基于CFD技术的FSC赛车车身气动造型设计

2012-11-22余顺达李能王兵高阳

湖北汽车工业学院学报 2012年3期

余顺达，李能，王兵，高阳

（湖北汽车工业学院汽车工程系，湖北十堰 442002）

对湖北汽车工业学院FSC赛车模型外流场进行CFD模拟研究，在此基础上对加装空气动力学附加装置（前后扰流板、底部扩散器）后的情况进行分析，并探讨它在赛车外部流场的改善方面所发挥的作用以及在不同条件下攻角的最佳位置。通过对汽车尾部流场进行数值模拟研究，得出具有工程实际意义的赛车空气动力特性参数，并结合赛车尾部流场的特点，分折后扰流板的安装对尾流结构的影响。选取合适的湍流模型、差分格式及数值计算方法，添加正确的边界条件，先分析无附加扰流板时尾部流场情况和受力情况，再分析附加扰流板的车身在合理速度范围时的气动参数及外流场特性，对12种模型进行优化分析，找出相应速度下扰流板的最佳攻角角度，以指导不同比赛项目中气动部件的调教策略。

1 车身外流场CFD建模

1.1 CAD建模

首先对车身造型及空气动力学附加装置进行概念设计和优化选型，再利用CATIA进行结构设计，使用IMA模块按照与实车1∶1的鼻翼对车身进行建模，运用GSD模块对车身分割出散热器进风口与风道，并对前后扰流板进行初步建模。

为了正确模拟赛车行驶过程状态，对暴露在车体外部的驾驶员头盔和轮胎进行了简化处理。汽车放在风洞中，根据经验［1］，选取长方体形的计算域流场，假设汽车模型长为L，宽为w，高为H，则计算域的取法为汽车前部取3L，侧面取4W，上部取4H，汽车后部取 6L［2－3］，如图 1 所示。

1.2 控制方程

流体流动要受物理守恒定律的支配。基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。由这些定律可以分别导出质量方程、动量方程和能量方程。由它们可以联立得到纳维尔一斯托克斯方程组，简称为N－S方程组。N－S方程组是流体流动所需遵守的普遍规律［4］。为了便于对各控制方程进行分析，并用同一程序对各控制方程进行求解，用表示通用变量，则各控制方程的通用形式如式（1）［5］：

其展开形式为

式中：φ为通用变量，可以代表u、v、w、T等求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。式（2）中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。对于特定的方程，φ、Γ 和 S 具有特定的形式［6］，表 1 给出了3个符号与各特定方程的对应关系。

1.3 网格划分

表1 通用控制方程中各符号的具体形式

网格划分越细，分析精度越高，计算时间也越长。因此需选用合适的网格划分方法。由于车身表面是关键表面，因此采用较细的六面体网格单元，便于后面的体网格划分，模型总的网格单元数为544059，如图2所示。

1.4 边界条件

对于空气来说，当风速小于1/3声速时，也就是在风速小于408km·h－1时，可认为是不可压缩气体。对FSC赛车来说，最高速度都小于200km·h－1，因此空气动力学研究可以把周围气体考虑成不可压缩的。赛车绕流问题一般为定常，等温、不可压缩三维流场，考虑到由于复杂外形引起的分离，应按湍流处理，湍流强度及耗散率分别取0.5%、0.5。地面设置为移动地面，车身表面设置为无滑移的固壁条件。对4种模型的入口速度分别做高、中、低3种速度设定。

2 车身造型方案CFD优化对比分析

2.1 空气阻力及负升力分析

由于FSC赛车前部造型基本类似，前鼻翼扰流板角度一般都在10°～20°之间，而且对赛车气动性能影响最大的是尾翼，因此本文是在前鼻翼扰流板角度固定的前提条件下，重点对在不同速度下对无扰流板、带不同角度附加扰流板［1］共12种模型进行外流场计算分析，各个模型方案计算如表2所示。

表3为12种模型的气动阻力和气动升力参数，通过比较可以看出赛车气动性能随扰流板攻角变化的特点，根据气动阻力和气动升力的变化趋势，可为赛车在不同速度区间行驶时提供扰流板攻角调教的推荐值，供试验和比赛时参考。

表2 各模型方案［2］

表3 各模型在不同速度下的气动阻力和气动升力［3］

2.2 不同车队车身气动参数对比分析

湖南大学2010年（图3a）只对车身进行分析，没有考虑车轮和其它附件的影响，在速度为72 km·h－1时车身空气阻力系数为0.30195。天津大学2010年车身造型设计（图3b）以平面和直线为主，棱角分明，缺少圆弧过渡，该车身模型在速度为72 km·h－1时空气阻力系数为0.32052。本次设计车身造型采用流线型设计（图3c），对赛车尾部做了圆弧过渡，并对车轮和驾驶员头盔进行简化处理，车身模型在速度为72 km·h－1时空气阻力系数值为0.3293，后扰流板攻角为10°时风阻系数值为0.4467，不同车队车身气动参数对比图如图3所示。

与湖南大学车身模型空气阻力系数对比可知，采用流线型设计车身并附带车轮和驾驶员头盔的模型，迎风面积比湖南大学车身模型增加了30%，空气阻力系数仅增加了9%，说明本次设计的车身造型能在一定程度上减小空气阻力，并且由于赛车尾部采用了封闭式内收设计，能减少尾部湍流，进一步降低空气阻力。

2.3 车身模型外流场对比分析

通过图4中无后扰流板模型与后扰流板攻角为10°的模型速度流线图对比可知，气流经过扰流板有明显上扬，由于攻角较小，产生的负升力也较小。

通过攻角为 10°和 20°模型流线图（图 4b～c）对比，可以看出：更大的攻角能够产生更大的扰流作用，提供更大的负升力。气流沿10°攻角模型上下表面流过，没有出现附面层分离，20°模型下层翼板下表面有轻微附面层分离。当采用30°攻角时，附面层分离现象更为严重。

鼻锥是影响FSC赛车稳定性的重要因素之一，它是赛车车身的前半部分，决定着通过车身上下方、散热器、后扰流板的气流比例及方向的关键性部件，如图5所示。通过俯视图观察气流经过前鼻翼和鼻锥之后在前轮周围形成低压区，减少了前轮的干扰阻力。鼻翼前上层翼板与车身之间留有足够空间，使前方未受绕流影响的气流能直接进入散热器，保证散热效果，增加赛车在耐久性项目上的稳定性；受前鼻翼的绕流作用影响的气流与流过车身和散热器的气流在车尾汇合，顺利流向后方，没有产生涡旋，如图6所示，证明本次气动造型设计在整体上的效果是比较满意的。