制造商使用 Simcenter STAR-CCM+ 设计独特的低阻力汽车并赢得 2014 年 Super GT 系列赛

“不可或缺的工具”

尽管在赛道上已有三十年的出色表现，但日产国际汽车运动公司 (NISMO) 一直在寻找更快的奔驰之道。近来，该公司利用计算流体动力学 (CFD) 的独特功能来帮助他们的空气动力学工程师在开发过程中改进其空气动力学套件。NISMO GT-R Grand Touring (GT) 汽车开发部门的首席空气动力学家山本义孝 (Yoshitaka Yamamoto) 认为，“CFD 是开发中不可或缺的工具，可将抽象的流体维度具体呈现出来。”

Super GT 系列赛

SUPER GT 是一项国际汽车联合会 (FIA) 认可的赛事，拥有 GT500 和 GT300 两个级别；其中 GT500 为顶级赛车类别，GT300 为私人车队类别（参赛者没有制造商支持）。GT500 级别主要由日本三大汽车制造商日产、丰田和本田及其附属公司开发和制造的车辆参与角逐。GT300 级别主要面向业余选手，大多数参赛车队为私人车队。

在比赛中，这些类别的车辆在同一赛道上竞赛。速度上的差异带来了更为复杂和令人激动的赛况。赛车在赛道上飞驰咆哮，互相激烈竞争、彼此超越，令观众沉迷其中。NISMO 团队为这两个类别开发和生产车辆。该公司以 GT-R 为基础打造的 GT500 级车辆为其带来了盛誉。

2013 年，GT 赛事规则与德国房车大师 (DTM) 系列赛进行了统一，推动了 2014 款日产 GT-R NISMO GT500 在机械和空气动力学方面的新变化。他们采用产品生命周期管理 (PLM) 专业厂商 Siemens Digital Industries software 推出的 Simcenter™ STAR-CCM+™ 软件来进行开发。

结合采用风洞测试与 CFD 在赛车开发中，传统方法是在比例模型上运行风洞测试，并通过指定点的压力测量、烟雾、丝线、粒子图像测速 (PIV) 和其他方法将其可视化。

然而，使用这些方法几乎不可能对整个空气动力学流体域进行可视化。另一方面，CFD 软件、硬件和计算能力的最新进步使工程师能够从零开始在高度详细的 CFD 模型中模拟完整的赛车，并更深入地了解他们的设计，这是任何其他方式都无法实现的。使用 Simcenter STAR-CCM+ 极大地帮助了工程师理解流体流动中涉及的现象，从而可以准确显示和分析信息，并达到难以通过实验实现的详细程度。这样，工程师能够在执行任何风洞测试之前对汽车进行虚拟测试，预先评估各种配置和假设场景，并仅测试更有前景的解决方案。因此，Simcenter STAR-CCM+ 成为了广为接受的赛车设计和开发工具，与风洞测试相辅相成。鉴于计算资源的快速增长，CFD 背后的科学将进一步改进，计算机将变得更加强大；因此，CFD 有望在未来几年内作为数字化风洞取代实体测试。

山本解释了 Simcenter STAR-CCM+ 的贡献以及该方法与风洞测试相比在空气动力学开发中的优势：“例如，将小零件安装到汽车上时，仅靠风洞测试不足以确定这些零件对背侧的影响，尤其是影响了何处以及是否获得了下压力。但是，使用 Simcenter STAR-CCM+ 可以获得有关流体行为的宝贵见解。GT 赛车每年都会变得更加复杂。复杂设备的数量也在增加，越来越难以仅凭经验完成工作。这就是必须使用 Simcenter STAR-CCM+ 的原因。”

CFD 激发 NISMO 的灵感

开发赛车时，各位空气动力学工程师主要关注两点：一是产生下压力以帮助将汽车轮胎压在赛道上，防止赛车因离心力滑离弯道，二是尽量减少由湍流引起并会减慢赛车速度的阻力。赛车开得越强劲快速，进入赛车下方的低压空气速度就越快，产生的下压力也就越大。

另一方面，速度增加会导致阻力增加，工程师希望避免该情况。通常，理想设置是以尽可能小的阻力产生尽可能大的下压力。然而，要决定创建的空气动力学套件是在两个力之间达成平衡还是偏向其中之一，很大程度上取决于赛道和路况。在急转弯赛道上，赛车需要有更高的下压力配置才能应对弯道。但是，如果赛道的直道较长、弯道较宽且有坡面，需要的下压力就较小。

此时可以考虑提高速度，因此降低阻力更为重要。2011 年，山本开始在 NISMO 开发一种具有低阻力规格的空气动力学套件以改进高速性能。在此之前，所有改进都是为了在保持阻力水平的同时增加下压力。选择低阻力规格的一个动机是，为 2012 年的富士赛道设计并准备一套空气动力学套件。该赛道有较长的直线路线，可以通过减少阻力来大幅缩短单圈时间。

在 2013 年的低风阻规格下，工程师为前翼子板配置了陡壁线条（图 1）。这为赛车带来了非常独特的前罩。山本的团队使用 Simcenter STAR-CCM+ 执行了初步的 CFD 仿真以找到可能减少阻力的区域；他们发现与之前 2012 年的设计相比，翼子板部分的压力更低（图 2）。山本解释道：“通过 CFD 分析，我们意识到前翼子板是减少阻力的有效区域。根据规定，扩大该区域的唯一方法是垂直拓宽。尝试该方法后，我们得到了令人满意的预期结果。”

在此之前，他们曾尝试通过对配置倒圆来消除阻力，但在 CFD 的帮助下，NISMO 团队了解到不用该方法对形状做流线化处理也可以减少这种阻力。他们将这种称为“空气动力学控制调节”的方法应用到其 2014 款车型中。该方法是指通过熟练使用压差来提升性能，这只能通过 CFD 实现。

山本强调了 CFD 对他们新成就的贡献，他继续说道：“测量也可以在风洞中进行，但很难对整车实现必要的可视化。CFD 是整体观察车身的有效工具。”

尽管 CFD 为山本的团队提供了对整个设计连续体的宝贵见解，帮助他们实现了更好的设计，但到目前为止，它仍被用作辅助工具而非风洞的替代品。山本解释说：“仍有许多领域可以改进，评估产生前部零件尾流的部分便是其中之一。例如，我仍然认为评估轮胎尾流是一个严峻的挑战。除了尾流外，我们在后扰流器和其他逆压梯度方面也没能获得 100% 令人满意的结果。如果我们能做到这点，我相信有一天我们将不再需要风洞。”

应用赛车运动孕育的技术

GT500 车辆开发工作涉及整合各种技术的精髓。NISMO 引入了在赛车运动中积累的专业知识来开发 GT-R NISMO、JUKE NISMO 以及其他日产高性能汽车等商业销售汽车，将其打造为由该汽车制造商自我定义的性能品牌。

“在冠以 NISMO 名称的运动型车型中，我们将自己的赛车专业知识注入到开发工作中。这些车辆以高性能为主要卖点，“山本说。“任何冠以 NISMO 名称的汽车都得到了 NISMO 工程师在空气动力学开发方面的支持，这意味着我也亲自参与了这项工作。”

2014 年，SUPER GT 车辆规则与德国房车大师赛进行了协调统一并做了广泛修订。因此，有必要使开发工作与各项新规则保持协调一致。

“由于 2014 年首次采用了与 DTM 整合一致后的规则，我们无法判断在各种规则中哪些对 GT 赛车有利或不利，”山本说。“今天，我们已经大致解决了这方面的细节问题。例如，我们了解到有关车身上部外壳的技术通常是一致的，这意味着与修订后的规则没有实际差异。

昙花一现的后翼子板导流片

2012 年第二轮富士车赛的规则规定，工程师可以自由调整后翼子板的设计。从那时起，这便成为所有一级方程式 (F1) 赛事的标准措施。规则更改后，NISMO 在后翼子板上安装了具有翼形横截面的导流片（图 5）。根据山本的说法，其主要目标是创造引人注目的外观并可用于 F1 系列赛。

除了独特的外观，它还对尾翼性能产生了积极影响。如图 5（上图）所示，CFD 结果表明，前翼子板上车轮拱唇搅动产生的气流缓解了后翼子板和后备箱盖顶面的脱离现象。如图 5（下图）所示，添加后翼子板导流片改变了流动模式，并改善了朝向后备箱盖的流体附着状况。这有助于减少阻力并提高尾翼的效率。

但值得注意的是，导流片的倒置翼形横截面轮廓在车辆前部、后部和中部附近的特定位置产生升力。因此，导流片没有改善下压力。但是，因为它减少了阻力并因此提高了后翼子板的整体性能，空气动力学团队同意添加这个零件。然而，Grand Touring Association (GTA) 等管理机构对新安装的导流片有不同的解释。规则规定只能使用一个翼片，GTA 认为后翼子板导流片是第二个翼片。因此，在公开检查期间，它只安装了 10 分钟就被搁置，成为了一段记忆。

参与高水准竞赛

NISMO 在 2014 年加冕为系列赛冠军。NISMO 的空气动力学工程师利用 Simcenter STAR-CCM+ 结果与风洞测试之间的协同效应实现了理想的低阻力规格。NISMO 的赛车开发人员在开发过程中继续使用 Simcenter STAR-CCM+ 作为不可或缺的工具，因为它提供了准确的预评估、对全尺寸模型的深入了解以及评估尽可能多配置的能力。

在接受本文采访后，该公司宣布了参加勒芒 24 小时耐力赛的计划，进一步推动了车辆开发中对 CFD 的需求。因此，NISMO 将再次使用 Simcenter STAR-CCM+ 来参与这项高水平赛事。