FSAE赛车车身CFD仿真及试验

2022-05-01胡顺安陈言畅

汽车零部件 2022年4期

胡顺安，陈言畅

常熟理工学院，江苏苏州 215500

0 引言

随着中国大学生方程式汽车大赛的发展，空气动力学套件作为中国大学生方程式赛车的重要组成部分，成为各车队设计开发研究的焦点。一辆气动性能优异的赛车，在行驶时可以产生足够的下压力，以拥有在复杂赛道下的行驶稳定性和操纵稳定性。由于车身是由各个零部件组成，局部流动特征差异过大，前翼及扩散器下方的流场颇为复杂。采用传统的分析方法无法保证良好的计算精度，因此需要利用ANSYS对赛车模型进行外流场仿真，以提高精度、缩短工期。张文海等对赛车尾翼进行分析，从不同角度对襟翼尾翼进行研究。NABIL等对不同形状和不同尺寸的车身进行流体分析，研究车身的阻力面积和阻力系数。

通过CFD方法对FSAE赛车模型进行外流场仿真，获得赛车车身表面的压力云图、速度云图及流线图。通过丝带法验证实车的流场，对比仿真结果，以验证分析的可靠性。

1 流体基本理论和参数设置

随着汽车行驶速度不断提高，汽车空气动力学对汽车燃油经济性和操控稳定性的影响逐渐增大。FSAE赛车的最大车速一般不超过120 km/h，马赫数约为0.33，低于0.4马赫数，属于低速的空气动力学状态，此时FSAE赛车车身周围的空气压缩不明显，可认为空气是不可压缩的，即为常数。采用伯努利方程和文丘里效应可以解释FSAE赛车车身流场中的空气动力学现象，而在CFD分析中采用-epsilon模型进行仿真。

1.1 伯努利方程

伯努利方程代表着流体的机械能守恒。即：动能加上压力势能和重力势能等于常数。其表达式如公式(1)所示：

(1)

式中：为流体中某点的压力;为流体密度;为流体位于该点的流速;为重力加速度;为该点所在高度;为常量。

1.2 文丘里效应

当流质从较宽的通道流入较细的通道时，由于通道截面积发生改变，细小的截面处的流质流速增快，其流速与过流断面成反比。

1.3 k-epsilon模型

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

湍流动能方程为:

(2)

湍流耗散率ε方程为

(3)

式中：为赛车的平均速度，在CFD分析中设置为60～90 km/h，即16.7～25 m/s；为湍流黏度系数；、、为由湍流过程中产生的结果项；、为-epsilon模型中相对应的系数，在CFD分析中取值分别为1.0、1.3；和为自定义项。

2 计算模型确认

2.1 三维模型设计

在规则允许的情况下，采用CATIA软件设计前翼、尾翼、扩散器等FSAE赛车车身零部件的三维模型。

内洗的前翼襟翼及扰流板的组合可以降低前轮的射流。在扩散器上首次采用了内置侧扩加侧翼的设计，在为后轮导流的同时，可提升赛车的升力系数。

将底盘总成及动力总成进行简化，以在不影响流场的情况下降低计算量。在进行整车装配时，不能存在两个或多个部件有重合的情况，整车外流场仿真模型如图1所示。

图1 整车外流场仿真模型

2.2 网格划分和边界条件设定

在赛车进行外流场仿真的过程中，为了保证壁面边界条件不对赛车的流场产生影响。计算域长度应大于车长的8倍，宽度应大于车长的5倍，高度应大于车长的5倍。如图2所示，赛车外流场计算域为长24 m、宽8 m、高8 m的矩形区域。对模型进行部件的划分，设置全局网格参数、体网格参数与边界层控制参数。依照软件网格划分运算逻辑的优先级，依次按线到面的次序，进行局部网格的处理，提高计算时的精度。如图3所示，进行面网格的划分，生成四面体边界层，光顺面网格，以提高模型质量。对地面、扩散器、翼片进行边界层网格的划分，边界层层数为5层，初始厚度为1.2 mm。随后光顺体网格，总网格数约为900万。

图2 外流体域

图3 体网格处理

3 CFD仿真分析

考虑到分析时速较低，且忽略气流随时间的变化，将求解设置为稳态。选用-epsilon模型，并采用二阶迎风离散格式。设置入口端流速分别为16.7、20.0、22.0、25.0 m/s，出口端流速为0 m/s，地面和墙壁设置移动壁面，移速为22 m/s。将4个车轮设置为旋转壁面，转速为60～120 r/s。流体默认空气，气压为101 325 Pa，空气密度为1.225 kg/m。对车身、空气动力学套件以及车轮的残差、升力、阻力进行监测，进行1 500次迭代，得到的4组数据见表1和表2。

表1 不同车速下的赛车下压力

表2 不同车速下的赛车阻力

整车的升力系数约为3.33，阻力系数约为1.18。前定风翼和后定风翼的下压力比值约为0.8，通过表1可知，赛车在22 m/s下前翼产生的下压力为-310 N，尾翼产生的下压力为-400 N。已知车辆质心位置为轴距中心处，前翼风压中心离质心距离为1 430 mm，离前轮圆心距离为775 mm，离后轮圆心距离为775 mm，尾翼风压中心距质心的距离为800 mm，可以求出力矩为-115.55 N·m，所以整车风压中心位于质心之前。

如图4所示的中剖面压力云图，可以看出压力主要集中于车头、车手头部及尾翼处。如图5和图6所示，前翼下方的扰流板对前轮前方车轮的内洗效果明显，减小了前轮绕流和射流的产生，三角结构的设计使得整车的下方流场更为平顺。低攻角的变截面前翼也使更多的气流流入侧箱，且减少了对后方下压力套件的干扰。

图4 中剖面压力云图

图5 赛车下方流场流线图

图6 赛车流线图

4 丝带法试验

丝带法是通过观察粘贴在赛车表面丝带的运动状况来确定车身表面流谱。如图7所示，线材选用质量极轻的细羊毛线。将其均匀地裁剪成80 mm长的丝线，粘贴在赛车车身的表面上。在平滑的车头、侧身及侧箱表面粘贴得较为疏松，端板和翼片等拥有复杂流场地方粘贴得较为紧密。

图7 丝带粘贴位置

通过驾驶赛车在车道上按60 km/h进行匀速行驶，并使用相机进行抓拍，得到了丝线伴随气流运动的照片，如图8所示。通过图8和图9对比可以看出，在60 km/h下尾翼及扩散器气流平顺，没有失速的地方。前翼所诱导的上升气流也在接近侧箱处流入侧箱。翻边处的气流诱导也非常明显，从而减少了气流对轮胎的冲击。通过与ANSYS跑出的流线图进行对比发现气流导向与分析结果基本一致，故判定分析可靠。