大学生方程式赛车的空气动力学套件的建模与流场分析

马健　王玮　王凯鹏

摘 要：汽车的空气动力学特性被越来越多的人所重视，对汽车的操控性与稳定性都产生影响。该文利用Catia软件对设计的空气动力学套件进行三维模型的建立，并与赛车装配，利用有限元分析软件ANSYS进行流场分析，得出赛车的流场特性，为其改进设计提供依据。空气动力学在赛车领域的应用是非常广泛的，我们将此应用于大学生方程式赛车上面，给赛车加装空气动力学套件，使其的操纵性能得以提升。

关键词：Catia ANSYS 流场分析

中图分类号：U461.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（a）-0025-01

1 赛车空气动力学研究意义

在赛车运动中运用负升力原理而改善赛车性能措施被证明是极其有效的，气动负升力在不增加赛车质量的情况下改善了轮胎与路面的附着情况，提高了赛车在平直赛道高速行驶时的动力性及紧急刹车时的制动性能，也改善了赛车的操纵稳定性能[1]。该文中空气动力学套件由前翼、尾翼、底部扩散器组成，通过对加装空气动力学套件和不加装空气动力学套件的三维模型分别进行流场分析，得出赛车的流场特性。

2 赛车空气动力学套件的三维建模

中国大学生方程式赛车的比赛中，赛车由在校学生按照赛事规则和赛事标准，进行独立设计制造，赛事组委会因考虑赛事安全，在比赛中会在赛道上人为设置一些绕桩区，人为限制赛车在赛道中的最高车速，并且赛道以弯道为主，提升过弯速度与加速性能变得尤为重要。考虑到这些原因，空气动力学套件设计的目标就是在较低速度下20 m/s的情况下获得较大的下压力，并尽可能减少空气阻力。

在赛车的行驶过程中，由前翼、尾翼和底部扩散器产生下压力，其中前翼和尾翼产生下压力的来源是升力翼片，升力翼片的不同结构会影响不同的空气动力学性能，而底部扩散器的负升力来源是利用地面效应。鉴于负升力翼片结构在航天发展中已经较为成熟，并且NACA翼型库（National Advisory Committee for Aeronautics，美国国家航空咨询委员会）中有较为全面的翼型结构，在建模中从NACA翼型库选取低速翼型，在Catia中建立多组三维模型，并且在Ansys中进行流场分析，经过对比分析结果选取最终翼片规格。

在前翼设计中，由于前翼是气流首先到达的地方，它的结构影响着气流在赛车其他结构处的流动，并且要求前翼能使气流尽量绕开前轮，减少阻力。结合以上因素，选取两片半的设计形式，使第三层襟翼对气流进行引导，避免对前轮的直接冲击，同时保证有更多的气流流过赛车侧箱，提高对发动机的赛热。在尾翼设计中，由于尾翼的作用只有一个，产生下压力，同时尽可能减少气动阻力，选用三片式的设计形式，并在翼片两端设计端板，防止外侧气流的干扰。在底部扩散器的设计中，考虑流体速度大小与压强成反比的原理，将赛车底部空气气流在经过梳理后迅速导出，使赛车底部形成一个低压区，从而产生赛车下压力。同时使赛车底部更为平滑，减少了空气阻力[2]。在满足以上条件下，运用Catia软件进行三维模型的创建，并利用装配模块完成空气动力学套件与赛车模型的连接如图1所示。

3 基于Ansys的流场分析

3.1 三维模型导入与网格划分

在Catia中将建立的三维模型经过一定的简化处理，转换成IGS文件并将其导入到Ansys Fluent模块中。在计算域的确定上，在最大限度保证赛车模型周围流场特性的前提下，缩小计算域的范围，以达到减小计算量，提高计算速度。文中计算域的选取以高度为4倍车高，宽度为7倍车宽，左右间隙3倍车宽，长度为11倍车长，出口距汽车最后端6倍车长[3]。

网格的划分对分析结果有着重要的影响，网格越细密，分析结果越精确，但耗费的时间和对电脑的配置要求越高，文中在网格划分时选用六面体网格，在模型不太复杂时，可以保证优良的贴体性，和同等数量的四面体网格相比又可以减少计算时间。在划分网格过程中在一些比较光顺处选用较大网格，对局部细节处进行网格的细化，在保证计算精度的情况下提高计算的速度。最终划分网格数目为1 593 756个。

3.2 计算条件和边界条件的设置

确定计算条件时选用k-ε高雷诺数模型，在模型比较简单，网格质量不太高的情况下应用比较广泛[4]。在边界条件设置上，选取车头前端面为速度入口，考虑到在实际比赛中由于赛道的限制，选取入口速度为20m/s；选取车尾后端面为出口边界相当于无穷远处压力取为0；设置赛车三维模型表面为固定无滑移面；设置地面边界为移动边界，速度为20m/s。选择迭代步数为1000步进行求解。

4 数值模拟结果

安装空气动力学套件模型经简化处理后，分析结果为在给定入口条件20m/s时，车身阻力为307.3N，升力为-341.9N，迎风面积1.459㎡，阻力系数为0.881。升力系数。按照同样方法将空气动力学套件去除后，进行流场分析得出未安装空气动力学套件车身分析结果为在给定20m/s时，车身阻力117.9N，升力160.1N，迎风面积1.267㎡，阻力系数为0.525。

5 结语

在空气动力学套件的设计中应在提供一定负升力的基础上，尽可能的减少由于增加空气动力学套件带来的空气阻力，进行多次的仿真分析，进而确定最终的方案。

（1）在Ansys中对建立的三维模型进行数值仿真分析，根据分析结果可以对模型的修改与优化提供一定的参考依据，以改善了赛车的空气动力学性能。

（2）分析后得知整车在相对空气速度为20m/s的情况下，不加装空气动力学套件时升力为160.1N，加装空气动力学套件后整车升力为-341.9N。通过加装空气动力学套件车身会产生502N的负升力，很好的避免了车辆在高速下产生的抓地力不足的问题。

参考文献

[1] 宋涛，胡瑞.空气动力学在F1赛车上的运用[A].天津：天津大学内燃机研究所，2014.

[2] 曾飞云.万得FSC赛车空气动力学特性研究[D].沈阳：辽宁大学，2014.

[3] 吕立坤.扰流板对轿车气动特性改善的数值仿真[D].长春：吉林大学，2005.

[4] 孔斌.基于空气动力学的车身造型设计[D].武汉：武汉理工大学，2008.