基于CFD技术的FSEC赛车气动特性仿真与分析

谢显晨¹，徐晶¹*，华琰¹，丁亚军¹，景陶敬¹

（扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225127）

摘要：赛车的车身设计对赛车的车身风阻、操纵稳定性、加速性及燃油经济性等性能有着很大的影响。本文按照大学生方程式赛车设计规则，利用CATIA三维建模软件参照已知FSEC赛车车架对赛车车身进行三维建模，并利用CFD技术建立车身外流场分析模型，进行数值模拟分析，得到了车身模型的压力云图、速度矢量图等，通过对模拟数据的分析，找出了本赛车气动特性的优缺点，为后期赛车车身的设计提供了理论依据。

关键词：FSEC赛车；赛车车身设计；CATIA ；空气动力学；CFD仿真技术 

引言

随着大学生方程式赛车（FSAE）的不断发展，在赛车整车的设计过程中越来越注重赛车车身造型的设计，而车身的空气动力学特性对整车的性能有着很大的影响，其中气动阻力系数是衡量整车空气动力学特性的一个重要参数^[1]，即气动阻力系数越小，车身的空气动力学特性也就越好。测量气动阻力系数的方法有3 种：功率平衡法、数值计算法以及风洞试验法^[2-4] 。本文运用 CATIA 的辅助设计对已知赛车车架进行车身设计，采用数值计算的方法，运用CFD仿真软件对赛车车身进行模拟分析以取得具有优良空气动力学性能的车身^[5]。

1 FSEC方程式赛车车架

FSEC方程式赛车车架如图1所示，赛车车架作为赛车上各零部件的载体，受到来自赛车内外的各种力的作用。因此，在车架设计初期要保证车架具备足够的强度和刚度，以提高驾驶员的安全性及赛车稳定性。同时，在保证车架满足强度和刚度的条件下，为了不影响赛车的加速性能，还需要保证车架轻量化，本赛车选取的车架为桁架式结构，采用4130钢管经过氩弧焊焊接完成后可以达到以上要求。

图1  FSEC方程式赛车车架

2 赛车气动造型设计

本论文选择CATIA三维建模软件进行车身建模，利用CATIA软件的自上而下建模方法，根据已有的车架模型构建车身主要曲线，首先根据车架前环前上部以及防撞块的形状，绘制车身头部包裹曲线，建立车身头部包裹曲面如图2所示，其次以侧围轮廓线为截面，下引导线和上下轮廓样条线线为引导线做出多截面曲面，形成中间侧围。拉伸后与中间侧围进行修剪，然后得到车身侧面进风口，如图3所示，最后在设计完成后，考虑到赛车车身美观和空气动力学特性的影响，对不光顺的曲面进行曲面优化，直至达到曲面的光顺和造型的美观，同时为了提高赛车整体空气动力学性能，在赛车上增加了前翼和尾翼，赛车完整车身造型如图4所示。

图2 车身头部包裹曲面                      图3 车身侧面进风口

图4  赛车完整车身造型

3 赛车完整车身模型的流体分析

3.1赛车完整车身模型的简化

简化处理整车模型，如图5所示。在对赛车完整车身模型简化时，由于受限于计算机的性能及细小复杂结构对网格质量的影响，在构建有限元模型前需要对整车进行适当的简化^[6]。对完整车身模型简化处理如下：

（1）可以删除线束、悬架横臂、横向稳定杆、立柱等细小部件；

（2）座舱和电机舱处于涡流的真空区，故加上假人模型后封闭座舱，并简化赛车尾部及车架管件；

（3）主环和头枕会扰动到达尾翼的气流，故保留主环和头枕；

（4）轮胎与地面接触部分做拉伸处理，以改善轮胎周边体网格质量；

图5赛车完整车身简化模型

3.2计算域确定

赛车在行驶过程中，只有轮胎与地面接触，其他部分都被空气淹没。为了更真实的模拟出赛车的行驶状况，车身周围的流场不能被计算域所干扰，要求计算域要包含车辆受到影响的所有流场。计算域一般采用规则的六面体，车身和轮胎设为固定，空气则以实际赛车行驶速度流向赛车来模拟赛车与空气的实际互相作用。计算域的大小与赛车的尺寸有关，外流场本文设计虚拟风洞前部2倍车长，后部为5倍车长，宽度为2.5倍车宽，高度为5倍车高。本文赛车长宽高约为3m、1.5m、1.3m，设置计算域为赛车前部为6m，后部为8m，宽度为7m，高度为6.5m，计算域划分如图6所示。

图6计算域划分

3.3网格的划分

本文采用ICEM CFD进行网格的划分。应用Mesh选项的Global Mesh Setup进行全局网格的设定。其中，模型表面的网格采用三角形单元网格，生成方式为Patch Dependent（依据轮廓），这样生成的表面网格精度较高。然后将体积网格的类型设置为Tetra/Mixed，生成方式为Robust--八叉树，这种先生成体网格后生成面网格的方式既能节省一些时间又能得到质量合格的网格。除此之外，还要在车身表面生成边界层才能进行计算，边界层网格利用Prism Mesh功能生成，网格类型为棱柱网格^[7]。增长规律为Exponential（指数），初始高度由软件自动计算，高度比率为1.2，层数为三层。所有参数设定好后，应用Compute Mesh进行网格绘制。最终完整车身表面的网格及计算域整体网格如图7、8所示。

图7完整车身表面网格

图8计算域整体网格

3.4边界条件设置与求解

将划分好的网格模型导入Fluent中进行流场模拟分析，进行边界条件设置如下：

（1）入口边界条件

模型不会对入口的流体产生影响，除运动方向外，其流速在另外两个方向的上分量都是零，因此取理论上的无穷远处的来流速度 作为来流速度。因为标准模型的计算结果容易收敛，所以本文用它作为计算模型，不过其对于扰动较大的流场由于无法捕捉到关键区域的涡流，导致模拟效果并不理想，产生较大误差。对于此湍流模型，要输入湍流强度I（turbulent intensity）和湍流尺度l（turbulence length scale)或者输入k和  的值。本文计算时，入口条件的=30米/秒，湍流强度I取0.5%，湍流尺度l取0.589m。

（2）其他边界条件设置

除了入口边界条件，还有其他的边界条件需要设置：

a.出口条件：使用out-flow条件。

b.地面条件：选择壁面（wall）条件，设置为自由滑移平面。

c.车身与轮胎：选择壁面（wall）条件，设置为固定壁面。

d.顶部与侧面：都设置为无滑移（no slip）固定壁面。

（3）数值模拟计算

在CFD求解器中，对模型求解之前需要设置求解器参数，使其分析结果能够更好的收敛。本文依据控制代数方程的多次迭代的残差来判断计算结果是否收敛^[8-10]。要得到收敛的解，必须同时满足两个条件：求解问题的代数收敛性和参数设置的准确性。一般用将残差值减少到四阶量级以下，即小于10^-4的方法来判断其收敛性。最直观的方法就是在监视窗口（Monitors）中观察残差曲线的走势图，同时也可以设定观察气动阻力系数（Cd）和气动升力系数（Cl）的曲线图^[11]。当曲线随迭代步数的增加趋于平稳时我们便可认为其收敛，本文设置迭代步数为300。

3.5计算结果分析

将在Fluent模块中求解得到的结果导入到结果后处理模块中可以得到车身周围的压力分布云图如图9所示和车身速度分布云图，另外，为了更好的展现车身速度分布特性，本文选取了赛车完整车身纵向对称面上的速度云图，如图10所示。

图9车身压力分布云图

图10车身纵向对称面上速度云图

车身表面受到的压力大小对赛车的气动阻力有很大的影响，空气粘度不变的情况下，所受压力越大，气动阻力也就越大，反之变小。同时车身压力的分布状况也能用来判断赛车外形的优劣，影响赛车的操纵稳定性。从图9可以看出，前翼迎风面、赛车车头迎风面、轮胎迎风面及尾翼迎风面，最大可以达到595Pa，我们可以认为这些地方就是产生压差阻力的主要来源。分析结果显示在给定的30米/秒来流速度时，本赛车气动阻力系数（Cd）为0.4135，升力系数（Cl）为-0.4963。

4 结束语

随着大学生方程式赛车的不断发展，其对赛车的气动特性要求越来越高，本文运用CFD技术对赛车整体车身进行气动特性分析，得到了有关本赛车车身外部流场特性的数据。通过分析车身表面压力分布云图、车身纵向对称面上速度云图，得到了本赛车整体车身气动系数和阻力系数，总结了该车身气动特性的优缺点。为后期设计提供了一定的理论参考依据。

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Simulation and analysis of aerodynamic characteristics of FSEC racing car based on CFD Technology

Xie Xianchen¹，Xu Jing¹，Hua Yan¹，Ding Yajun¹，Jing Taojing¹

（College of mechanical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou，225127，Jiangsu，China）

Abstract：The body design of racing car has a great influence on the performance of the car body such as wind resistance, handling stability, acceleration and fuel economy. According to the design rules of the college students'equation racing car, this paper uses CATIA three-dimensional modeling software to build the three-dimensional model of the racing car body with reference to the known FSEC racing car frame, and uses CFD technology to build the analysis model of the external flow field of the car body, carries out numerical simulation analysis, obtains the pressure nephogram and velocity vector diagram of the car body model, and finds out the aerodynamic characteristics of the car body through the analysis of the simulation data. The advantages and disadvantages provide a theoretical basis for the design of the car body in the later stage.

Key words：FSEC racing car；car body design; CATIA; aerodynamics; CFD simulation technology