基于CFD技術(shù)的FSC賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)

山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 樊卓聞 張翼 任潤(rùn)國

1 引言

近年來，大學(xué)生方程式賽車（簡(jiǎn)稱“FSC賽車”）在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，在賽車的車身設(shè)計(jì)過程中，車身動(dòng)力學(xué)特性對(duì)賽車各方面的性能有重要的影響。因汽車的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)車身空氣動(dòng)力學(xué)有極強(qiáng)的預(yù)測(cè)性而被用在汽車設(shè)計(jì)中，但弊端是實(shí)驗(yàn)手段復(fù)雜、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和湍流理論的發(fā)展，把計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用到汽車設(shè)計(jì)上已成為可能，從而把原來只能在風(fēng)洞中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化到計(jì)算機(jī)上來。

2 車身模型的建立

2.1 三維模型建立

車身的設(shè)計(jì)不僅用來保護(hù)駕駛員的安全，給駕駛員提供一個(gè)相對(duì)于外界比較穩(wěn)定的駕駛環(huán)境，還要滿足自我審美和個(gè)性化等要求，進(jìn)而設(shè)計(jì)出了各種車身造型，造成模型曲面復(fù)雜、細(xì)節(jié)多，在模型的處理、網(wǎng)格的生成和計(jì)算過程中都需要花費(fèi)大量的時(shí)間，因此國內(nèi)外許多學(xué)者在進(jìn)行氣動(dòng)研究時(shí)通常使用簡(jiǎn)化模型[2]。本次計(jì)算入口條件為對(duì)稱均勻來流，為了節(jié)省計(jì)算耗費(fèi)，故只取模型沿縱向?qū)ΨQ面的一半，如圖1所示。

圖1 三維簡(jiǎn)化模型

2.2 網(wǎng)格生成

對(duì)汽車進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)所使用的計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方體，本文使用ANSYSDesignModeler創(chuàng)建賽車車身的三維幾何體外流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域，其外流場(chǎng)計(jì)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(duì)外流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格。

計(jì)算網(wǎng)格的劃分是數(shù)值模擬過程中最為耗時(shí)的部分，同時(shí)網(wǎng)格的質(zhì)量很大程度上決定著數(shù)值模擬結(jié)果精度甚至數(shù)值模擬能否收斂。為了提高計(jì)算精度，在網(wǎng)格劃分中先采用高級(jí)尺寸功能函數(shù)的Proximity and Curvature方法劃分網(wǎng)格，進(jìn)行表面網(wǎng)格預(yù)覽，表面網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 表面網(wǎng)格

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

2.3 邊界條件的設(shè)置

汽車周圍的流體是空氣，空氣在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（海平面高度）下，攝氏溫度15℃時(shí)的密度ρ=1.225kg/m3，動(dòng)力粘性系數(shù) μ=1.7894×10Ns/m2，運(yùn)動(dòng)粘度v=μ/ρ=1.4607m2/s。因此，當(dāng)空氣的速度ν＜50m/s時(shí)，可視為不可壓縮流體。本次模擬的風(fēng)速為25m/s，因此可以把汽車?yán)@流考慮成不可壓縮的。汽車?yán)@流問題一般都簡(jiǎn)化為定常、等溫、不可壓縮的三維流場(chǎng)，考慮到由于復(fù)雜外形引起的分離，應(yīng)按湍流處理。

3 數(shù)值模擬結(jié)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?qū)ΨQ面上的速度矢量圖。從圖3可以看出，遠(yuǎn)方來流首先遇到汽車頭部頂點(diǎn)。在此處，氣流阻塞，來流速度降低，形成一個(gè)比較大的阻滯區(qū)，為一駐點(diǎn)。流經(jīng)駐點(diǎn)，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(dá)車頭后緣的時(shí)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(cè)翼局部出現(xiàn)了正壓區(qū)外，其余部分均為負(fù)壓區(qū)。出現(xiàn)負(fù)壓值較大的部位是車頭后部駕駛艙位置。遠(yuǎn)方來流由于在汽車前部頂點(diǎn)處受到垂直方向上的阻滯，來流速度快速降低為0，全部動(dòng)壓變?yōu)殪o壓，壓力系數(shù)達(dá)到最大值約為1。我們還可以看到賽車后部負(fù)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(dòng)阻力，必須設(shè)法使尾部的壓力升高，以此降低壓差阻力。

3.3 三維外流場(chǎng)速度流線分析

圖5 車身縱向?qū)ΨQ面上的速度流線圖

通過流態(tài)分析，可以理解重要的流動(dòng)過程。圖5顯示了該車身縱向中心對(duì)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(chǎn)生湍流，但由于這不可避免，整體上來說整車的氣動(dòng)造型不錯(cuò)。

3.4 氣動(dòng)力系數(shù)分析

為了反應(yīng)出汽車外形的空氣動(dòng)力特性，在求解器中輸出氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力結(jié)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(dòng)阻力結(jié)果

圖8 氣動(dòng)升力結(jié)果

可以看出，車身所受到的氣動(dòng)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(dòng)升力為64N，氣動(dòng)升力系數(shù)為0.25。氣動(dòng)力系數(shù)比較符合實(shí)際的試驗(yàn)規(guī)律值。

4 總結(jié)

本文對(duì)賽車車身三維建模進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用ANSYS Meshing對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算區(qū)域的設(shè)置、網(wǎng)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(chǎng)特性、表面壓力，并得到車身的氣動(dòng)力系數(shù)及升力系數(shù)，總結(jié)車身的氣動(dòng)特性。通過對(duì)本次車身外流場(chǎng)流態(tài)的分析，了解了該車身的流動(dòng)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(chǎn)生與發(fā)展，控制氣流，提供了一定的參考價(jià)值。

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

[3]江濤.汽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2011.

[4]王俊,龔旭,李義林等.CFD技術(shù)在汽車車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù),2013(4):14-17.