《FSAE赛车空套的分析与优化》-工学论文，科技论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

FSAE赛车空套的分析与优化

范文

王炎杰江杏舟梁富恒万昳妤林成

摘要：基于Realizable [k-ε]双方程湍流模型，为了解决赛车流体仿真中遇到的仿真速率慢、仿真结果波动大的问题，本文从三维建模的特征提取简化及网格划分方法入手，有效降低网格数量，提高网格质量，提升赛车空套（即空气动力学套件）的研发效率及科学性，增加整车仿真优化次数，最终反馈于空套性能的增长。

关键词：FSAE;空气动力学套件;ICEM;Fluent

中图分类号：U463文献标识码：A文章编号：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

隨着FSAE中国大学生方程式大赛的发展，各个车队的机械部分表现都愈发稳定，这个趋势迫使赛车研发的重心更多地偏向空套设计。合格的空套设计可以为赛车提供更高的地面附着力，同时提升赛车的驾驶稳定性与过弯速度。目前，国内关于空套的设计研发比较薄弱，多数文献针对单一空套部件进行分析优化，较少考虑各空套的交互性[1]。

整车流体仿真对于赛车空气动力学的研发起着至关重要的参考作用，其仿真的速度与精确性直接影响最终设计成果的质量。因此，本文从赛车三维建模的简化与特征提取出发，对于赛车的各网格参数及边界层进行细致划分，最后使用Fluent对赛车进行模拟风洞试验，得出仿真结果，并依据此结果对赛车空套进行方案优化，得出更优的设计方案，最终提升空套的整体性能。

1 三维模型的建立与特征简化

1.1 三维模型建立

三维模型的建立在CATIA中进行，空套总共分为前翼、扩散器、侧翼和尾翼四个主要部分，人们要依据规则分别建立且细化各个部分空套建模，完成整车装配。全车尺寸为长2 837 mm、宽1 392 mm、高1 190 mm，如图1所示。

1.2 三维模型特征简化

原车建模包括发动机、悬架、传动等部分的装配，具有复杂性。在进行网格划分时，过多的细节特征将导致网格质量的控制非常困难，网格数量庞大，会导致分析速率下降甚至结果的发散。因此，对赛车的各部分分别进行气动特征提取，在赛车后舱提取发动机进气的轮廓特征。悬架碳管的直径为18 mm，车架主环钢管直径为25.4 mm，整车建模中加入悬架和钢管与不加入的情况多次对比，网格质量和网格生成速度都有所下降，最终决定删除悬架及车架主环特征项。

在轮胎处做平面接地处理，模拟真实工况中轮胎由于受压发生的变形，同时减少由于线接触地面而产生的低质量网格。对于车手及头枕的模拟，要建立驾驶舱内部的简化结构，有效模拟内部阻力;翼片尾缘处同样采取钝化处理，有效地提高网格质量，同时减少网格数量。

1.3 风洞计算域的建立

依据赛车的实际尺寸，在风洞的建立过程中，为防止气流碰撞壁面发生回流而影响精确性，应将流场尺寸适当设定得大一些。根据经验值，流场的大小为车前3～4个车身长度，车后7～10个车身长度，高为3～4车身长度[2]，据此建立一个长方体流场。

2 模型分析的前处理

下面将建立完成的三维模型以STEP格式导入ICEM中进行网格划分。在算法上，本研究采用Octree八叉树画法，八叉树结构决定了它的功能，它可以快速定位树结构中的每一个元素，快速进行三维集合运算，对各个特征进行修补、坍缩、节点合并和压缩等操作，亦可快速搜索附近节点。在实际划分网格的过程中，它可以自动细分，以捕捉几何细节特征，细节的网格尺寸小于表面设定的网格，因此它可以很好地适应赛车的各种外形特征。在网格上，本研究选用最常见的四面体/混合网格（Tetra/Mixed），通常为纯四面体，与八叉树网格划分方法有较好的兼容性。

2.1 网格划分

在多面体网格大小的设置中，设置的数值越小，所生成的网格计算得出的结果越精确，但在非线性网格的计算中，过小的网格设置会导致网格数量增长非常迅速。由体网格向表面面网格靠近的过程中，网格将会大量细分以填充空隙，而对于混合四面体网格，其所占的存储空间巨大，计算时计算机负荷大，要求高[3]。在实际操作中，网格大小要设置合理。整车建模时，根据各部分模型特征，针对所有薄壁类模型特征，如赛车前尾翼端板、扩散器、侧翼端板等部位，统一设置网格大小为2 mm。翼片进行表面分区，以适应不同区域的精密度要求。翼面分为前缘、尾缘以及中段，其中中段设置为16 mm，前尾缘设置为4 mm，较大且舒展的面设置在16～64 mm。最后运用线控制对气动特征关键区域以及以上提到的区域进行线设置。在软件ICEM中，线的优先级高于面，因此网格将会以线为基准向外扩散，这样可以极大地减少质量较差的网格并有效减少网格数量。

人们要对赛车整体进行边界层设置，initial height为1.0、增长率为1.2%的层数为3层。赛车各分区根据实际工况下的特性进行单独的边界层设定，下翼面的边界层需要设置得尽量厚一些，上翼面的边界层设置得略薄一些。对于赛车体周围区域设置体的加密区，全局最大网格为512 mm。赛车整车加密区体网格大小设置为128 mm，前尾翼再次进行单独区域加密，大小为64 mm。最终网格数量为860万，网格正交度低于0.1的网格元素仅为13个，符合计算精度要求。之前为执行此类操作，传统方法需要设置1 100万个网格，相比之下，新方法的网格数量减少27%，如图2所示。

2.2 边界条件及初始条件设定

仿真进风入口inlet速度为20 m/s，湍流强度为0.5%，模拟赛车在耐久赛中的平均车速。出口设置为压力出口，湍流强度为5%。其间对轮胎做接地旋转处理，速度为86 rad/s。为保证仿真精确性，应尽量减少气流与壁面间的相互作用，故将壁面设置为无剪切壁面，并将粗糙度设置为0.5[4]。

3 结果分析

3.1 整车气动力结果

在软件Fluent中，设定当方程参数残差值全部小于0.001时收敛，设置2 000步迭代运算，方程在第890步时收敛。经分析，在20 m/s的工况时，各区域的升力及阻力分别如表1、表2所示。

4 优化方法及结果

4.1 优化方法

根據总结出来的问题，本研究做以下改进：将前翼位置在规则范围内尽量向车前进方向移动，让经过外侧襟翼的气流可以以切向方向或高于轮胎的方向流动，不冲撞轮胎，减少阻力;对主翼翼型进行重新选取，选取弯度更小的低速翼型CH10，以获取在规则范围内更多的空间，增加襟翼数量，让靠端板外侧的襟翼获得更大的临界攻角，在下压力提升的同时保证轮胎部分的气流清洁性;细致调整翼片的攻角配合，重新调整发生气流分离的部分;对车头处的棱角进行弱化，对车头处的曲率进行光顺处理;将扩散器进出口高度微调大，增加理流隔板与导流片，尽可能将车底的混乱气流梳理、分流，让扩散器效率提高[5]。

4.2 优化结果

优化后的车体流线图及表压图如图3所示。

由仿真结果可见，改进成果较为明显。比如，轮胎高压区上移，翼片搭配方案更加合理，空间运用效率提升，车身外壳曲率更加光顺等。优化后以相同参数设置进行仿真，在20 m/s的工况下得到各部件的气动力，如表3、表4所示。

由表3、表4可以看到，下压力提升83 N，同比提升11.7%，而阻力减少15 N，同比减少5%。

5 结语

整车仿真的精确性和效率关乎最终设计成果，优化仿真办法和调整设计思路同等重要。对车体建模的三维特征进行提取和简化，可以有效提升网格质量，同时降低网格数量，其中最有效的举措包括对翼片尾缘及尖锐处的钝化处理。采用线网格设置，在整车网格划分中，可以减少各个几何复杂区域的缝隙网格质量，有效提高网格质量。另外，合理搭配前翼、襟翼，不仅可以使轮胎高压区上移，还能有效减小轮胎阻力，保证后方气流的清洁度。

参考文献：

[1]单金良.FSAE赛车车身气动造型设计及其优化[D].扬州：扬州大学，2018：22-23.

[2]约瑟夫·卡茨，张英朝.赛车空气动力学[M].北京：机械工业出版社，2019：89-95.

[3]刘方，翁天庙，龙天渝.CFD基础与应用[M].重庆：重庆大学出版社，2015：45-52.

[4]南琼，应保胜，伍俊杰，等.FSAE赛车车身外流场优化设计与数值模拟[J].计算机仿真，2018（1）：126-131.

[5]杨勇，尹欢，彭婧.FSAE赛车底盘尾流扩散器仿真分析与设计[J].机械科学与技术，2017（4）：632-636.

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。