王炎杰 江杏舟 梁富恒 萬昳妤 林成

摘 要：基于Realizable [k-ε]雙方程湍流模型，為了解決賽車流體仿真中遇到的仿真速率慢、仿真結(jié)果波動(dòng)大的問題，本文從三維建模的特征提取簡(jiǎn)化及網(wǎng)格劃分方法入手，有效降低網(wǎng)格數(shù)量，提高網(wǎng)格質(zhì)量，提升賽車空套（即空氣動(dòng)力學(xué)套件）的研發(fā)效率及科學(xué)性，增加整車仿真優(yōu)化次數(shù)，最終反饋于空套性能的增長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：FSAE;空氣動(dòng)力學(xué)套件;ICEM;Fluent

中圖分類號(hào)：U463文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）02-0027-03

Analysis and Optimization of Aerodynamic Package for Fsae Racing Car

WANG Yanjie JIANG Xinzhou LIANG Fuheng WAN Yiyu LIN Cheng

（School of Automobile and Traffic Engineering， Guangzhou College of South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510000）

Abstract： Based on the two-equation turbulence model of Realizable [k-ε]， in order to solve the problems of slow simulation speed and large fluctuations in simulation results encountered in the racing fluid simulation， this paper started with the feature extraction and simplification of 3D modeling and the meshing method to effectively reduce the number of meshes， improve the quality of the grid， improve the efficiency and scientificity of the research and development of the racing car， increase the number of vehicle simulation optimizations， and ultimately feedback the increase in the performance of the car.

Keywords： FSAE;aerodynamics package;ICEM;Fluent

隨著FSAE中國大學(xué)生方程式大賽的發(fā)展，各個(gè)車隊(duì)的機(jī)械部分表現(xiàn)都愈發(fā)穩(wěn)定，這個(gè)趨勢(shì)迫使賽車研發(fā)的重心更多地偏向空套設(shè)計(jì)。合格的空套設(shè)計(jì)可以為賽車提供更高的地面附著力，同時(shí)提升賽車的駕駛穩(wěn)定性與過彎速度。目前，國內(nèi)關(guān)于空套的設(shè)計(jì)研發(fā)比較薄弱，多數(shù)文獻(xiàn)針對(duì)單一空套部件進(jìn)行分析優(yōu)化，較少考慮各空套的交互性[1]。

整車流體仿真對(duì)于賽車空氣動(dòng)力學(xué)的研發(fā)起著至關(guān)重要的參考作用，其仿真的速度與精確性直接影響最終設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量。因此，本文從賽車三維建模的簡(jiǎn)化與特征提取出發(fā)，對(duì)于賽車的各網(wǎng)格參數(shù)及邊界層進(jìn)行細(xì)致劃分，最后使用Fluent對(duì)賽車進(jìn)行模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，得出仿真結(jié)果，并依據(jù)此結(jié)果對(duì)賽車空套進(jìn)行方案優(yōu)化，得出更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，最終提升空套的整體性能。

1 三維模型的建立與特征簡(jiǎn)化

1.1 三維模型建立

三維模型的建立在CATIA中進(jìn)行，空套總共分為前翼、擴(kuò)散器、側(cè)翼和尾翼四個(gè)主要部分，人們要依據(jù)規(guī)則分別建立且細(xì)化各個(gè)部分空套建模，完成整車裝配。全車尺寸為長(zhǎng)2 837 mm、寬1 392 mm、高1 190 mm，如圖1所示。

1.2 三維模型特征簡(jiǎn)化

原車建模包括發(fā)動(dòng)機(jī)、懸架、傳動(dòng)等部分的裝配，具有復(fù)雜性。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，過多的細(xì)節(jié)特征將導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量的控制非常困難，網(wǎng)格數(shù)量龐大，會(huì)導(dǎo)致分析速率下降甚至結(jié)果的發(fā)散。因此，對(duì)賽車的各部分分別進(jìn)行氣動(dòng)特征提取，在賽車后艙提取發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的輪廓特征。懸架碳管的直徑為18 mm，車架主環(huán)鋼管直徑為25.4 mm，整車建模中加入懸架和鋼管與不加入的情況多次對(duì)比，網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格生成速度都有所下降，最終決定刪除懸架及車架主環(huán)特征項(xiàng)。

在輪胎處做平面接地處理，模擬真實(shí)工況中輪胎由于受壓發(fā)生的變形，同時(shí)減少由于線接觸地面而產(chǎn)生的低質(zhì)量網(wǎng)格。對(duì)于車手及頭枕的模擬，要建立駕駛艙內(nèi)部的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，有效模擬內(nèi)部阻力;翼片尾緣處同樣采取鈍化處理，有效地提高網(wǎng)格質(zhì)量，同時(shí)減少網(wǎng)格數(shù)量。

1.3 風(fēng)洞計(jì)算域的建立

依據(jù)賽車的實(shí)際尺寸，在風(fēng)洞的建立過程中，為防止氣流碰撞壁面發(fā)生回流而影響精確性，應(yīng)將流場(chǎng)尺寸適當(dāng)設(shè)定得大一些。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，流場(chǎng)的大小為車前3～4個(gè)車身長(zhǎng)度，車后7～10個(gè)車身長(zhǎng)度，高為3～4車身長(zhǎng)度[2]，據(jù)此建立一個(gè)長(zhǎng)方體流場(chǎng)。

2 模型分析的前處理

下面將建立完成的三維模型以STEP格式導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在算法上，本研究采用Octree八叉樹畫法，八叉樹結(jié)構(gòu)決定了它的功能，它可以快速定位樹結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)元素，快速進(jìn)行三維集合運(yùn)算，對(duì)各個(gè)特征進(jìn)行修補(bǔ)、坍縮、節(jié)點(diǎn)合并和壓縮等操作，亦可快速搜索附近節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際劃分網(wǎng)格的過程中，它可以自動(dòng)細(xì)分，以捕捉幾何細(xì)節(jié)特征，細(xì)節(jié)的網(wǎng)格尺寸小于表面設(shè)定的網(wǎng)格，因此它可以很好地適應(yīng)賽車的各種外形特征。在網(wǎng)格上，本研究選用最常見的四面體/混合網(wǎng)格（Tetra/Mixed），通常為純四面體，與八叉樹網(wǎng)格劃分方法有較好的兼容性。

2.1 網(wǎng)格劃分

在多面體網(wǎng)格大小的設(shè)置中，設(shè)置的數(shù)值越小，所生成的網(wǎng)格計(jì)算得出的結(jié)果越精確，但在非線性網(wǎng)格的計(jì)算中，過小的網(wǎng)格設(shè)置會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量增長(zhǎng)非常迅速。由體網(wǎng)格向表面面網(wǎng)格靠近的過程中，網(wǎng)格將會(huì)大量細(xì)分以填充空隙，而對(duì)于混合四面體網(wǎng)格，其所占的存儲(chǔ)空間巨大，計(jì)算時(shí)計(jì)算機(jī)負(fù)荷大，要求高[3]。在實(shí)際操作中，網(wǎng)格大小要設(shè)置合理。整車建模時(shí)，根據(jù)各部分模型特征，針對(duì)所有薄壁類模型特征，如賽車前尾翼端板、擴(kuò)散器、側(cè)翼端板等部位，統(tǒng)一設(shè)置網(wǎng)格大小為2 mm。翼片進(jìn)行表面分區(qū)，以適應(yīng)不同區(qū)域的精密度要求。翼面分為前緣、尾緣以及中段，其中中段設(shè)置為16 mm，前尾緣設(shè)置為4 mm，較大且舒展的面設(shè)置在16～64 mm。最后運(yùn)用線控制對(duì)氣動(dòng)特征關(guān)鍵區(qū)域以及以上提到的區(qū)域進(jìn)行線設(shè)置。在軟件ICEM中，線的優(yōu)先級(jí)高于面，因此網(wǎng)格將會(huì)以線為基準(zhǔn)向外擴(kuò)散，這樣可以極大地減少質(zhì)量較差的網(wǎng)格并有效減少網(wǎng)格數(shù)量。

人們要對(duì)賽車整體進(jìn)行邊界層設(shè)置，initial height為1.0、增長(zhǎng)率為1.2%的層數(shù)為3層。賽車各分區(qū)根據(jù)實(shí)際工況下的特性進(jìn)行單獨(dú)的邊界層設(shè)定，下翼面的邊界層需要設(shè)置得盡量厚一些，上翼面的邊界層設(shè)置得略薄一些。對(duì)于賽車體周圍區(qū)域設(shè)置體的加密區(qū)，全局最大網(wǎng)格為512 mm。賽車整車加密區(qū)體網(wǎng)格大小設(shè)置為128 mm，前尾翼再次進(jìn)行單獨(dú)區(qū)域加密，大小為64 mm。最終網(wǎng)格數(shù)量為860萬，網(wǎng)格正交度低于0.1的網(wǎng)格元素僅為13個(gè)，符合計(jì)算精度要求。之前為執(zhí)行此類操作，傳統(tǒng)方法需要設(shè)置1 100萬個(gè)網(wǎng)格，相比之下，新方法的網(wǎng)格數(shù)量減少27%，如圖2所示。

2.2 邊界條件及初始條件設(shè)定

仿真進(jìn)風(fēng)入口inlet速度為20 m/s，湍流強(qiáng)度為0.5%，模擬賽車在耐久賽中的平均車速。出口設(shè)置為壓力出口，湍流強(qiáng)度為5%。其間對(duì)輪胎做接地旋轉(zhuǎn)處理，速度為86 rad/s。為保證仿真精確性，應(yīng)盡量減少氣流與壁面間的相互作用，故將壁面設(shè)置為無剪切壁面，并將粗糙度設(shè)置為0.5[4]。

3 結(jié)果分析

3.1 整車氣動(dòng)力結(jié)果

在軟件Fluent中，設(shè)定當(dāng)方程參數(shù)殘差值全部小于0.001時(shí)收斂，設(shè)置2 000步迭代運(yùn)算，方程在第890步時(shí)收斂。經(jīng)分析，在20 m/s的工況時(shí)，各區(qū)域的升力及阻力分別如表1、表2所示。

4 優(yōu)化方法及結(jié)果

4.1 優(yōu)化方法

根據(jù)總結(jié)出來的問題，本研究做以下改進(jìn)：將前翼位置在規(guī)則范圍內(nèi)盡量向車前進(jìn)方向移動(dòng)，讓經(jīng)過外側(cè)襟翼的氣流可以以切向方向或高于輪胎的方向流動(dòng)，不沖撞輪胎，減少阻力;對(duì)主翼翼型進(jìn)行重新選取，選取彎度更小的低速翼型CH10，以獲取在規(guī)則范圍內(nèi)更多的空間，增加襟翼數(shù)量，讓靠端板外側(cè)的襟翼獲得更大的臨界攻角，在下壓力提升的同時(shí)保證輪胎部分的氣流清潔性;細(xì)致調(diào)整翼片的攻角配合，重新調(diào)整發(fā)生氣流分離的部分;對(duì)車頭處的棱角進(jìn)行弱化，對(duì)車頭處的曲率進(jìn)行光順處理;將擴(kuò)散器進(jìn)出口高度微調(diào)大，增加理流隔板與導(dǎo)流片，盡可能將車底的混亂氣流梳理、分流，讓擴(kuò)散器效率提高[5]。

4.2 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后的車體流線圖及表壓圖如圖3所示。

由仿真結(jié)果可見，改進(jìn)成果較為明顯。比如，輪胎高壓區(qū)上移，翼片搭配方案更加合理，空間運(yùn)用效率提升，車身外殼曲率更加光順等。優(yōu)化后以相同參數(shù)設(shè)置進(jìn)行仿真，在20 m/s的工況下得到各部件的氣動(dòng)力，如表3、表4所示。

由表3、表4可以看到，下壓力提升83 N，同比提升11.7%，而阻力減少15 N，同比減少5%。

5 結(jié)語

整車仿真的精確性和效率關(guān)乎最終設(shè)計(jì)成果，優(yōu)化仿真辦法和調(diào)整設(shè)計(jì)思路同等重要。對(duì)車體建模的三維特征進(jìn)行提取和簡(jiǎn)化，可以有效提升網(wǎng)格質(zhì)量，同時(shí)降低網(wǎng)格數(shù)量，其中最有效的舉措包括對(duì)翼片尾緣及尖銳處的鈍化處理。采用線網(wǎng)格設(shè)置，在整車網(wǎng)格劃分中，可以減少各個(gè)幾何復(fù)雜區(qū)域的縫隙網(wǎng)格質(zhì)量，有效提高網(wǎng)格質(zhì)量。另外，合理搭配前翼、襟翼，不僅可以使輪胎高壓區(qū)上移，還能有效減小輪胎阻力，保證后方氣流的清潔度。

參考文獻(xiàn)：

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