胡順安，陳言暢

常熟理工學(xué)院，江蘇蘇州 215500

0 引言

隨著中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽的發(fā)展，空氣動(dòng)力學(xué)套件作為中國(guó)大學(xué)生方程式賽車的重要組成部分，成為各車隊(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)研究的焦點(diǎn)。一輛氣動(dòng)性能優(yōu)異的賽車，在行駛時(shí)可以產(chǎn)生足夠的下壓力，以擁有在復(fù)雜賽道下的行駛穩(wěn)定性和操縱穩(wěn)定性。由于車身是由各個(gè)零部件組成，局部流動(dòng)特征差異過(guò)大，前翼及擴(kuò)散器下方的流場(chǎng)頗為復(fù)雜。采用傳統(tǒng)的分析方法無(wú)法保證良好的計(jì)算精度，因此需要利用ANSYS對(duì)賽車模型進(jìn)行外流場(chǎng)仿真，以提高精度、縮短工期。張文海等對(duì)賽車尾翼進(jìn)行分析，從不同角度對(duì)襟翼尾翼進(jìn)行研究。NABIL等對(duì)不同形狀和不同尺寸的車身進(jìn)行流體分析，研究車身的阻力面積和阻力系數(shù)。

通過(guò)CFD方法對(duì)FSAE賽車模型進(jìn)行外流場(chǎng)仿真，獲得賽車車身表面的壓力云圖、速度云圖及流線圖。通過(guò)絲帶法驗(yàn)證實(shí)車的流場(chǎng)，對(duì)比仿真結(jié)果，以驗(yàn)證分析的可靠性。

1 流體基本理論和參數(shù)設(shè)置

隨著汽車行駛速度不斷提高，汽車空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和操控穩(wěn)定性的影響逐漸增大。FSAE賽車的最大車速一般不超過(guò)120 km/h，馬赫數(shù)約為0.33，低于0.4馬赫數(shù)，屬于低速的空氣動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，此時(shí)FSAE賽車車身周圍的空氣壓縮不明顯，可認(rèn)為空氣是不可壓縮的，即為常數(shù)。采用伯努利方程和文丘里效應(yīng)可以解釋FSAE賽車車身流場(chǎng)中的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，而在CFD分析中采用-epsilon模型進(jìn)行仿真。

1.1 伯努利方程

伯努利方程代表著流體的機(jī)械能守恒。即：動(dòng)能加上壓力勢(shì)能和重力勢(shì)能等于常數(shù)。其表達(dá)式如公式(1)所示：

(1)

式中：為流體中某點(diǎn)的壓力;為流體密度;為流體位于該點(diǎn)的流速;為重力加速度;為該點(diǎn)所在高度;為常量。

1.2 文丘里效應(yīng)

當(dāng)流質(zhì)從較寬的通道流入較細(xì)的通道時(shí)，由于通道截面積發(fā)生改變，細(xì)小的截面處的流質(zhì)流速增快，其流速與過(guò)流斷面成反比。

1.3 k-epsilon模型

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

湍流動(dòng)能方程為:

(2)

湍流耗散率ε方程為

(3)

式中：為賽車的平均速度，在CFD分析中設(shè)置為60～90 km/h，即16.7～25 m/s；為湍流黏度系數(shù)；、、為由湍流過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)果項(xiàng)；、為-epsilon模型中相對(duì)應(yīng)的系數(shù)，在CFD分析中取值分別為1.0、1.3；和為自定義項(xiàng)。

2 計(jì)算模型確認(rèn)

2.1 三維模型設(shè)計(jì)

在規(guī)則允許的情況下，采用CATIA軟件設(shè)計(jì)前翼、尾翼、擴(kuò)散器等FSAE賽車車身零部件的三維模型。

內(nèi)洗的前翼襟翼及擾流板的組合可以降低前輪的射流。在擴(kuò)散器上首次采用了內(nèi)置側(cè)擴(kuò)加側(cè)翼的設(shè)計(jì)，在為后輪導(dǎo)流的同時(shí)，可提升賽車的升力系數(shù)。

將底盤總成及動(dòng)力總成進(jìn)行簡(jiǎn)化，以在不影響流場(chǎng)的情況下降低計(jì)算量。在進(jìn)行整車裝配時(shí)，不能存在兩個(gè)或多個(gè)部件有重合的情況，整車外流場(chǎng)仿真模型如圖1所示。

圖1 整車外流場(chǎng)仿真模型

2.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定

在賽車進(jìn)行外流場(chǎng)仿真的過(guò)程中，為了保證壁面邊界條件不對(duì)賽車的流場(chǎng)產(chǎn)生影響。計(jì)算域長(zhǎng)度應(yīng)大于車長(zhǎng)的8倍，寬度應(yīng)大于車長(zhǎng)的5倍，高度應(yīng)大于車長(zhǎng)的5倍。如圖2所示，賽車外流場(chǎng)計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)24 m、寬8 m、高8 m的矩形區(qū)域。對(duì)模型進(jìn)行部件的劃分，設(shè)置全局網(wǎng)格參數(shù)、體網(wǎng)格參數(shù)與邊界層控制參數(shù)。依照軟件網(wǎng)格劃分運(yùn)算邏輯的優(yōu)先級(jí)，依次按線到面的次序，進(jìn)行局部網(wǎng)格的處理，提高計(jì)算時(shí)的精度。如圖3所示，進(jìn)行面網(wǎng)格的劃分，生成四面體邊界層，光順面網(wǎng)格，以提高模型質(zhì)量。對(duì)地面、擴(kuò)散器、翼片進(jìn)行邊界層網(wǎng)格的劃分，邊界層層數(shù)為5層，初始厚度為1.2 mm。隨后光順體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約為900萬(wàn)。

圖2 外流體域

圖3 體網(wǎng)格處理

3 CFD仿真分析

考慮到分析時(shí)速較低，且忽略氣流隨時(shí)間的變化，將求解設(shè)置為穩(wěn)態(tài)。選用-epsilon模型，并采用二階迎風(fēng)離散格式。設(shè)置入口端流速分別為16.7、20.0、22.0、25.0 m/s，出口端流速為0 m/s，地面和墻壁設(shè)置移動(dòng)壁面，移速為22 m/s。將4個(gè)車輪設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速為60～120 r/s。流體默認(rèn)空氣，氣壓為101 325 Pa，空氣密度為1.225 kg/m。對(duì)車身、空氣動(dòng)力學(xué)套件以及車輪的殘差、升力、阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)行1 500次迭代，得到的4組數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

表1 不同車速下的賽車下壓力

表2 不同車速下的賽車阻力

整車的升力系數(shù)約為3.33，阻力系數(shù)約為1.18。前定風(fēng)翼和后定風(fēng)翼的下壓力比值約為0.8，通過(guò)表1可知，賽車在22 m/s下前翼產(chǎn)生的下壓力為-310 N，尾翼產(chǎn)生的下壓力為-400 N。已知車輛質(zhì)心位置為軸距中心處，前翼風(fēng)壓中心離質(zhì)心距離為1 430 mm，離前輪圓心距離為775 mm，離后輪圓心距離為775 mm，尾翼風(fēng)壓中心距質(zhì)心的距離為800 mm，可以求出力矩為-115.55 N·m，所以整車風(fēng)壓中心位于質(zhì)心之前。

如圖4所示的中剖面壓力云圖，可以看出壓力主要集中于車頭、車手頭部及尾翼處。如圖5和圖6所示，前翼下方的擾流板對(duì)前輪前方車輪的內(nèi)洗效果明顯，減小了前輪繞流和射流的產(chǎn)生，三角結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得整車的下方流場(chǎng)更為平順。低攻角的變截面前翼也使更多的氣流流入側(cè)箱，且減少了對(duì)后方下壓力套件的干擾。

圖4 中剖面壓力云圖

圖5 賽車下方流場(chǎng)流線圖

圖6 賽車流線圖

4 絲帶法試驗(yàn)

絲帶法是通過(guò)觀察粘貼在賽車表面絲帶的運(yùn)動(dòng)狀況來(lái)確定車身表面流譜。如圖7所示，線材選用質(zhì)量極輕的細(xì)羊毛線。將其均勻地裁剪成80 mm長(zhǎng)的絲線，粘貼在賽車車身的表面上。在平滑的車頭、側(cè)身及側(cè)箱表面粘貼得較為疏松，端板和翼片等擁有復(fù)雜流場(chǎng)地方粘貼得較為緊密。

圖7 絲帶粘貼位置

通過(guò)駕駛賽車在車道上按60 km/h進(jìn)行勻速行駛，并使用相機(jī)進(jìn)行抓拍，得到了絲線伴隨氣流運(yùn)動(dòng)的照片，如圖8所示。通過(guò)圖8和圖9對(duì)比可以看出，在60 km/h下尾翼及擴(kuò)散器氣流平順，沒(méi)有失速的地方。前翼所誘導(dǎo)的上升氣流也在接近側(cè)箱處流入側(cè)箱。翻邊處的氣流誘導(dǎo)也非常明顯，從而減少了氣流對(duì)輪胎的沖擊。通過(guò)與ANSYS跑出的流線圖進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)氣流導(dǎo)向與分析結(jié)果基本一致，故判定分析可靠。

圖8 實(shí)車跑動(dòng)照片

圖9 賽車側(cè)面外流場(chǎng)流線圖

5 結(jié)束語(yǔ)

基于CATIA及空氣動(dòng)力學(xué)原理建立的賽車外流場(chǎng)仿真模型，通過(guò)ANSYS對(duì)其進(jìn)行外流場(chǎng)仿真，得到FSAE賽車的車身外表面壓力分布、外流場(chǎng)流線圖及整車升阻系數(shù)。通過(guò)絲帶法進(jìn)行FSAE賽車車身空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果，為整車車身設(shè)計(jì)和后續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。