大學生方程式賽車的空氣動力學套件的建模與流場分析

馬健　王瑋　王凱鵬

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

關鍵詞：Catia ANSYS 流場分析

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

1 賽車空氣動力學研究意義

在賽車運動中運用負升力原理而改善賽車性能措施被證明是極其有效的，氣動負升力在不增加賽車質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定性能[1]。該文中空氣動力學套件由前翼、尾翼、底部擴散器組成，通過對加裝空氣動力學套件和不加裝空氣動力學套件的三維模型分別進行流場分析，得出賽車的流場特性。

2 賽車空氣動力學套件的三維建模

中國大學生方程式賽車的比賽中，賽車由在校學生按照賽事規則和賽事標準，進行獨立設計制造，賽事組委會因考慮賽事安全，在比賽中會在賽道上人為設置一些繞樁區，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。考慮到這些原因，空氣動力學套件設計的目標就是在較低速度下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、尾翼和底部擴散器產生下壓力，其中前翼和尾翼產生下壓力的來源是升力翼片，升力翼片的不同結構會影響不同的空氣動力學性能，而底部擴散器的負升力來源是利用地面效應。鑒于負升力翼片結構在航天發展中已經較為成熟，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構，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中進行流場分析，經過對比分析結果選取最終翼片規格。

在前翼設計中，由于前翼是氣流首先到達的地方，它的結構影響著氣流在賽車其他結構處的流動，并且要求前翼能使氣流盡量繞開前輪，減少阻力。結合以上因素，選取兩片半的設計形式，使第三層襟翼對氣流進行引導，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箱，提高對發動機的賽熱。在尾翼設計中，由于尾翼的作用只有一個，產生下壓力，同時盡可能減少氣動阻力，選用三片式的設計形式，并在翼片兩端設計端板，防止外側氣流的干擾。在底部擴散器的設計中，考慮流體速度大小與壓強成反比的原理，將賽車底部空氣氣流在經過梳理后迅速導出，使賽車底部形成一個低壓區，從而產生賽車下壓力。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，運用Catia軟件進行三維模型的創建，并利用裝配模塊完成空氣動力學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 三維模型導入與網格劃分

在Catia中將建立的三維模型經過一定的簡化處理，轉換成IGS文件并將其導入到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]。

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

3.2 計算條件和邊界條件的設置

確定計算條件時選用k-ε高雷諾數模型，在模型比較簡單，網格質量不太高的情況下應用比較廣泛[4]。在邊界條件設置上，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于無窮遠處壓力取為0；設置賽車三維模型表面為固定無滑移面；設置地面邊界為移動邊界，速度為20m/s。選擇迭代步數為1000步進行求解。

4 數值模擬結果

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

5 結語

在空氣動力學套件的設計中應在提供一定負升力的基礎上，盡可能的減少由于增加空氣動力學套件帶來的空氣阻力，進行多次的仿真分析，進而確定最終的方案。

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

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

參考文獻

[1] 宋濤，胡瑞.空氣動力學在F1賽車上的運用[A].天津：天津大學內燃機研究所，2014.

[2] 曾飛云.萬得FSC賽車空氣動力學特性研究[D].沈陽：遼寧大學，2014.

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

[4] 孔斌.基于空氣動力學的車身造型設計[D].武漢：武漢理工大學，2008.