FSAE賽車車身CFD仿真及試驗

胡順安，陳言暢

常熟理工學(xué)院，江蘇蘇州 215500

0 引言

隨著中國大學(xué)生方程式汽車大賽的發(fā)展，空氣動力學(xué)套件作為中國大學(xué)生方程式賽車的重要組成部分，成為各車隊設(shè)計開發(fā)研究的焦點。一輛氣動性能優(yōu)異的賽車，在行駛時可以產(chǎn)生足夠的下壓力，以擁有在復(fù)雜賽道下的行駛穩(wěn)定性和操縱穩(wěn)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(kuò)散器下方的流場頗為復(fù)雜。采用傳統(tǒng)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(jìn)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(jìn)行分析，從不同角度對襟翼尾翼進(jìn)行研究。NABIL等對不同形狀和不同尺寸的車身進(jìn)行流體分析，研究車身的阻力面積和阻力系數(shù)。

通過CFD方法對FSAE賽車模型進(jìn)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(jié)果，以驗證分析的可靠性。

1 流體基本理論和參數(shù)設(shè)置

隨著汽車行駛速度不斷提高，汽車空氣動力學(xué)對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和操控穩(wěn)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(shù)約為0.33，低于0.4馬赫數(shù)，屬于低速的空氣動力學(xué)狀態(tài)，此時FSAE賽車車身周圍的空氣壓縮不明顯，可認(rèn)為空氣是不可壓縮的，即為常數(shù)。采用伯努利方程和文丘里效應(yīng)可以解釋FSAE賽車車身流場中的空氣動力學(xué)現(xiàn)象，而在CFD分析中采用-epsilon模型進(jìn)行仿真。

1.1 伯努利方程

伯努利方程代表著流體的機(jī)械能守恒。即：動能加上壓力勢能和重力勢能等于常數(shù)。其表達(dá)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(yīng)

當(dāng)流質(zhì)從較寬的通道流入較細(xì)的通道時，由于通道截面積發(fā)生改變，細(xì)小的截面處的流質(zhì)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(shè)置為60～90 km/h，即16.7～25 m/s；為湍流黏度系數(shù)；、、為由湍流過程中產(chǎn)生的結(jié)果項；、為-epsilon模型中相對應(yīng)的系數(shù)，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(rèn)

2.1 三維模型設(shè)計

在規(guī)則允許的情況下，采用CATIA軟件設(shè)計前翼、尾翼、擴(kuò)散器等FSAE賽車車身零部件的三維模型。

內(nèi)洗的前翼襟翼及擾流板的組合可以降低前輪的射流。在擴(kuò)散器上首次采用了內(nèi)置側(cè)擴(kuò)加側(cè)翼的設(shè)計，在為后輪導(dǎo)流的同時，可提升賽車的升力系數(shù)。

將底盤總成及動力總成進(jìn)行簡化，以在不影響流場的情況下降低計算量。在進(jìn)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(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定

在賽車進(jìn)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(chǎn)生影響。計算域長度應(yīng)大于車長的8倍，寬度應(yīng)大于車長的5倍，高度應(yīng)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(qū)域。對模型進(jìn)行部件的劃分，設(shè)置全局網(wǎng)格參數(shù)、體網(wǎng)格參數(shù)與邊界層控制參數(shù)。依照軟件網(wǎng)格劃分運算邏輯的優(yōu)先級，依次按線到面的次序，進(jìn)行局部網(wǎng)格的處理，提高計算時的精度。如圖3所示，進(jìn)行面網(wǎng)格的劃分，生成四面體邊界層，光順面網(wǎng)格，以提高模型質(zhì)量。對地面、擴(kuò)散器、翼片進(jìn)行邊界層網(wǎng)格的劃分，邊界層層數(shù)為5層，初始厚度為1.2 mm。隨后光順體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約為900萬。

圖2 外流體域

圖3 體網(wǎng)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(shè)置為穩(wěn)態(tài)。選用-epsilon模型，并采用二階迎風(fēng)離散格式。設(shè)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(shè)置移動壁面，移速為22 m/s。將4個車輪設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速為60～120 r/s。流體默認(rèn)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(xué)套件以及車輪的殘差、升力、阻力進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)行1 500次迭代，得到的4組數(shù)據(jù)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(shù)約為3.33，阻力系數(shù)約為1.18。前定風(fēng)翼和后定風(fēng)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(chǎn)生的下壓力為-310 N，尾翼產(chǎn)生的下壓力為-400 N。已知車輛質(zhì)心位置為軸距中心處，前翼風(fēng)壓中心離質(zhì)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(fēng)壓中心距質(zhì)心的距離為800 mm，可以求出力矩為-115.55 N·m，所以整車風(fēng)壓中心位于質(zhì)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(nèi)洗效果明顯，減小了前輪繞流和射流的產(chǎn)生，三角結(jié)構(gòu)的設(shè)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(cè)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(zhì)量極輕的細(xì)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(cè)身及側(cè)箱表面粘貼得較為疏松，端板和翼片等擁有復(fù)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(jìn)行勻速行駛，并使用相機(jī)進(jìn)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(kuò)散器氣流平順，沒有失速的地方。前翼所誘導(dǎo)的上升氣流也在接近側(cè)箱處流入側(cè)箱。翻邊處的氣流誘導(dǎo)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(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)氣流導(dǎo)向與分析結(jié)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(cè)面外流場流線圖

5 結(jié)束語

基于CATIA及空氣動力學(xué)原理建立的賽車外流場仿真模型，通過ANSYS對其進(jìn)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(shù)。通過絲帶法進(jìn)行FSAE賽車車身空氣動力學(xué)實驗，驗證了仿真分析結(jié)果，為整車車身設(shè)計和后續(xù)改進(jìn)設(shè)計提供了技術(shù)支持。