FSAE賽車車身CFD仿真及試驗

胡順安，陳言暢

常熟理工學院，江蘇蘇州 215500

0 引言

隨著中國大學生方程式汽車大賽的發展，空氣動力學套件作為中國大學生方程式賽車的重要組成部分，成為各車隊設計開發研究的焦點。一輛氣動性能優異的賽車，在行駛時可以產生足夠的下壓力，以擁有在復雜賽道下的行駛穩定性和操縱穩定性。由于車身是由各個零部件組成，局部流動特征差異過大，前翼及擴散器下方的流場頗為復雜。采用傳統的分析方法無法保證良好的計算精度，因此需要利用ANSYS對賽車模型進行外流場仿真，以提高精度、縮短工期。張文海等對賽車尾翼進行分析，從不同角度對襟翼尾翼進行研究。NABIL等對不同形狀和不同尺寸的車身進行流體分析，研究車身的阻力面積和阻力系數。

通過CFD方法對FSAE賽車模型進行外流場仿真，獲得賽車車身表面的壓力云圖、速度云圖及流線圖。通過絲帶法驗證實車的流場，對比仿真結果，以驗證分析的可靠性。

1 流體基本理論和參數設置

隨著汽車行駛速度不斷提高，汽車空氣動力學對汽車燃油經濟性和操控穩定性的影響逐漸增大。FSAE賽車的最大車速一般不超過120 km/h，馬赫數約為0.33，低于0.4馬赫數，屬于低速的空氣動力學狀態，此時FSAE賽車車身周圍的空氣壓縮不明顯，可認為空氣是不可壓縮的，即為常數。采用伯努利方程和文丘里效應可以解釋FSAE賽車車身流場中的空氣動力學現象，而在CFD分析中采用-epsilon模型進行仿真。

1.1 伯努利方程

伯努利方程代表著流體的機械能守恒。即：動能加上壓力勢能和重力勢能等于常數。其表達式如公式(1)所示：

(1)

式中：為流體中某點的壓力;為流體密度;為流體位于該點的流速;為重力加速度;為該點所在高度;為常量。

1.2 文丘里效應

當流質從較寬的通道流入較細的通道時，由于通道截面積發生改變，細小的截面處的流質流速增快，其流速與過流斷面成反比。

1.3 k-epsilon模型

-epsilon模型的湍流動能方程和湍流耗散率方程如公式(2)和(3)所示。

湍流動能方程為:

(2)

湍流耗散率ε方程為

(3)

式中：為賽車的平均速度，在CFD分析中設置為60～90 km/h，即16.7～25 m/s；為湍流黏度系數；、、為由湍流過程中產生的結果項；、為-epsilon模型中相對應的系數，在CFD分析中取值分別為1.0、1.3；和為自定義項。

2 計算模型確認

2.1 三維模型設計

在規則允許的情況下，采用CATIA軟件設計前翼、尾翼、擴散器等FSAE賽車車身零部件的三維模型。

內洗的前翼襟翼及擾流板的組合可以降低前輪的射流。在擴散器上首次采用了內置側擴加側翼的設計，在為后輪導流的同時，可提升賽車的升力系數。

將底盤總成及動力總成進行簡化，以在不影響流場的情況下降低計算量。在進行整車裝配時，不能存在兩個或多個部件有重合的情況，整車外流場仿真模型如圖1所示。

圖1 整車外流場仿真模型

2.2 網格劃分和邊界條件設定

在賽車進行外流場仿真的過程中，為了保證壁面邊界條件不對賽車的流場產生影響。計算域長度應大于車長的8倍，寬度應大于車長的5倍，高度應大于車長的5倍。如圖2所示，賽車外流場計算域為長24 m、寬8 m、高8 m的矩形區域。對模型進行部件的劃分，設置全局網格參數、體網格參數與邊界層控制參數。依照軟件網格劃分運算邏輯的優先級，依次按線到面的次序，進行局部網格的處理，提高計算時的精度。如圖3所示，進行面網格的劃分，生成四面體邊界層，光順面網格，以提高模型質量。對地面、擴散器、翼片進行邊界層網格的劃分，邊界層層數為5層，初始厚度為1.2 mm。隨后光順體網格，總網格數約為900萬。

圖2 外流體域

圖3 體網格處理

3 CFD仿真分析

考慮到分析時速較低，且忽略氣流隨時間的變化，將求解設置為穩態。選用-epsilon模型，并采用二階迎風離散格式。設置入口端流速分別為16.7、20.0、22.0、25.0 m/s，出口端流速為0 m/s，地面和墻壁設置移動壁面，移速為22 m/s。將4個車輪設置為旋轉壁面，轉速為60～120 r/s。流體默認空氣，氣壓為101 325 Pa，空氣密度為1.225 kg/m。對車身、空氣動力學套件以及車輪的殘差、升力、阻力進行監測，進行1 500次迭代，得到的4組數據見表1和表2。

表1 不同車速下的賽車下壓力

表2 不同車速下的賽車阻力

整車的升力系數約為3.33，阻力系數約為1.18。前定風翼和后定風翼的下壓力比值約為0.8，通過表1可知，賽車在22 m/s下前翼產生的下壓力為-310 N，尾翼產生的下壓力為-400 N。已知車輛質心位置為軸距中心處，前翼風壓中心離質心距離為1 430 mm，離前輪圓心距離為775 mm，離后輪圓心距離為775 mm，尾翼風壓中心距質心的距離為800 mm，可以求出力矩為-115.55 N·m，所以整車風壓中心位于質心之前。

如圖4所示的中剖面壓力云圖，可以看出壓力主要集中于車頭、車手頭部及尾翼處。如圖5和圖6所示，前翼下方的擾流板對前輪前方車輪的內洗效果明顯，減小了前輪繞流和射流的產生，三角結構的設計使得整車的下方流場更為平順。低攻角的變截面前翼也使更多的氣流流入側箱，且減少了對后方下壓力套件的干擾。

圖4 中剖面壓力云圖

圖5 賽車下方流場流線圖

圖6 賽車流線圖

4 絲帶法試驗

絲帶法是通過觀察粘貼在賽車表面絲帶的運動狀況來確定車身表面流譜。如圖7所示，線材選用質量極輕的細羊毛線。將其均勻地裁剪成80 mm長的絲線，粘貼在賽車車身的表面上。在平滑的車頭、側身及側箱表面粘貼得較為疏松，端板和翼片等擁有復雜流場地方粘貼得較為緊密。

圖7 絲帶粘貼位置

通過駕駛賽車在車道上按60 km/h進行勻速行駛，并使用相機進行抓拍，得到了絲線伴隨氣流運動的照片，如圖8所示。通過圖8和圖9對比可以看出，在60 km/h下尾翼及擴散器氣流平順，沒有失速的地方。前翼所誘導的上升氣流也在接近側箱處流入側箱。翻邊處的氣流誘導也非常明顯，從而減少了氣流對輪胎的沖擊。通過與ANSYS跑出的流線圖進行對比發現氣流導向與分析結果基本一致，故判定分析可靠。

圖8 實車跑動照片

圖9 賽車側面外流場流線圖

5 結束語

基于CATIA及空氣動力學原理建立的賽車外流場仿真模型，通過ANSYS對其進行外流場仿真，得到FSAE賽車的車身外表面壓力分布、外流場流線圖及整車升阻系數。通過絲帶法進行FSAE賽車車身空氣動力學實驗，驗證了仿真分析結果，為整車車身設計和后續改進設計提供了技術支持。