鄧召文，王兵

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

設(shè)計(jì)研究

FSC賽車空氣套件CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄧召文，王兵

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

在滿足FSC賽車設(shè)計(jì)規(guī)則要求前提下，對(duì)空氣套件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)完成了賽車尾翼的優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析。利用CFD技術(shù)對(duì)賽車車身模型進(jìn)行了外流場(chǎng)分析，并通過(guò)在賽車尾部加裝不同間隙和攻角的尾翼，進(jìn)行車身外流場(chǎng)模擬對(duì)比分析，研究尾翼在改善賽車氣動(dòng)特性方面的影響規(guī)律，研究確定了空氣動(dòng)力學(xué)裝置在不同比賽項(xiàng)目時(shí)的調(diào)教策略。通過(guò)對(duì)比分析賽車車輛周圍氣流的壓力分布和速度分布規(guī)律，研究高速賽車的負(fù)升力效果，對(duì)于提高賽車的操縱穩(wěn)定性和安全性具有非常重要的意義，對(duì)于指導(dǎo)賽車尾翼的正確安裝、確定尾翼在不同比賽項(xiàng)目時(shí)的調(diào)教策略有一定的指導(dǎo)意義。

FSC賽車；尾翼；數(shù)值模擬；CFD

CLC NO.:U462; TP391.7Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-22-06

前言

世界大學(xué)生方程式汽車大賽FSAE創(chuàng)辦至今已經(jīng)有三十多年的歷史，隨著FSAE比賽水平的不斷提高，賽車發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤技術(shù)日益走向成熟，賽車設(shè)計(jì)者們將借鑒和研究的方向轉(zhuǎn)向最高水平的F1方程式賽車，從F1賽車優(yōu)異的空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)上找到更高的跳板。于是眾多強(qiáng)隊(duì)都開始對(duì)賽車的氣動(dòng)性能進(jìn)行深入探究，設(shè)計(jì)了很多帶有空氣動(dòng)力學(xué)套件的賽車。為了提升湖北汽車工業(yè)學(xué)院HUAT車隊(duì)賽車的技術(shù)水平，提升賽車的操縱穩(wěn)定性，本文從空氣動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，利用CFD技術(shù)對(duì)賽車空氣套件前后擾流板的截面形狀進(jìn)行合理選型及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)裝置在不同比賽項(xiàng)目時(shí)的安裝策略進(jìn)行了研究分析。

1、車身與空氣套件CFD建模

1.1 三維數(shù)字化建模

首先用CATIA軟件IMA模塊對(duì)車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)運(yùn)用GSD模塊分割出散熱器進(jìn)風(fēng)口，并利用profili翼型軟件對(duì)前后擾流板進(jìn)行初步優(yōu)化選型與建模，如圖1所示。

為了準(zhǔn)確貼合賽車實(shí)際行駛情況，將車輪以圓柱代替作了簡(jiǎn)化處理。汽車放在風(fēng)洞中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[1]，確定了長(zhǎng)方體形的計(jì)算域，假設(shè)汽車模型長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為w，高為H，則計(jì)算域的尺寸為汽車前部取3L，側(cè)面取4W，上部取4H，汽車后部取7L[2][3]，如圖2所示。

1.2 控制方程

流體流動(dòng)要受物理守恒定律的支配。基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。由這些定律可以分別導(dǎo)出質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和能量方程。由它們可以聯(lián)立得到納維爾一斯托克斯方程組，簡(jiǎn)稱為N-S方程組。N-S方程組是流體流動(dòng)所需遵守的普遍規(guī)律[4]。為了便于對(duì)各控制方程進(jìn)行分析，并用同一程序?qū)Ω骺刂品匠踢M(jìn)行求解，用φ表示通用變量，則各控制方程的通用形式如下[5]：

其展開形式為：

式中，φ為通用變量，可以代表u、v、w、T等求解變量；Г為廣義擴(kuò)散系數(shù)：S為廣義源項(xiàng)。式(2)中各項(xiàng)依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。對(duì)于特定的方程，φ、Г和S具有特定的形式[6]，表1給出了三個(gè)符號(hào)與各特定方程的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

表1 通用控制方程中各符號(hào)的具體形式Table.1 The specific form of symbols in general control equation

1.3 計(jì)算網(wǎng)格剖分

網(wǎng)格劃分越細(xì)，分析精度越高，計(jì)算時(shí)間也越長(zhǎng)。因此需要一定的經(jīng)驗(yàn)選取合適的網(wǎng)格劃分方法。由于車身以及空氣套件表面是關(guān)鍵表面，因此采用較細(xì)的六面體網(wǎng)格單元，便于后面的體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型總的網(wǎng)格單元數(shù)為910170，如圖3所示。

1.4 邊界條件

汽車周圍的流體是空氣，空氣是粘性氣體。高速行駛的汽車，當(dāng)車速高達(dá)300km/h時(shí)，其馬赫數(shù)約為0.245。由計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的知識(shí)可知，對(duì)于馬赫數(shù)M≤0.3的流體流動(dòng)，按不可壓縮流體流動(dòng)計(jì)算所引起的誤差很小。因此目前的高速汽車車身周圍流場(chǎng)一般按定常、等溫、不可壓縮的三維流場(chǎng)處理。而對(duì)FSC賽車來(lái)說(shuō)，最高速度都小于200km/h，因此空氣動(dòng)力學(xué)研究可以把周圍氣體考慮成不可壓縮的。考慮到由于車身復(fù)雜外形引起的分離，應(yīng)按湍流處理[7]，湍流強(qiáng)度及耗散率分別取1.5%、0.015。地面設(shè)置為移動(dòng)地面，車身表面設(shè)置為無(wú)滑移的固壁條件。

2、FSC賽車空氣套件優(yōu)化對(duì)比分析

2.1 尾翼間隙的氣動(dòng)特性分析

2.1.1 尾翼間隙對(duì)氣動(dòng)升力的影響

尾翼與車身表面的距離是一個(gè)很重要的參數(shù)。間隙過(guò)小，會(huì)在車身表面形成局部方向上的負(fù)壓，從而減小尾翼的作用；間隙過(guò)大，雖然在汽車上方可以不受車身氣流干擾而較好的發(fā)揮作用，但是對(duì)于尾翼支架的強(qiáng)度要求很高，并且美觀性較差[8]。通常這個(gè)距離用尾翼離賽車表面的高度h與賽車的軸距l(xiāng)之比來(lái)衡量，一般取值0.25≤h/l≤0.62，并且隨著比值的增大，CL的值會(huì)變小的[9]。本文對(duì)三種尾翼間隙分別為480mm、580mm、680mm進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析得出了尾翼間隙對(duì)氣動(dòng)升力的影響規(guī)律。

表2 不同尾翼間隙模擬所得的氣動(dòng)升力值Table.2 The simulation aerodynamic lift values for different wing clearance

表2顯示了不同尾翼間隙模擬所得的氣動(dòng)升力值，即對(duì)無(wú)尾翼、尾翼間隙分別為480mm、580mm、680mm四種情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬的結(jié)果。圖4三種間隙的升力系數(shù)值對(duì)應(yīng)的折線圖。從模擬結(jié)果可以看出，在間隙為480mm處尾翼下壓力取得最大值，而整車的升力系數(shù)也是三種間隙中最大的，其原因在于間隙為480mm時(shí)，尾翼的升力系數(shù)在三者中是最大的。對(duì)于賽車而言，尾翼能夠產(chǎn)生超過(guò)尾翼自重?cái)?shù)倍的下壓力，因此車身部分的升力增加基本上對(duì)結(jié)果的影響不大。同時(shí)可以得出，通過(guò)尾翼產(chǎn)生的下壓力在很大程度上降低了整車的升力系數(shù)，這也就增加了車輪與地面的附著力，大大改善

了賽車在高速下的動(dòng)力性和操縱穩(wěn)定性。

2.1.2 尾翼間隙對(duì)氣動(dòng)阻力的影響

由汽車?yán)碚撝R(shí)可知，汽車的氣動(dòng)阻力與汽車表面的摩擦阻力與壓差阻力有關(guān)，尾翼的間隙與氣動(dòng)阻力的關(guān)系就不會(huì)像與氣動(dòng)升力那樣簡(jiǎn)單。表3是對(duì)無(wú)尾翼、尾翼間隙分別480mm、580mm和680mm四種情況進(jìn)行的數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果。

表3 不同尾翼間隙所得的氣動(dòng)阻力值Table.3 The simulation aerodynamic resistance values for different wing clearance

表3是對(duì)不同尾翼間隙模擬所得的氣動(dòng)阻力值，圖5是對(duì)應(yīng)阻力的折線圖?？梢钥闯?，加裝尾翼會(huì)增加整車的阻力系數(shù)，但是增加的幅度并不大。同時(shí)可以說(shuō)明，恰當(dāng)?shù)奈惨黹g隙可以在不增加阻力系數(shù)的前提下，大大的降低升力系數(shù)。當(dāng)間隙為480mm時(shí)，阻力系數(shù)是四種情況中最大的。圖5是對(duì)數(shù)據(jù)變化的直觀體現(xiàn)，更能清楚地看到阻力系數(shù)的變化走勢(shì)。

2.2 尾翼攻角的氣動(dòng)特性分析

2.2.1 尾翼攻角對(duì)氣動(dòng)升力的影響

氣流流過(guò)尾翼上表面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上偏斜的趨勢(shì)，這樣一來(lái)，會(huì)減小氣流相對(duì)尾翼的攻角，從而使得負(fù)升力減小。但是如果尾翼的角度設(shè)計(jì)得好，不僅可以產(chǎn)生局部負(fù)升力，而且還可以通過(guò)它來(lái)改善整車尾部氣流狀況來(lái)減小氣動(dòng)阻力[10]。

通過(guò)上面的分析對(duì)比，本次取尾翼間隙為480 mm，對(duì)攻角分別為10°、20°和30°三種情況的模型進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算分析。由此得出了尾翼攻角對(duì)氣動(dòng)升力的影響規(guī)律。

表4 不同尾翼攻角模擬所得的氣動(dòng)升力值Table.4 The aerodynamic lift values for different wing angle of attack

表4是對(duì)不同尾翼攻角模擬所得的氣動(dòng)升力值，圖6是對(duì)應(yīng)升力值的折線圖?？梢钥闯觯友b了尾翼后整車的升力系數(shù)明顯減小，隨著尾翼攻角的不斷增大，整車升力系數(shù)逐漸增大，并且車身的升力系數(shù)逐漸減小，因而改善了賽車的操縱穩(wěn)定性。

2.2.2 尾翼攻角對(duì)氣動(dòng)阻力的影響

表5 不同尾翼攻角模擬所得的氣動(dòng)阻力值Table.5 The aerodynamic resistance values for different wing angle of attack

表5是對(duì)不同尾翼攻角模擬所得的氣動(dòng)阻力值，圖7是對(duì)應(yīng)阻力值的折線圖。可以看出，加裝了尾翼之后會(huì)增加整車的阻力系數(shù)，且隨著角度的增加，阻力系數(shù)逐漸增大，車身的阻力隨角度的增加變化不大，但是尾翼的阻力隨著角度的增加變化較為明顯。

2.3 尾翼周圍流場(chǎng)對(duì)比分析

圖8為無(wú)尾翼與不同攻角尾翼速度流線圖，通過(guò)對(duì)尾翼攻角10°與無(wú)尾翼模型速度流線圖對(duì)比可知，來(lái)流流過(guò)擾流板有明顯上揚(yáng)，由于攻角較小，產(chǎn)生的負(fù)升力也較小。

通過(guò)10°和20°攻角模型流線圖對(duì)比，可以看出較大的攻角能夠產(chǎn)生更大的擾流作用，提供更大的下壓力。氣流沿10°攻角模型上下表面流過(guò)，沒(méi)有出現(xiàn)附面層分離，20°模型下層翼板下表面有輕微附面層分離。當(dāng)采用30°攻角時(shí)，附面層分離現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

鼻錐是影響FSC賽車穩(wěn)定性的重要因素之一，它是賽車車身的前半部分，決定著通過(guò)車身上下方、散熱器、后擾流板的氣流比例及方向的關(guān)鍵性部件，如圖9所示。通過(guò)俯視圖觀察氣流經(jīng)過(guò)前鼻翼和鼻錐之后在前輪周圍形成低壓區(qū)，減少了前輪的干擾阻力。鼻翼前上層翼板與車身之間留有足夠空間，使前方未受繞流影響的氣流能直接進(jìn)入散熱器，保證散熱效果，增加賽車在耐久性項(xiàng)目上的穩(wěn)定性；受前鼻翼的繞流作用影響的氣流與流過(guò)車身和散熱器的氣流在車尾匯合，順利流向后方，沒(méi)有產(chǎn)生渦旋，如圖10所示，證明本次在氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)上的整體效果是比較滿意的。

3、結(jié)論

本文描述了空氣套件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)完成了尾翼的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了不同間隙與攻角尾翼CFD模型的氣動(dòng)特性，并通過(guò)對(duì)CFD數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出了它們對(duì)氣動(dòng)特性的影響規(guī)律，根據(jù)相應(yīng)的規(guī)律得出了在不同比賽項(xiàng)目中尾翼的調(diào)教策略，結(jié)論如下：

（1）75m直線加速：不使用前翼尾翼，將阻力減少到最低，可使用底部擴(kuò)散器，這樣在加速末段可以提供一定的下壓力。

（2）耐久賽：尾翼擾流板可調(diào)至10°～20°之間，在不增加過(guò)多氣動(dòng)阻力的情況下提供適度的下壓力，兼顧操縱穩(wěn)定性與燃油經(jīng)濟(jì)性。

（3）高速壁障：尾翼擾流板可調(diào)至20°左右，在賽車加速性能允許的范圍內(nèi)，增加不多的氣動(dòng)阻力，提供更多的下壓力，兼顧加速性能與彎道性能。

（4）8字繞環(huán)：尾翼擾流板可調(diào)至30°左右，增加的氣動(dòng)阻力可以通過(guò)增大油門開度來(lái)彌補(bǔ)，用

以獲得更大的下壓力，提高單圈速度。

[1] 郭軍朝．理想車身氣動(dòng)造型研究與F1賽車空氣動(dòng)力學(xué)[D].湖南：湖南大學(xué)，2007.

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The Structural Optimal Design for the air kit of FSC racing car Based on CFD

Deng Zhaowen,Wang Bing
(Department of Automobile Engineering, HuBei Institute of Automotive Technology, Shiyan HuBei 442002)

under the premise of meeting the FSC racing car design rule requirement, the air kit structural optimization design is completed, focusing on the completion of the racing wing optimization design and analysis. First, CFD software FLUENT is used for car body model for the flow field analysis, and through adding the wing of different attack angle and clearance at the end of the car and carry out comparative analysis of body flow field simulation to study the aerodynamic characteristics of the wing in improving aspects of racing law, the study identifies the aerodynamic devices on different events when tuning strategies. Through comparative analysis of the airflow around the vehicle racing pressure distribution and velocity distribution of high-speed racing of negative lift effect, for improving the car's handling and stability and security has a very important significance for guiding racing wing installed correctly identified in the wing different events when tuning strategy has certain guiding significance.

FSC racing; rear wing; numerical simulation；CFD

U462; TP391.7

A

1671-7988(2014)03-22-06

鄧召文，講師，碩士，就職于湖北汽車工業(yè)學(xué)院，主要從事汽車檢測(cè)與診斷、CFD分析研究。

項(xiàng)目編號(hào)：FSC賽車設(shè)計(jì)開發(fā)項(xiàng)目：2013052。