余順達，李能，王兵，高陽

（湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

對湖北汽車工業(yè)學院FSC賽車模型外流場進行CFD模擬研究，在此基礎上對加裝空氣動力學附加裝置（前后擾流板、底部擴散器）后的情況進行分析，并探討它在賽車外部流場的改善方面所發(fā)揮的作用以及在不同條件下攻角的最佳位置。通過對汽車尾部流場進行數值模擬研究，得出具有工程實際意義的賽車空氣動力特性參數，并結合賽車尾部流場的特點，分折后擾流板的安裝對尾流結構的影響。選取合適的湍流模型、差分格式及數值計算方法，添加正確的邊界條件，先分析無附加擾流板時尾部流場情況和受力情況，再分析附加擾流板的車身在合理速度范圍時的氣動參數及外流場特性，對12種模型進行優(yōu)化分析，找出相應速度下擾流板的最佳攻角角度，以指導不同比賽項目中氣動部件的調教策略。

1 車身外流場CFD建模

1.1 CAD建模

首先對車身造型及空氣動力學附加裝置進行概念設計和優(yōu)化選型，再利用CATIA進行結構設計，使用IMA模塊按照與實車1∶1的鼻翼對車身進行建模，運用GSD模塊對車身分割出散熱器進風口與風道，并對前后擾流板進行初步建模。

為了正確模擬賽車行駛過程狀態(tài)，對暴露在車體外部的駕駛員頭盔和輪胎進行了簡化處理。汽車放在風洞中，根據經驗［1］，選取長方體形的計算域流場，假設汽車模型長為L，寬為w，高為H，則計算域的取法為汽車前部取3L，側面取4W，上部取4H，汽車后部取 6L［2－3］，如圖 1 所示。

1.2 控制方程

流體流動要受物理守恒定律的支配?；镜氖睾愣砂ǎ嘿|量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。由這些定律可以分別導出質量方程、動量方程和能量方程。由它們可以聯(lián)立得到納維爾一斯托克斯方程組，簡稱為N－S方程組。N－S方程組是流體流動所需遵守的普遍規(guī)律［4］。為了便于對各控制方程進行分析，并用同一程序對各控制方程進行求解，用表示通用變量，則各控制方程的通用形式如式（1）［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；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項。式（2）中各項依次為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項。對于特定的方程，φ、Γ 和 S 具有特定的形式［6］，表 1 給出了3個符號與各特定方程的對應關系。

1.3 網格劃分

表1 通用控制方程中各符號的具體形式

網格劃分越細，分析精度越高，計算時間也越長。因此需選用合適的網格劃分方法。由于車身表面是關鍵表面，因此采用較細的六面體網格單元，便于后面的體網格劃分，模型總的網格單元數為544059，如圖2所示。

1.4 邊界條件

對于空氣來說，當風速小于1/3聲速時，也就是在風速小于408km·h－1時，可認為是不可壓縮氣體。對FSC賽車來說，最高速度都小于200km·h－1，因此空氣動力學研究可以把周圍氣體考慮成不可壓縮的。賽車繞流問題一般為定常，等溫、不可壓縮三維流場，考慮到由于復雜外形引起的分離，應按湍流處理，湍流強度及耗散率分別取0.5%、0.5。地面設置為移動地面，車身表面設置為無滑移的固壁條件。對4種模型的入口速度分別做高、中、低3種速度設定。

2 車身造型方案CFD優(yōu)化對比分析

2.1 空氣阻力及負升力分析

由于FSC賽車前部造型基本類似，前鼻翼擾流板角度一般都在10°～20°之間，而且對賽車氣動性能影響最大的是尾翼，因此本文是在前鼻翼擾流板角度固定的前提條件下，重點對在不同速度下對無擾流板、帶不同角度附加擾流板［1］共12種模型進行外流場計算分析，各個模型方案計算如表2所示。

表3為12種模型的氣動阻力和氣動升力參數，通過比較可以看出賽車氣動性能隨擾流板攻角變化的特點，根據氣動阻力和氣動升力的變化趨勢，可為賽車在不同速度區(qū)間行駛時提供擾流板攻角調教的推薦值，供試驗和比賽時參考。

表2 各模型方案［2］

表3 各模型在不同速度下的氣動阻力和氣動升力［3］

2.2 不同車隊車身氣動參數對比分析

湖南大學2010年（圖3a）只對車身進行分析，沒有考慮車輪和其它附件的影響，在速度為72 km·h－1時車身空氣阻力系數為0.30195。天津大學2010年車身造型設計（圖3b）以平面和直線為主，棱角分明，缺少圓弧過渡，該車身模型在速度為72 km·h－1時空氣阻力系數為0.32052。本次設計車身造型采用流線型設計 （圖3c），對賽車尾部做了圓弧過渡，并對車輪和駕駛員頭盔進行簡化處理，車身模型在速度為72 km·h－1時空氣阻力系數值為0.3293，后擾流板攻角為10°時風阻系數值為0.4467，不同車隊車身氣動參數對比圖如圖3所示。

與湖南大學車身模型空氣阻力系數對比可知，采用流線型設計車身并附帶車輪和駕駛員頭盔的模型，迎風面積比湖南大學車身模型增加了30%，空氣阻力系數僅增加了9%，說明本次設計的車身造型能在一定程度上減小空氣阻力，并且由于賽車尾部采用了封閉式內收設計，能減少尾部湍流，進一步降低空氣阻力。

2.3 車身模型外流場對比分析

通過圖4中無后擾流板模型與后擾流板攻角為10°的模型速度流線圖對比可知，氣流經過擾流板有明顯上揚，由于攻角較小，產生的負升力也較小。

通過攻角為 10°和 20°模型流線圖（圖 4b～c）對比，可以看出：更大的攻角能夠產生更大的擾流作用，提供更大的負升力。氣流沿10°攻角模型上下表面流過，沒有出現附面層分離，20°模型下層翼板下表面有輕微附面層分離。當采用30°攻角時，附面層分離現象更為嚴重。

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，決定著通過車身上下方、散熱器、后擾流板的氣流比例及方向的關鍵性部件，如圖5所示。通過俯視圖觀察氣流經過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入散熱器，保證散熱效果，增加賽車在耐久性項目上的穩(wěn)定性；受前鼻翼的繞流作用影響的氣流與流過車身和散熱器的氣流在車尾匯合，順利流向后方，沒有產生渦旋，如圖6所示，證明本次氣動造型設計在整體上的效果是比較滿意的。

3 結論

本文計算了12個不同的流場模型，通過對CFD數值模擬結果進行對比分析，得出在不同比賽項目中氣動部件調教策略，結論如下：

1）75 m直線加速 建議不使用前后擾流板，將阻力減少到最低，可以使用底部擴散器，在加速末段提供一定的負升力。

2） 耐久賽 建議將擾流板調整至 10°～20°之間，在不增加過多空氣阻力的情況下提供適度的負升力，兼顧操縱穩(wěn)定性與燃油經濟性。

3）高速壁障 建議將擾流板調整至20°左右，在賽車的加速性能允許范圍內，增加不多的空氣阻力，提供更多的負升力，兼顧加速性能與彎道性能。

4）8字繞環(huán) 建議將擾流板調整至30°左右，增加的空氣阻力可以通過增大油門開度來彌補，用以獲得更大的負升力，提高單圈速度。

［1］郭軍朝.理想車身氣動造型研究與F1賽車空氣動力學［D］.長沙：湖南大學，2007.

［2］王淼，劉振俠，黃生勤.FLUENT在汽車外形設計中的應用［J］.機械設計與制造，2005（4）：71－73.

［3］ 李楚琳，李堰.車身外流場數值模擬［J］.湖北汽車工業(yè)學院學報，2011，25（2）:9－11.

［4］ 周淑文，張恩奇，宋家秋.有尾翼轎車外流場數值模擬［J］.汽車科技，2007（1）：14－16.

［5］梁榮亮，過學迅.基于ANSYS的轎車外流場數值計算［J］.北京汽車，2008（4）：18－21.

［6］曲震，薛澄岐.基于CFD方法的轎車車身外圍流場分析［J］.電子機械工程，2009，25（1）：33－35.