chǎn)生的紊流，從而減少輪胎產(chǎn)生的空氣阻力。本次選取主翼離地間隙為60 mm，主翼攻角為5°，襟翼攻角為10°。表1顯示了翼型CH10在攻角為5°時不同雷諾數(shù)Re下的升力系數(shù)Cl，阻力系數(shù)Cd和升阻比Cl/Cd。

圖1 前翼建模

圖2 為主翼離地間隙示意圖

表1 翼型CH10在攻角為5°時不同的雷諾數(shù)Re下 的升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)Cd和升阻比Cl/Cd

1.2 尾翼

運用Profili翼型庫選取翼型CH10作為尾翼的翼型，雙翼片結構可以在有限空間內(nèi)提供較大的下壓力。如圖3尾翼的組成可以分為主翼片、輔翼片和端板。使用雙翼片或多翼片結構的尾翼相對于單翼片在占有相同空間下可以產(chǎn)生更多的下壓力。根據(jù)文獻，輔翼的弦長通常為總弦長（主翼加輔助翼）的25%～30%，較大的輔助翼的弦長可達整個弦長的30%～40%[2]。如圖4所示翼間間距指的是雙翼片或多翼片結構相鄰翼片之間的間隙，通常會讓雙翼或者多翼之間有一點重疊。SIMONM在MIRA風洞通過實驗發(fā)現(xiàn)在賽車上最優(yōu)的翼間間距在3.8%c最優(yōu)，重疊部分為5.2%c時性能最優(yōu)，c為總翼片弦長[2]。較大的端板可以保護翼片下產(chǎn)生的低壓區(qū)，賽車行駛時減少端板外的氣流因氣壓差流入翼片產(chǎn)生的低壓區(qū)，使翼片發(fā)揮出較大的負升力。

圖3 尾翼建模

圖4 翼間間距示意圖

2 整車三維模型的建立和網(wǎng)格的劃分

2.1 方程式車隊SP002賽車整車建模

通過計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）軟件對有無空氣動力學系統(tǒng)的賽車進行對比、分析和優(yōu)化。完成對賽車的建模，簡化了對計算影響較小的細節(jié)部分。建立流場計算域，車輛前部距離流場入口為車長的3倍，尾部距離出口為車長的7倍，計算域高度為車高的5倍，寬度為半車寬的5倍，同時考慮到模型具有對稱面，取整車模型的半邊以減小計算量[3]。在網(wǎng)格生成過程中，對前緣、后緣等復雜曲面以及輪胎與地面的接觸部位進行加密。最后，將四面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為多面體網(wǎng)格以節(jié)省計算資源。圖5和圖6分別為無空氣動力學系統(tǒng)的賽車和有空氣動力學系統(tǒng)的賽車。

圖5 為無空氣動力學系統(tǒng)賽車建模

圖6 為有空氣動力學系統(tǒng)賽車建模

2.2 參數(shù)和求解方式

由于大學生方程式汽車賽事的專用賽道上直道少，彎道多。所以將賽車最高車速設定為20 m/s，屬于低速范圍。根據(jù)空氣動力學理論，空氣可壓縮性的條件為馬赫數(shù)＞0.3，即速度為102 km/h，因此，對賽車流體模擬時，采用不可壓縮理論[4]。流體為空氣，大氣壓強P0=101.325 kPa，空氣密度ρ=1.225 kg/m3，空氣溫度T=288 K[5]。Viscous模型為k-epsilon（2 eqn），k-epsilon模型選用Realizable。動量、湍流強度、湍流耗散率的離散格式為二階迎風。為了提高計算精度，壓力速度耦合采用SIMPLEC。迭代運算次數(shù)為1500次。

2.3 邊界條件

流體計算域的邊界類型有進口（inlet）、出口（outlet）、管道面（wall_tunnel）、移動壁面（wall_ moving）和對稱面（symmetry）。進口設置為速度進口，流速為20 m/s。設置移動壁面速度與流速相同為20 m/s，方向與流體流向相同。

3 空氣動力學系統(tǒng)的仿真分析

由CFD軟件可以得到無空氣動力學系統(tǒng)的正面迎風面積約為0.55 m2，而有空氣動力學系統(tǒng)的正面迎風面積為0.83 m2。由阻力系數(shù)公式：

式中，F(xiàn)阻為空氣阻力，可由CFD軟件得出；ρ為流體密度；v為來流速度；A為正面迎風面積。

可以計算出有空氣動力學系統(tǒng)的賽車要比無空氣動力學系統(tǒng)的賽車的阻力系數(shù)要大。由負升力系數(shù)公式：

式中，F(xiàn)負升力為賽車下壓力，可由CFD軟件得出；ρ為流體密度；v為來流速度；A為正面迎風面。一般認為無空氣動力學系統(tǒng)的賽車負升力系數(shù)為0[6]，所以有空氣動力學系統(tǒng)的賽車負升力系數(shù)要大。

由圖7對稱面（symmetry）壓強等高線圖可以看出，有空氣動力學系統(tǒng)的賽車在前翼的加持下，賽車鼻錐部分有更大面積處于高壓區(qū)，這會增加更多的阻力。從有空氣動力學系統(tǒng)的賽車的壓強等高線圖可以看出前翼和尾翼產(chǎn)生的高壓區(qū)和低壓區(qū)。賽車底部產(chǎn)生的文丘里管效應也形成的低壓區(qū)，但由于沒有使用擴散器，底部的壓縮氣流不能更好的排出，不會產(chǎn)生有效的負升力。

圖7 為對稱面壓力等高線圖

由圖8移動壁面（地面）（wall_moving）壓力等高線圖可以看出，加裝前翼后，賽車前下端出現(xiàn)了明顯的低壓區(qū)。從賽車周圍的壓力等高線圖可以看出，前翼可以梳理車身外流場，讓氣流更多的流經(jīng)車身，將氣流往賽車尾部引導，讓尾翼接觸更多氣流，使尾翼發(fā)揮更大的作用。有了前翼對氣流的疏導，減小了前輪的正面迎風面積，前輪受到的壓力會相對減少，減少了阻力的產(chǎn)生。

圖8 為移動壁面（地面）壓力等高線圖

從圖9輪胎的壓力等高線圖和表2中輪胎阻力的變化可以看出：加裝前翼后的賽車受輪胎阻力的影響減弱。方程式為開輪式賽車，在高速行駛過程中，輪胎與行駛時的氣流直接接觸，氣流撞擊旋轉(zhuǎn)的輪胎會形成大量紊流，產(chǎn)生的“臟空氣”擾亂車身周圍的氣流的同時還增大了阻力，所以前翼的作用在很大程度上減少了輪胎造成的阻力。

圖9 為輪胎的壓力等高線圖

表2 有無空氣動力學系統(tǒng)對輪胎阻力的影響

由表3仿真計算得出的數(shù)據(jù)可以看出，有空氣動力學套件的賽車產(chǎn)生的阻力會比無空氣動力學套件的賽車大很多，由此可見使用空氣動力學 套件增加負升力的同時，導致阻力的增加也是一個不可避免的問題，所以一般用升阻比即升力與阻力之比來衡量一輛方程式賽車的氣動水平。圖 10顯示了有空氣動力學套件的賽車的外流場部分流線圖。

圖10 為整車外流場的部分流線圖

表3 有無空氣動力學系統(tǒng)對整車的氣動影響

4 結論

1）有空氣動力學系統(tǒng)的賽車的性能比無空氣動力學系統(tǒng)的賽車性能有明顯的提升。

2）前翼的使用可以降低輪胎對車身外流場的影響。

3）使用了空氣動力學系統(tǒng)的賽車會在一定程度上增加空氣阻力。

4）前翼可以有效地減少前輪產(chǎn)生的空氣阻力。