FSAE賽車空套的分析與優化

王炎杰 江杏舟 梁富恒 萬昳妤 林成

摘 要：基于Realizable [k-ε]雙方程湍流模型，為了解決賽車流體仿真中遇到的仿真速率慢、仿真結果波動大的問題，本文從三維建模的特征提取簡化及網格劃分方法入手，有效降低網格數量，提高網格質量，提升賽車空套（即空氣動力學套件）的研發效率及科學性，增加整車仿真優化次數，最終反饋于空套性能的增長。

關鍵詞：FSAE;空氣動力學套件;ICEM;Fluent

中圖分類號：U463文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）02-0027-03

Analysis and Optimization of Aerodynamic Package for Fsae Racing Car

WANG Yanjie JIANG Xinzhou LIANG Fuheng WAN Yiyu LIN Cheng

（School of Automobile and Traffic Engineering， Guangzhou College of South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510000）

Abstract： Based on the two-equation turbulence model of Realizable [k-ε]， in order to solve the problems of slow simulation speed and large fluctuations in simulation results encountered in the racing fluid simulation， this paper started with the feature extraction and simplification of 3D modeling and the meshing method to effectively reduce the number of meshes， improve the quality of the grid， improve the efficiency and scientificity of the research and development of the racing car， increase the number of vehicle simulation optimizations， and ultimately feedback the increase in the performance of the car.

Keywords： FSAE;aerodynamics package;ICEM;Fluent

隨著FSAE中國大學生方程式大賽的發展，各個車隊的機械部分表現都愈發穩定，這個趨勢迫使賽車研發的重心更多地偏向空套設計。合格的空套設計可以為賽車提供更高的地面附著力，同時提升賽車的駕駛穩定性與過彎速度。目前，國內關于空套的設計研發比較薄弱，多數文獻針對單一空套部件進行分析優化，較少考慮各空套的交互性[1]。

整車流體仿真對于賽車空氣動力學的研發起著至關重要的參考作用，其仿真的速度與精確性直接影響最終設計成果的質量。因此，本文從賽車三維建模的簡化與特征提取出發，對于賽車的各網格參數及邊界層進行細致劃分，最后使用Fluent對賽車進行模擬風洞試驗，得出仿真結果，并依據此結果對賽車空套進行方案優化，得出更優的設計方案，最終提升空套的整體性能。

1 三維模型的建立與特征簡化

1.1 三維模型建立

三維模型的建立在CATIA中進行，空套總共分為前翼、擴散器、側翼和尾翼四個主要部分，人們要依據規則分別建立且細化各個部分空套建模，完成整車裝配。全車尺寸為長2 837 mm、寬1 392 mm、高1 190 mm，如圖1所示。

1.2 三維模型特征簡化

原車建模包括發動機、懸架、傳動等部分的裝配，具有復雜性。在進行網格劃分時，過多的細節特征將導致網格質量的控制非常困難，網格數量龐大，會導致分析速率下降甚至結果的發散。因此，對賽車的各部分分別進行氣動特征提取，在賽車后艙提取發動機進氣的輪廓特征。懸架碳管的直徑為18 mm，車架主環鋼管直徑為25.4 mm，整車建模中加入懸架和鋼管與不加入的情況多次對比，網格質量和網格生成速度都有所下降，最終決定刪除懸架及車架主環特征項。

在輪胎處做平面接地處理，模擬真實工況中輪胎由于受壓發生的變形，同時減少由于線接觸地面而產生的低質量網格。對于車手及頭枕的模擬，要建立駕駛艙內部的簡化結構，有效模擬內部阻力;翼片尾緣處同樣采取鈍化處理，有效地提高網格質量，同時減少網格數量。

1.3 風洞計算域的建立

依據賽車的實際尺寸，在風洞的建立過程中，為防止氣流碰撞壁面發生回流而影響精確性，應將流場尺寸適當設定得大一些。根據經驗值，流場的大小為車前3～4個車身長度，車后7～10個車身長度，高為3～4車身長度[2]，據此建立一個長方體流場。

2 模型分析的前處理

下面將建立完成的三維模型以STEP格式導入ICEM中進行網格劃分。在算法上，本研究采用Octree八叉樹畫法，八叉樹結構決定了它的功能，它可以快速定位樹結構中的每一個元素，快速進行三維集合運算，對各個特征進行修補、坍縮、節點合并和壓縮等操作，亦可快速搜索附近節點。在實際劃分網格的過程中，它可以自動細分，以捕捉幾何細節特征，細節的網格尺寸小于表面設定的網格，因此它可以很好地適應賽車的各種外形特征。在網格上，本研究選用最常見的四面體/混合網格（Tetra/Mixed），通常為純四面體，與八叉樹網格劃分方法有較好的兼容性。

2.1 網格劃分

在多面體網格大小的設置中，設置的數值越小，所生成的網格計算得出的結果越精確，但在非線性網格的計算中，過小的網格設置會導致網格數量增長非常迅速。由體網格向表面面網格靠近的過程中，網格將會大量細分以填充空隙，而對于混合四面體網格，其所占的存儲空間巨大，計算時計算機負荷大，要求高[3]。在實際操作中，網格大小要設置合理。整車建模時，根據各部分模型特征，針對所有薄壁類模型特征，如賽車前尾翼端板、擴散器、側翼端板等部位，統一設置網格大小為2 mm。翼片進行表面分區，以適應不同區域的精密度要求。翼面分為前緣、尾緣以及中段，其中中段設置為16 mm，前尾緣設置為4 mm，較大且舒展的面設置在16～64 mm。最后運用線控制對氣動特征關鍵區域以及以上提到的區域進行線設置。在軟件ICEM中，線的優先級高于面，因此網格將會以線為基準向外擴散，這樣可以極大地減少質量較差的網格并有效減少網格數量。

人們要對賽車整體進行邊界層設置，initial height為1.0、增長率為1.2%的層數為3層。賽車各分區根據實際工況下的特性進行單獨的邊界層設定，下翼面的邊界層需要設置得盡量厚一些，上翼面的邊界層設置得略薄一些。對于賽車體周圍區域設置體的加密區，全局最大網格為512 mm。賽車整車加密區體網格大小設置為128 mm，前尾翼再次進行單獨區域加密，大小為64 mm。最終網格數量為860萬，網格正交度低于0.1的網格元素僅為13個，符合計算精度要求。之前為執行此類操作，傳統方法需要設置1 100萬個網格，相比之下，新方法的網格數量減少27%，如圖2所示。

2.2 邊界條件及初始條件設定

仿真進風入口inlet速度為20 m/s，湍流強度為0.5%，模擬賽車在耐久賽中的平均車速。出口設置為壓力出口，湍流強度為5%。其間對輪胎做接地旋轉處理，速度為86 rad/s。為保證仿真精確性，應盡量減少氣流與壁面間的相互作用，故將壁面設置為無剪切壁面，并將粗糙度設置為0.5[4]。

3 結果分析

3.1 整車氣動力結果

在軟件Fluent中，設定當方程參數殘差值全部小于0.001時收斂，設置2 000步迭代運算，方程在第890步時收斂。經分析，在20 m/s的工況時，各區域的升力及阻力分別如表1、表2所示。

4 優化方法及結果

4.1 優化方法

根據總結出來的問題，本研究做以下改進：將前翼位置在規則范圍內盡量向車前進方向移動，讓經過外側襟翼的氣流可以以切向方向或高于輪胎的方向流動，不沖撞輪胎，減少阻力;對主翼翼型進行重新選取，選取彎度更小的低速翼型CH10，以獲取在規則范圍內更多的空間，增加襟翼數量，讓靠端板外側的襟翼獲得更大的臨界攻角，在下壓力提升的同時保證輪胎部分的氣流清潔性;細致調整翼片的攻角配合，重新調整發生氣流分離的部分;對車頭處的棱角進行弱化，對車頭處的曲率進行光順處理;將擴散器進出口高度微調大，增加理流隔板與導流片，盡可能將車底的混亂氣流梳理、分流，讓擴散器效率提高[5]。

4.2 優化結果

優化后的車體流線圖及表壓圖如圖3所示。

由仿真結果可見，改進成果較為明顯。比如，輪胎高壓區上移，翼片搭配方案更加合理，空間運用效率提升，車身外殼曲率更加光順等。優化后以相同參數設置進行仿真，在20 m/s的工況下得到各部件的氣動力，如表3、表4所示。

由表3、表4可以看到，下壓力提升83 N，同比提升11.7%，而阻力減少15 N，同比減少5%。

5 結語

整車仿真的精確性和效率關乎最終設計成果，優化仿真辦法和調整設計思路同等重要。對車體建模的三維特征進行提取和簡化，可以有效提升網格質量，同時降低網格數量，其中最有效的舉措包括對翼片尾緣及尖銳處的鈍化處理。采用線網格設置，在整車網格劃分中，可以減少各個幾何復雜區域的縫隙網格質量，有效提高網格質量。另外，合理搭配前翼、襟翼，不僅可以使輪胎高壓區上移，還能有效減小輪胎阻力，保證后方氣流的清潔度。

參考文獻：

[1]單金良.FSAE賽車車身氣動造型設計及其優化[D].揚州：揚州大學，2018：22-23.

[2]約瑟夫·卡茨，張英朝.賽車空氣動力學[M].北京：機械工業出版社，2019：89-95.

[3]劉方，翁天廟，龍天渝.CFD基礎與應用[M].重慶：重慶大學出版社，2015：45-52.

[4]南瓊，應保勝，伍俊杰，等.FSAE賽車車身外流場優化設計與數值模擬[J].計算機仿真，2018（1）：126-131.

[5]楊勇，尹歡，彭婧.FSAE賽車底盤尾流擴散器仿真分析與設計[J].機械科學與技術，2017（4）：632-636.