麦冬玲，刘家招，古 真，陈钰冉

基于CFD的FSAE赛车操纵性数值模拟及验证

麦冬玲，刘家招，古 真，陈钰冉

（北部湾大学 机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州 535099）

利用CFD技术进行赛车设计，对中国大学生方程式汽车大赛（FSAE）赛车的车身及空气动力学套件（主要是尾翼）进行数值模拟分析，根据数值模拟结果优化赛车的操纵性。根据现场试验与模拟结果进行的对比，验证了数值模拟分析结果的准确性，为赛车和汽车的开发设计提供了依据。

FSAE赛车；操纵性；数值模拟；CFD

1 影响赛车操纵性的因素

影响赛车操纵性的因素，除来自地面的支持力和摩擦力以外，还有赛车周围流场产生的气动力和气动力矩，主要是侧向力、阻力、升力和这3个力产生的力矩（俗称汽车气动六分力）[1-2]，如图1所示。气动六分力会干扰赛车周围的气流流场，使其变得不稳定，从而影响赛车的操纵稳定性。赛车的稳定行驶主要依靠轮胎对地面的附着力，而升力和侧倾力矩都将减少赛车对地面的附着力，使赛车操纵不稳甚至失去控制。

图1 汽车气动力坐标系

因此，若要提高赛车的操纵性，需减少赛车受到的升力，提高赛车轮胎对地面的附着力和赛车操纵稳定性。为了抵消赛车所受的升力，可以在升力的相反方向上增加下压力，即负升力。此外，把赛车的风压中心（侧向力的作用点）向赛车重心之后移动也是非常重要的。侧向力会减小赛车单边轮胎的附着力，使两边轮胎的附着力不同，有可能导致赛车侧翻。空气动力学是FSAE赛车研究的重要内容，主要是保证整车的气动平衡，再优化升力和阻力的关系，确定后移的风压中心，在得到较低阻力的同时也能够获得较大的负升力，提高赛车的操纵性[3]。为了增加赛车的负升力，可以为赛车安装空气动力学套件。目前广泛使用的空气动力学套件是负升力尾翼。翼片的外形与飞机翼片的造型相反。根据伯努利方程

+1/22=常量

式中为静压，为空气密度，可认为是定量，是速度。

由方程可知：气流的流动速度越大，压强就会越小；相反，速度越小，压强就越大。赛车尾翼翼片所产生的负升力就是因翼片上下表面气流速度不同而产生的向下的合力[4]。负升力抵消赛车行驶中产生的气动升力，使轮胎对地面的附着力增加，从而改善赛车的操纵性。赛车负升力翼工作原理如图2所示。

图2 赛车负升力翼工作原理

2 数值分析

2.1 三维建模

先设计出符合FSAE竞赛规则的赛车车架，对车身造型及空气动力学套件进行概念设计，然后再对外形进行细部优化，优化的原则是降低风阻系数和升力系数[5]。在常见物体中，水滴的风阻系数最小，只有0.05；而一般轿车的风阻系数达到0.28~0.4。因此，根据水滴的形状对车身进行了细部优化，使整个车身曲线更为平滑，风阻系数降到0.15左右。曲线型车身建模如图3所示。

图3 曲线型车身建模

翼型建模采用NACA（美国低速翼型系列）翼型库中的翼型为基础样式，根据车身的需求及规则的要求，进行细部优化，避开防火墙的阻碍，得到最佳的尾翼形状，尾翼建模如图4所示。

图4 尾翼建模

2.2 网格划分

CFD是一款专门用来进行物体周围流场分析、计算、预测的专业软件。利用该软件，可以在短时间内分析和显示赛车周围流场的情况，并且可以改变参数进行模拟，以得到最佳的设计结果。

方程解的准确性和收敛性取决于网格质量，方程解的发散通常是因为少数网格质量不佳，如果存在拉伸严重的网格，将会使方程求解困难并且不收敛。因此，划分出的网格质量是非常重要的。除了网格质量影响CFD求解精度外，网格的类型和网格的布局也有一定的影响。复杂曲率表面的网格细化非常重要。在赛车车身建模的拐角和尖角处，网格数量应设置得较密集；而在曲率变化不大的表面，网格可以设置得比较粗糙。对整车模型简化后进行网格划分，整车简化模型如图5所示。划分后的网格质量如图6所示。网格总数量为705 308个，整车网格如图7所示[6-7]。

图5 整车简化模型

图6 网格质量

图7 整车及边界层网格

2.3 边界条件

FLUENT中给了10种边界条件形式（见表1）。

在气流流动中，气流流动速度和声音在气流内传播的速度的比值，称为马赫数，=/。在气体动力学中，能划分气流流动的类型，是判断气体压缩性的一个尺度。FSAE赛车的速度属于低速范畴，＜0.3[6]，可以认为流经车身及尾翼的气体不可压缩，因此选择速度进口、压力出口的边界条件[8]。

表1 10种边界条件

2.4 控制方程及计算方法

FSAE赛车周围的流场是湍流，又是不可压缩流体，所以其动量守恒的运动方程可以用N-S方程（纳维-斯托克斯方程）来表示，即：

3 结果

在车速20 m/s时，直线工况下的赛车流线如图8所示。赛车风压中心处于质心后2.69%的距离，升阻比为–1.85，整车下压力为576.63 N；16°气流偏航工况时，风压中心处于与质心前5.25%的距离，升阻比为–1.86，整车下压力为546.42 N。气流16°偏航工况流线如图9所示，所产生的下压力足以抵消赛车在行驶时产生的升力，并能有效增加轮胎附着力。

4 验证

目前有2种方法被用于汽车操纵性试验：一是定转向盘转角试验法，二是定转弯半径试验法。FSAE赛事中的8字赛道即为定转弯半径试验方法。8字赛道如图10所示。

为保证试验准确性，只由一名车手来完成试验。试验规则是：先走右边2圈，再走左边2圈，取赛车走完右圈和左圈消耗时间的平均值作为总用时；赛车每碰到一个交通锥标（也包括出入口处的交通锥标），将在计时中增加0.25 s作为罚时；赛车打滑，只要尚未脱离赛道就能继续试验，赛车4轮整体脱离赛道边界则测试无效。每完成4圈为一次试验，以每次加速度不大于0.5 m/s2重复进行试验，直至赛车出现不稳定状态（即赛车操纵性不稳定，不受驾驶员控制）为止，记录整个过程的数据[9-10]。

图8 直线工况整车流线图

图9 气流16°偏航工况流线图

赛车的操纵性能可以由侧向加速能力来表示。侧向加速度为

＝2.012a/2

式中：a为内圆与外圆的平均直径（见图10），为包括罚时在内的4圈总用时（出自2019方程式大赛竞赛规则）。取a＝17.10 m。试验之前，先使赛车以较低的速度绕赛道行驶，预热赛车；然后，赛车以最低稳定车速行驶，调整转向盘转角，使赛车以8字赛道的固定半径行驶，保持油门和转向盘位置（方向盘可以在微小的范围内调整），记录时间、赛车加速度等数据。试验数据如图11所示。

图10 试验赛道图

图11 不同条件下的试验结果

试验结果表明，在其他条件不变的情况下，侧向加速度随着赛车加速度的增大而增大，到达一定极限后便减小，而侧向加速度本应是随着加速度的增大而增大，出现反向波动，说明了赛车完成试验所花时间变大，撞到锥标桩桶数量增加，操纵性出现不稳定情况。而有空气动力学套件的侧向加速度波动相对于没有空气动力学套件的侧向加速度波动要更小，赛车的操纵性能更加稳定。

5 结语

通过实际的试验可知：CFD流体力学数值模拟结果有良好的可靠性和准确性，可作为研究车辆操纵性的科学依据，有利于预测产品的缺陷并进行优化改进，提高赛车的操纵性和降低燃油消耗。

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Numerical simulation and validation of FSAE racing car maneuverability based on CFD

MAI Dongling, LIU Jiazhao, GU Zhen, CHEN Yuran

(College of Mechanical and Marine Engineering, Beibu Gulf University, Qinzhou 535099, China)

The CFD (computational fluid dynamics) technology is used to design the racing car. The body and aerodynamic package (mainly the tail wing) of the FSAE racing car are simulated and analyzed, and the maneuverability of the racing car is optimized according to the numerical simulation results. By comparing the results of field experiments with those of simulation, the accuracy of the results of numerical simulation analysis is verified, which provides a basis for the development and design of racing cars and automobiles.

FSAE racing car; maneuverability; numerical simulation; CFD

U462.1

A

1002-4956(2019)11-0101-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.025

2019-04-28

北部湾大学生创新创业计划项目（201811607070）；钦州学院引进高层次人才第二批科研启动项目（2018KYQD40）；钦州学院高等教育本科教学改革工程项目（18JGA008）

麦冬玲（1965—），女，广西桂平，副教授，主要研究方向为新能源汽车、汽车运用工程。