同济大学中德学院黎博文王抱恒
本研究获得同济大学汽车学院大学生创新活动基金资助；应用本研究制作出来的节能赛车曾获第五届本田中国节能竞技大赛冠军，此项研发帮助节能车在2011年11月的本田中国节能竞技大赛中以1762千米每升油的成绩获得冠军，并创造了中国赛区大学组的新记录。
摘要：针对节能竞技赛车车身，在CATIA车身建模中引入翼型以改善空气的流动特性。通过控制变量法研究适用于节能车模型的CFD边界层网格画法。针对尾部的三维涡流，对节能车不同分型面进行CFD对比研究出一种可减少空气阻力系数的斜分型面设计，从而改善车身的空气动力学性能，降低赛车油耗。
关键词：节能车；翼型；网格；分型面
2011年，中国的汽车产销率已刷新世界纪录，超过1800万辆，截至2011年11月底，中国汽车保有量已经突破1亿辆。未来一段时间我国宏观经济仍将保持平稳与较快增长，人均收入增高、城市化和工业化等积极因素将保证我国汽车市场平稳快速增长[1]。尽管新能源车在逐步推广，但由于技术价格等因数，汽车使用的燃料绝大部分依赖于石油资源，油气资源总量的日趋减少对汽车的节能提出了越来越高的要求。节能竞技大赛是一项宣传节能环保理念的比赛，赛车比的不是速度而是油耗，是以规定的速度用最少的燃油来行驶完特定的距离。因此，节能车的阻力越小，使用的燃油就越少，比赛的成绩也就越好。节能车的滚动阻力的减小可以通过减少车的总重量或使用滚动阻力系数更小的轮胎来实现，而空气阻力的大小则很大程度上取决于节能车车身的空气动力学性能。
NACA翼型在节能车车身上的运用
翼型是主要应用于航空飞行器的一种流线型曲线，目前最常用同时也最具代表性的是NACA系列翼型，NACA翼型是二十世纪三十年代末四十年代初由美国国家宇航局(NASA)前身国家航空咨询委员会(NACA)提出的。相比其他形状而言，翼型有着较低的阻力系数和较好的空气动力学性能[2]。作为外形与飞机相似的节能车，若将翼型应用于车身的设计当中，也可以得到很好的空气动力学性能。考虑到节能车速度较低，车身左右基本对称等特殊性，故可采用4位的低速翼型族中的全对称翼型。
应用NACAAerofoilSections软件可以很直观的看出各个翼型的形状（如图1），且可以方便地得到各种翼型的数据。表1显示了翼型的上半部分数据的54个点，下半部分完全对称，再加上定点（0,0），总共109个点，以基本控制曲线的形状。将数据先导出到excel中，再导入到CATIA建模软件中，对车身进行建模。翼型的运用可以使车身的空气动力学性能得到改善。
图1NACA翼型生成图2采用翼型曲线的车身模型
表1导出的翼型数据
图2是采用了翼型的CATIA车壳模型。本车的分型面采用的是4位的0024翼型，由于翼型的收尾处长度较长，在满足分型面最大宽度等于翼型放大之后的最大宽度时，翼型的长度会大于预期的车身长度，故需要对翼型尾部进行截断，并手绘出尾部的流线型。图3和图4是完整的翼型和尾部截断的翼型对比，可以发现在尾部截段翼型后，气流分离点向前移动，但移动距离不大，截断尾部并手绘流线型只有在最后的尾部区才会出现少量的气流分离，对之前的绝大部分区域都没有影响，此外，翼型缩短还可以降低车身的粘滞阻力，并且极大地改善车身的加工性能，因而节能车应采用尾部截断的翼型。不仅是车身分型面，在车身、下壳脊线以及车轮轮包开口处都可采用翼型或截断翼型以优化整车的空气动力学性能。
图3完整翼型图4截断翼型
节能车模型的网格划分及参数设定
网格划分是将连续的流体进行离散，再通过数值计算的方法对离散方程进行求解。网格划分对CFD的模拟值与真值接近与否起着至关重要的作用。Aziz等人的研究表明，数值计算结果的精度与单元形状关系不大[3]，在节能车模型面网格和体网格的网格划分中，选择好网格步长，在计算精度和计算机性能中寻找一个平衡点即可，但前人对节能车这一新型赛车的边界层网格划分研究极少，故需以控制变量的方法先对节能赛车模型的网格划分进行研究。
表2到表5对分别以边界层层数、边界层第一层网格高度、网格层间距等比变化的公比、边界层层数为变量，计算同一模型的Cd值，从中寻找出最适合节能赛车的边界层网格画法。
经过对比，可以得出以下结论：不同边界层网格的计算结果不一样，过低的边界层总厚度甚至会导致结果严重失真。在其他条件不变的情况下，随着边界层层数增加，Cd值会先急剧增加再趋向稳定；第一层网格的高度越高，Cd值越大；随着网格层间等比变化的公比的增加，Cd值也逐渐增大。但在控制边界层总厚度和第一层网格高度的情况下，网格层间距等比变化公比和网格层数的相互制约变化对Cd值的改变不明显。
综上，可以将边界层网格控制在总厚度12.75mm附近，第一层网格高度仍保持0.05mm不变，总层数控制在15层以内，以此来确定公比。
对于节能车外流场的分析，设置求解器为压力基隐式定常求解法。并确定湍流模型为k-epsilon[2equ]标准湍流模型，对汽车外流场的边界条件进行设定，为入口边界、出口边界、移动地面边界、固定壁面和对称面边界条件[4]。选择流体材料为空气，其属性为：密度1.225kg/m3，温度300K，大气压101325pa。给定定边界条件。实际比赛时车的平均行驶速度25.2km/h，故可取速度入口的来流速度为7m/s，温度300K。压力出口表压为0pa，并对网格类型等主要参数进行设定。确定了主要参数和边界层网格之后，就可以根据网格划分原则对模型的网格进行划分模拟计算。
节能车尾部的三维涡及改进措施
在车身尾部气流的流动中，包含着纵向的涡，他们是由于车身顶部与底部的压力差所产生的[5]。与现代汽车空气动力学中的诱导涡类似，在节能车尾部也会出现三维涡，如图5所示，这个涡场包含一定的能量，这能量等于必须克服的部分阻力的功。节能车三维涡产生的主要原因是：后轮包的形状也是一个翼型，在其最宽处将产生低压区，而流经分型面的气流由于较接近整个分型面的最后缘，因此压力变化不大。这样，将导致分型面上的气流被吸到后轮包的位置，产生向下的速度分量，再加上气流向后运动的速度分量，形成一个涡，这就是三维涡[6]。也就是说，三维涡的起因是由于延车壳纵向压力分布不均导致的。
图5节能车尾部的涡流
这个问题的解决办法之一便是尽量使分型面与后轮包处的曲面过渡平缓，减小压力差。于是可在收尾处采用“斜分型面”的设计。此举可以使本来最宽的分型面提高，这样与后轮包接触的那部分曲面就比较缓和，不会像直分型面那样，到后轮包翼型之间的距离很短，曲面变化明显。直的分型面与斜的分型面CATIA模型图如图6，7所示。
图6直分型面数模图图7斜分型面数模图
通过CFD对比试验验证出：斜的分型面，Cd值从0.145到0.135，降低了6.9%。根据空气阻力方程：
其中，为空气密度,为行驶速度，为空气阻力系数，为正投影面积。可知在正投影面积不变的情况下，空气阻力从1.194N降到了1.112N，降低了6.9%。
根据滚动阻力方程：
其中为滚阻系数，为车的重量。节能车比赛时采用米其林公司为比赛特制的真空轮胎，滚阻极低，为0.0008。整车的质量约为60kg，再加上车手的质量约50kg，总质量约为110kg。则节能车行驶时的滚动阻力为0.862N。故在不考虑上坡阻力和加速阻力的情况下，空气阻力的减少使得总阻力减少了4.0%，使赛车更节能，从而创造了节能赛大学组的新纪录。
结语
利用现行的CFD模拟技术，寻找出适合节能车的边界层网格划分方法，对节能赛车的空气动力学性能进行模拟，并利用模拟结果对赛车局部进行更改，可以寻找出更加适合节能赛车的车身造型。本文所用方式可以节约节能赛车的研发成本，提高节能赛车车身的空气动力学性能，从而降低了赛车的能耗，帮助赛车取得创造纪录的好成绩。图8为根据研发制造出来的赛车在广州国际赛车场上参加中国节能竞技大赛。
图8正在参加节能比赛的赛车
参考文献：
[1]顾洪建，刘占锦.2011年汽车市场分析及2012年预测[J].汽车工程师，2012，(4)：13-15.
[2]闵新勇.风力机翼型的气动性能数值模拟与优化设计[EB/OL].http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_D074541.aspx.2010.
[3]AzizK．ReservoirSimulationGrids：OpportunitiesandProblems[M].SPE25233.1993.
[4]梁建永，梁军，范士杰，等.轿车外流场CFD分析中常用k－ε湍流模型的对比[J]．汽车工程,2008,30(10)：846－852．
[5]傅立敏.汽车空气动力学[M].北京:机械工业出版社，2006.
[6]Dr.Jean-JacquesSantin,Dr.ChristopherH.Onder,Jér?meBernard,etal.THEWORLD’SMOSTFUELEFFICIENTVEHICLE[M].Zürich,vdfHochschulverlagAG,2007.