基于CFD技术的FSC赛车车身气动造型设计

山西中北大学机械与动力工程学院 樊卓闻 张翼 任润国

1 引言

近年来，大学生方程式赛车（简称“FSC赛车”）在世界范围内迅速发展，在赛车的车身设计过程中，车身动力学特性对赛车各方面的性能有重要的影响。因汽车的风洞实验对车身空气动力学有极强的预测性而被用在汽车设计中，但弊端是实验手段复杂、费用高、周期长。随着计算机应用技术和湍流理论的发展，把计算流体力学应用到汽车设计上已成为可能，从而把原来只能在风洞中进行的实验转化到计算机上来。

2 车身模型的建立

2.1 三维模型建立

车身的设计不仅用来保护驾驶员的安全，给驾驶员提供一个相对于外界比较稳定的驾驶环境，还要满足自我审美和个性化等要求，进而设计出了各种车身造型，造成模型曲面复杂、细节多，在模型的处理、网格的生成和计算过程中都需要花费大量的时间，因此国内外许多学者在进行气动研究时通常使用简化模型[2]。本次计算入口条件为对称均匀来流，为了节省计算耗费，故只取模型沿纵向对称面的一半，如图1所示。

图1 三维简化模型

2.2 网格生成

对汽车进行数值模拟时所使用的计算域为长方体，本文使用ANSYSDesignModeler创建赛车车身的三维几何体外流场计算区域，其外流场计算区域使用Enclosure（包围）来生成。

本文使用ANSYS-WorkBench集成环境中的Mesh模块对外流场计算区域划分网格。

计算网格的划分是数值模拟过程中最为耗时的部分，同时网格的质量很大程度上决定着数值模拟结果精度甚至数值模拟能否收敛。为了提高计算精度，在网格划分中先采用高级尺寸功能函数的Proximity and Curvature方法划分网格，进行表面网格预览，表面网格如图2所示。

图2 表面网格

从图2的初始表面网格可以看出，没有在车身表面和地面考虑到边界层，而且网格有些地方的最小尺寸不太合适，所以需要进一步对网格划分，并且要考虑到边界层的影响[3]。将全局网格最小尺寸设为2mm，并且使用Infation功能对车身表面wall-car和地面wallgo und进行边界层划分。最后由表面网格和膨胀层网格生成所需的计算域网格，赛车车身的外流场计算区域划分单元总数最终为817321。

2.3 边界条件的设置

汽车周围的流体是空气，空气在一个标准大气压（海平面高度）下，摄氏温度15℃时的密度ρ=1.225kg/m3，动力粘性系数 μ=1.7894×10Ns/m2，运动粘度v=μ/ρ=1.4607m2/s。因此，当空气的速度ν＜50m/s时，可视为不可压缩流体。本次模拟的风速为25m/s，因此可以把汽车绕流考虑成不可压缩的。汽车绕流问题一般都简化为定常、等温、不可压缩的三维流场，考虑到由于复杂外形引起的分离，应按湍流处理。

3 数值模拟结果及分析

3.1 车身速度分布特性

为了展现车身速度分布特性，本文选取了车身纵向对称面上的速度矢量图。从图3可以看出，远方来流首先遇到汽车头部顶点。在此处，气流阻塞，来流速度降低，形成一个比较大的阻滞区，为一驻点。流经驻点，气流分成上下四部分，两部分从车头旁边流出，一部分流向车顶，一部分流向车底部。上部气流在车头前部开始提速，到达车头后缘的时候，发生了分离现象。

3.2 压力分布

图3 车身表面上的速度矢量

图4 车身表面上的压力分布图

从图4可以观察到，在车身上表面，除了车身前脸部位和侧翼局部出现了正压区外，其余部分均为负压区。出现负压值较大的部位是车头后部驾驶舱位置。远方来流由于在汽车前部顶点处受到垂直方向上的阻滞，来流速度快速降低为0，全部动压变为静压，压力系数达到最大值约为1。我们还可以看到赛车后部负压区较多，因此汽车前部总压力较后部要大，前后的箍力差造成了汽车的压差阻力，这部分阻力占总阻力的主要部分，要想降低汽车的气动阻力，必须设法使尾部的压力升高，以此降低压差阻力。

3.3 三维外流场速度流线分析

图5 车身纵向对称面上的速度流线图

通过流态分析，可以理解重要的流动过程。图5显示了该车身纵向中心对称面的流态。从图中可以看出各流线之间不是等距的，而各流线之间的间距差异，刚好表明了升力的来源。间距近，表明流速高，静压低，从而减小有效载荷。图6所示为车身的速度流线图。从图中可以观察到，车身流线清晰，只是在驾驶舱和座椅后面产生湍流，但由于这不可避免，整体上来说整车的气动造型不错。

3.4 气动力系数分析

为了反应出汽车外形的空气动力特性，在求解器中输出气动阻力和气动升力结果，如图7和图8所示。

图6 车身表面上的速度流线图

图7 气动阻力结果

图8 气动升力结果

可以看出，车身所受到的气动阻力为82N，其中压差阻力为77N，摩擦阻力为5N，空气阻力系数为0.33；气动升力为64N，气动升力系数为0.25。气动力系数比较符合实际的试验规律值。

4 总结

本文对赛车车身三维建模进行简化，利用ANSYS Meshing对计算模型进行计算区域的设置、网格的划分以及边界类型的确定。通过得到的速度云图、压力云图、速度矢量图以及车身流线图分析了赛车车身的流场特性、表面压力，并得到车身的气动力系数及升力系数，总结车身的气动特性。通过对本次车身外流场流态的分析，了解了该车身的流动特性，为改善该车的气流流线，减少空气阻力和升力，减少涡流的产生与发展，控制气流，提供了一定的参考价值。

[1]谷正气.汽车空气动力学[M].北京：人民交通出版社，2005：1-26.

[2]丁欣硕,焦楠.FLUENT 14.5流体仿真计算从入门到精通[M].北京：清华大学出版社.2014:2.

[3]江涛.汽车车身气动造型设计优化研究[D].长沙：湖南大学,2011.

[4]王俊,龚旭,李义林等.CFD技术在汽车车身设计中的应用[J].汽车技术,2013(4):14-17.