基于CFD的FSAE賽車操縱性數值模擬及驗證

麥冬玲，劉家招，古 真，陳鈺冉

基于CFD的FSAE賽車操縱性數值模擬及驗證

麥冬玲，劉家招，古 真，陳鈺冉

（北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院，廣西 欽州 535099）

利用CFD技術進行賽車設計，對中國大學生方程式汽車大賽（FSAE）賽車的車身及空氣動力學套件（主要是尾翼）進行數值模擬分析，根據數值模擬結果優化賽車的操縱性。根據現場試驗與模擬結果進行的對比，驗證了數值模擬分析結果的準確性，為賽車和汽車的開發設計提供了依據。

FSAE賽車；操縱性；數值模擬；CFD

1 影響賽車操縱性的因素

影響賽車操縱性的因素，除來自地面的支持力和摩擦力以外，還有賽車周圍流場產生的氣動力和氣動力矩，主要是側向力、阻力、升力和這3個力產生的力矩（俗稱汽車氣動六分力）[1-2]，如圖1所示。氣動六分力會干擾賽車周圍的氣流流場，使其變得不穩定，從而影響賽車的操縱穩定性。賽車的穩定行駛主要依靠輪胎對地面的附著力，而升力和側傾力矩都將減少賽車對地面的附著力，使賽車操縱不穩甚至失去控制。

圖1 汽車氣動力坐標系

因此，若要提高賽車的操縱性，需減少賽車受到的升力，提高賽車輪胎對地面的附著力和賽車操縱穩定性。為了抵消賽車所受的升力，可以在升力的相反方向上增加下壓力，即負升力。此外，把賽車的風壓中心（側向力的作用點）向賽車重心之后移動也是非常重要的。側向力會減小賽車單邊輪胎的附著力，使兩邊輪胎的附著力不同，有可能導致賽車側翻。空氣動力學是FSAE賽車研究的重要內容，主要是保證整車的氣動平衡，再優化升力和阻力的關系，確定后移的風壓中心，在得到較低阻力的同時也能夠獲得較大的負升力，提高賽車的操縱性[3]。為了增加賽車的負升力，可以為賽車安裝空氣動力學套件。目前廣泛使用的空氣動力學套件是負升力尾翼。翼片的外形與飛機翼片的造型相反。根據伯努利方程

+1/22=常量

式中為靜壓，為空氣密度，可認為是定量，是速度。

由方程可知：氣流的流動速度越大，壓強就會越小；相反，速度越小，壓強就越大。賽車尾翼翼片所產生的負升力就是因翼片上下表面氣流速度不同而產生的向下的合力[4]。負升力抵消賽車行駛中產生的氣動升力，使輪胎對地面的附著力增加，從而改善賽車的操縱性。賽車負升力翼工作原理如圖2所示。

圖2 賽車負升力翼工作原理

2 數值分析

2.1 三維建模

先設計出符合FSAE競賽規則的賽車車架，對車身造型及空氣動力學套件進行概念設計，然后再對外形進行細部優化，優化的原則是降低風阻系數和升力系數[5]。在常見物體中，水滴的風阻系數最小，只有0.05；而一般轎車的風阻系數達到0.28~0.4。因此，根據水滴的形狀對車身進行了細部優化，使整個車身曲線更為平滑，風阻系數降到0.15左右。曲線型車身建模如圖3所示。

圖3 曲線型車身建模

翼型建模采用NACA（美國低速翼型系列）翼型庫中的翼型為基礎樣式，根據車身的需求及規則的要求，進行細部優化，避開防火墻的阻礙，得到最佳的尾翼形狀，尾翼建模如圖4所示。

圖4 尾翼建模

2.2 網格劃分

CFD是一款專門用來進行物體周圍流場分析、計算、預測的專業軟件。利用該軟件，可以在短時間內分析和顯示賽車周圍流場的情況，并且可以改變參數進行模擬，以得到最佳的設計結果。

方程解的準確性和收斂性取決于網格質量，方程解的發散通常是因為少數網格質量不佳，如果存在拉伸嚴重的網格，將會使方程求解困難并且不收斂。因此，劃分出的網格質量是非常重要的。除了網格質量影響CFD求解精度外，網格的類型和網格的布局也有一定的影響。復雜曲率表面的網格細化非常重要。在賽車車身建模的拐角和尖角處，網格數量應設置得較密集；而在曲率變化不大的表面，網格可以設置得比較粗糙。對整車模型簡化后進行網格劃分，整車簡化模型如圖5所示。劃分后的網格質量如圖6所示。網格總數量為705 308個，整車網格如圖7所示[6-7]。

圖5 整車簡化模型

圖6 網格質量

圖7 整車及邊界層網格

2.3 邊界條件

FLUENT中給了10種邊界條件形式（見表1）。

在氣流流動中，氣流流動速度和聲音在氣流內傳播的速度的比值，稱為馬赫數，=/。在氣體動力學中，能劃分氣流流動的類型，是判斷氣體壓縮性的一個尺度。FSAE賽車的速度屬于低速范疇，＜0.3[6]，可以認為流經車身及尾翼的氣體不可壓縮，因此選擇速度進口、壓力出口的邊界條件[8]。

表1 10種邊界條件

2.4 控制方程及計算方法

FSAE賽車周圍的流場是湍流，又是不可壓縮流體，所以其動量守恒的運動方程可以用N-S方程（納維-斯托克斯方程）來表示，即：

3 結果

在車速20 m/s時，直線工況下的賽車流線如圖8所示。賽車風壓中心處于質心后2.69%的距離，升阻比為–1.85，整車下壓力為576.63 N；16°氣流偏航工況時，風壓中心處于與質心前5.25%的距離，升阻比為–1.86，整車下壓力為546.42 N。氣流16°偏航工況流線如圖9所示，所產生的下壓力足以抵消賽車在行駛時產生的升力，并能有效增加輪胎附著力。

4 驗證

目前有2種方法被用于汽車操縱性試驗：一是定轉向盤轉角試驗法，二是定轉彎半徑試驗法。FSAE賽事中的8字賽道即為定轉彎半徑試驗方法。8字賽道如圖10所示。

為保證試驗準確性，只由一名車手來完成試驗。試驗規則是：先走右邊2圈，再走左邊2圈，取賽車走完右圈和左圈消耗時間的平均值作為總用時；賽車每碰到一個交通錐標（也包括出入口處的交通錐標），將在計時中增加0.25 s作為罰時；賽車打滑，只要尚未脫離賽道就能繼續試驗，賽車4輪整體脫離賽道邊界則測試無效。每完成4圈為一次試驗，以每次加速度不大于0.5 m/s2重復進行試驗，直至賽車出現不穩定狀態（即賽車操縱性不穩定，不受駕駛員控制）為止，記錄整個過程的數據[9-10]。

圖8 直線工況整車流線圖

圖9 氣流16°偏航工況流線圖

賽車的操縱性能可以由側向加速能力來表示。側向加速度為

＝2.012a/2

式中：a為內圓與外圓的平均直徑（見圖10），為包括罰時在內的4圈總用時（出自2019方程式大賽競賽規則）。取a＝17.10 m。試驗之前，先使賽車以較低的速度繞賽道行駛，預熱賽車；然后，賽車以最低穩定車速行駛，調整轉向盤轉角，使賽車以8字賽道的固定半徑行駛，保持油門和轉向盤位置（方向盤可以在微小的范圍內調整），記錄時間、賽車加速度等數據。試驗數據如圖11所示。

圖10 試驗賽道圖

圖11 不同條件下的試驗結果

試驗結果表明，在其他條件不變的情況下，側向加速度隨著賽車加速度的增大而增大，到達一定極限后便減小，而側向加速度本應是隨著加速度的增大而增大，出現反向波動，說明了賽車完成試驗所花時間變大，撞到錐標樁桶數量增加，操縱性出現不穩定情況。而有空氣動力學套件的側向加速度波動相對于沒有空氣動力學套件的側向加速度波動要更小，賽車的操縱性能更加穩定。

5 結語

通過實際的試驗可知：CFD流體力學數值模擬結果有良好的可靠性和準確性，可作為研究車輛操縱性的科學依據，有利于預測產品的缺陷并進行優化改進，提高賽車的操縱性和降低燃油消耗。

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Numerical simulation and validation of FSAE racing car maneuverability based on CFD

MAI Dongling, LIU Jiazhao, GU Zhen, CHEN Yuran

(College of Mechanical and Marine Engineering, Beibu Gulf University, Qinzhou 535099, China)

The CFD (computational fluid dynamics) technology is used to design the racing car. The body and aerodynamic package (mainly the tail wing) of the FSAE racing car are simulated and analyzed, and the maneuverability of the racing car is optimized according to the numerical simulation results. By comparing the results of field experiments with those of simulation, the accuracy of the results of numerical simulation analysis is verified, which provides a basis for the development and design of racing cars and automobiles.

FSAE racing car; maneuverability; numerical simulation; CFD

U462.1

A

1002-4956(2019)11-0101-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.025

2019-04-28

北部灣大學生創新創業計劃項目（201811607070）；欽州學院引進高層次人才第二批科研啟動項目（2018KYQD40）；欽州學院高等教育本科教學改革工程項目（18JGA008）

麥冬玲（1965—），女，廣西桂平，副教授，主要研究方向為新能源汽車、汽車運用工程。