馬健　王瑋　王凱鵬

摘 要：汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性被越來越多的人所重視，對(duì)汽車的操控性與穩(wěn)定性都產(chǎn)生影響。該文利用Catia軟件對(duì)設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力學(xué)套件進(jìn)行三維模型的建立，并與賽車裝配，利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行流場(chǎng)分析，得出賽車的流場(chǎng)特性，為其改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。空氣動(dòng)力學(xué)在賽車領(lǐng)域的應(yīng)用是非常廣泛的，我們將此應(yīng)用于大學(xué)生方程式賽車上面，給賽車加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件，使其的操縱性能得以提升。

關(guān)鍵詞：Catia ANSYS 流場(chǎng)分析

中圖分類號(hào)：U461.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（a）-0025-01

1 賽車空氣動(dòng)力學(xué)研究意義

在賽車運(yùn)動(dòng)中運(yùn)用負(fù)升力原理而改善賽車性能措施被證明是極其有效的，氣動(dòng)負(fù)升力在不增加賽車質(zhì)量的情況下改善了輪胎與路面的附著情況，提高了賽車在平直賽道高速行駛時(shí)的動(dòng)力性及緊急剎車時(shí)的制動(dòng)性能，也改善了賽車的操縱穩(wěn)定性能[1]。該文中空氣動(dòng)力學(xué)套件由前翼、尾翼、底部擴(kuò)散器組成，通過對(duì)加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件和不加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件的三維模型分別進(jìn)行流場(chǎng)分析，得出賽車的流場(chǎng)特性。

2 賽車空氣動(dòng)力學(xué)套件的三維建模

中國大學(xué)生方程式賽車的比賽中，賽車由在校學(xué)生按照賽事規(guī)則和賽事標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)制造，賽事組委會(huì)因考慮賽事安全，在比賽中會(huì)在賽道上人為設(shè)置一些繞樁區(qū)，人為限制賽車在賽道中的最高車速，并且賽道以彎道為主，提升過彎速度與加速性能變得尤為重要?？紤]到這些原因，空氣動(dòng)力學(xué)套件設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是在較低速度下20 m/s的情況下獲得較大的下壓力，并盡可能減少空氣阻力。

在賽車的行駛過程中，由前翼、尾翼和底部擴(kuò)散器產(chǎn)生下壓力，其中前翼和尾翼產(chǎn)生下壓力的來源是升力翼片，升力翼片的不同結(jié)構(gòu)會(huì)影響不同的空氣動(dòng)力學(xué)性能，而底部擴(kuò)散器的負(fù)升力來源是利用地面效應(yīng)。鑒于負(fù)升力翼片結(jié)構(gòu)在航天發(fā)展中已經(jīng)較為成熟，并且NACA翼型庫（National Advisory Committee for Aeronautics，美國國家航空咨詢委員會(huì)）中有較為全面的翼型結(jié)構(gòu)，在建模中從NACA翼型庫選取低速翼型，在Catia中建立多組三維模型，并且在Ansys中進(jìn)行流場(chǎng)分析，經(jīng)過對(duì)比分析結(jié)果選取最終翼片規(guī)格。

在前翼設(shè)計(jì)中，由于前翼是氣流首先到達(dá)的地方，它的結(jié)構(gòu)影響著氣流在賽車其他結(jié)構(gòu)處的流動(dòng)，并且要求前翼能使氣流盡量繞開前輪，減少阻力。結(jié)合以上因素，選取兩片半的設(shè)計(jì)形式，使第三層襟翼對(duì)氣流進(jìn)行引導(dǎo)，避免對(duì)前輪的直接沖擊，同時(shí)保證有更多的氣流流過賽車側(cè)箱，提高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的賽熱。在尾翼設(shè)計(jì)中，由于尾翼的作用只有一個(gè)，產(chǎn)生下壓力，同時(shí)盡可能減少氣動(dòng)阻力，選用三片式的設(shè)計(jì)形式，并在翼片兩端設(shè)計(jì)端板，防止外側(cè)氣流的干擾。在底部擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)中，考慮流體速度大小與壓強(qiáng)成反比的原理，將賽車底部空氣氣流在經(jīng)過梳理后迅速導(dǎo)出，使賽車底部形成一個(gè)低壓區(qū)，從而產(chǎn)生賽車下壓力。同時(shí)使賽車底部更為平滑，減少了空氣阻力[2]。在滿足以上條件下，運(yùn)用Catia軟件進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建，并利用裝配模塊完成空氣動(dòng)力學(xué)套件與賽車模型的連接如圖1所示。

3 基于Ansys的流場(chǎng)分析

3.1 三維模型導(dǎo)入與網(wǎng)格劃分

在Catia中將建立的三維模型經(jīng)過一定的簡(jiǎn)化處理，轉(zhuǎn)換成IGS文件并將其導(dǎo)入到Ansys Fluent模塊中。在計(jì)算域的確定上，在最大限度保證賽車模型周圍流場(chǎng)特性的前提下，縮小計(jì)算域的范圍，以達(dá)到減小計(jì)算量，提高計(jì)算速度。文中計(jì)算域的選取以高度為4倍車高，寬度為7倍車寬，左右間隙3倍車寬，長度為11倍車長，出口距汽車最后端6倍車長[3]。

網(wǎng)格的劃分對(duì)分析結(jié)果有著重要的影響，網(wǎng)格越細(xì)密，分析結(jié)果越精確，但耗費(fèi)的時(shí)間和對(duì)電腦的配置要求越高，文中在網(wǎng)格劃分時(shí)選用六面體網(wǎng)格，在模型不太復(fù)雜時(shí)，可以保證優(yōu)良的貼體性，和同等數(shù)量的四面體網(wǎng)格相比又可以減少計(jì)算時(shí)間。在劃分網(wǎng)格過程中在一些比較光順處選用較大網(wǎng)格，對(duì)局部細(xì)節(jié)處進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化，在保證計(jì)算精度的情況下提高計(jì)算的速度。最終劃分網(wǎng)格數(shù)目為1 593 756個(gè)。

3.2 計(jì)算條件和邊界條件的設(shè)置

確定計(jì)算條件時(shí)選用k-ε高雷諾數(shù)模型，在模型比較簡(jiǎn)單，網(wǎng)格質(zhì)量不太高的情況下應(yīng)用比較廣泛[4]。在邊界條件設(shè)置上，選取車頭前端面為速度入口，考慮到在實(shí)際比賽中由于賽道的限制，選取入口速度為20m/s；選取車尾后端面為出口邊界相當(dāng)于無窮遠(yuǎn)處壓力取為0；設(shè)置賽車三維模型表面為固定無滑移面；設(shè)置地面邊界為移動(dòng)邊界，速度為20m/s。選擇迭代步數(shù)為1000步進(jìn)行求解。

4 數(shù)值模擬結(jié)果

安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件模型經(jīng)簡(jiǎn)化處理后，分析結(jié)果為在給定入口條件20m/s時(shí)，車身阻力為307.3N，升力為-341.9N，迎風(fēng)面積1.459㎡，阻力系數(shù)為0.881。升力系數(shù)。按照同樣方法將空氣動(dòng)力學(xué)套件去除后，進(jìn)行流場(chǎng)分析得出未安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件車身分析結(jié)果為在給定20m/s時(shí)，車身阻力117.9N，升力160.1N，迎風(fēng)面積1.267㎡，阻力系數(shù)為0.525。

5 結(jié)語

在空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)中應(yīng)在提供一定負(fù)升力的基礎(chǔ)上，盡可能的減少由于增加空氣動(dòng)力學(xué)套件帶來的空氣阻力，進(jìn)行多次的仿真分析，進(jìn)而確定最終的方案。

（1）在Ansys中對(duì)建立的三維模型進(jìn)行數(shù)值仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果可以對(duì)模型的修改與優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)，以改善了賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

（2）分析后得知整車在相對(duì)空氣速度為20m/s的情況下，不加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件時(shí)升力為160.1N，加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件后整車升力為-341.9N。通過加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件車身會(huì)產(chǎn)生502N的負(fù)升力，很好的避免了車輛在高速下產(chǎn)生的抓地力不足的問題。

參考文獻(xiàn)

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[2] 曾飛云.萬得FSC賽車空氣動(dòng)力學(xué)特性研究[D].沈陽：遼寧大學(xué)，2014.

[3] 呂立坤.擾流板對(duì)轎車氣動(dòng)特性改善的數(shù)值仿真[D].長春：吉林大學(xué)，2005.

[4] 孔斌.基于空氣動(dòng)力學(xué)的車身造型設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.