大学生电动方程式赛车设计中的CFD仿真与风洞试验的互补关系

CFD（Computational Fluid Dynamics）是计算流体动力学的缩写。传统的空气动力学研究工具是风洞试验。但在大学生方程式汽车比赛中，大多数车队缺少合适的风洞设备作为研究条件。同时，受限于资金成本，车队没有足够的资金对于每一版模型进行单独的试验验证。事实上，即便在其他资金更加充足的赛车运动中，完全依赖风洞试验进行研究也十分困难。CFD的出现很大程度地解决了这个问题。通过将计算机中的CAD模型直接导入CFD软件，再进行一部分前处理后，计算机可以模拟出流场的情况。整个过程中避免了实体模型的加工制造，大幅加快了设计优化迭代的节奏，也节约了成本。但其精度仍然受限于网格与物理模型的限制，还有一定的提升空间，工程上往往仍然需要风洞进行验证。因此，风洞试验和CFD实际上是互补关系。

CFD主要用数值方法求解以下的控制方程组：

①质量守恒方程；

②动量守恒方程；

③能量守恒方程；

④组分守恒方程；(www.xing528.com)

⑤体积力。

一般来说，大学生方程式汽车比赛的CFD仿真主要使用商业求解器FLUENT或者STAR－CCM＋。FLUENT在科学研究领域的应用更加广泛，功能更加全面也更加复杂。STAR－CCM＋在汽车行业的普及度更高，主要优势在于较为友好的界面使得操作相对简单。总的来说，在合理地布置网格以及定义各种参数之后，目前主流的商业CFD从求解精度的角度而言相差不大。各支车队具体使用哪一款求解器，取决于队伍的技术传承以及赞助关系等因素，没有统一的答案。

注意到，CFD仿真对于计算机的算力提出了很高的要求。普通的PC往往只能进行类似前翼、尾翼等单个部件的仿真，而整车流场的仿真需要的算力往往已经超出了PC的算力极限（主要是存储网格信息需要的RAM空间过大）。许多大学生方程式车队都会考虑使用计算机集群进行计算（图8－11）。计算机集群有着以下优势：①算力较高，可以进行更加复杂的算例求解，并且求解速度较快；②不占用学生的PC；③共享的存储空间可以作为空气动力学套件设计团队共用的空间资源，便于团队内部交流。

图8－11　AERO赛车的仿真结果

成功的空气动力学套件设计没有捷径，只有通过不断的CFD仿真和设计迭代，才能“压榨”出更多的性能。