大學(xué)生方程式賽車空氣動(dòng)力學(xué)套件的流場分析

張強(qiáng)華，李　強(qiáng)，丁一慧，張可成

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023)

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大學(xué)生方程式賽車空氣動(dòng)力學(xué)套件的流場分析

張強(qiáng)華，李強(qiáng)，丁一慧，張可成

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023)

摘要:針對(duì)大學(xué)生方程式賽車外形的設(shè)計(jì)要求及空氣動(dòng)力學(xué)套件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用ANSYS軟件對(duì)賽車流場進(jìn)行分析并優(yōu)化了動(dòng)力學(xué)套件結(jié)構(gòu)。首先根據(jù)賽車整車外形及空氣動(dòng)力學(xué)套件各個(gè)部分，如前翼、側(cè)翼及尾翼的設(shè)計(jì)參數(shù)建立CATIA數(shù)學(xué)模型，再利用ANSYS對(duì)其空氣動(dòng)力學(xué)套件各部分及整車進(jìn)行流場分析，最后用分析結(jié)果來優(yōu)化原設(shè)計(jì)參數(shù)，使賽車整體空氣動(dòng)力學(xué)性能達(dá)到較好的水平。通過不同車速仿真分析表明，車速在30 m/s時(shí)，優(yōu)化后的空氣動(dòng)力學(xué)套件能使整車的下壓力由原來的40 N提高到1 590 N，而前輪氣動(dòng)阻力能減少約41.6%，表明賽車在高速行駛過程中具有更為良好的操控性能和空氣動(dòng)力學(xué)特性。

關(guān)鍵詞:大學(xué)生方程式賽車；流場分析；空氣動(dòng)力學(xué)套件；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中國大學(xué)生方程式汽車大賽，是一項(xiàng)由全國高等院校汽車工程和汽車相關(guān)專業(yè)的在校大學(xué)生共同參與的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽[1]。賽事要求各車隊(duì)按照比賽規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年內(nèi)自主設(shè)計(jì)并制造出在加速、操縱性、制動(dòng)等方面表現(xiàn)優(yōu)異的小型單座方程式賽車，并完成動(dòng)態(tài)比賽。這些比賽要求賽車完成大量的高負(fù)荷行駛工況，比如高速過彎、高速制動(dòng)等。

為了取得好成績，就要在以彎道為主的賽道上發(fā)揮賽車的最佳性能，提升賽車過彎的速度及出彎后的加速能力[2]。有效提升賽車的下壓力就能夠增大輪胎與地面間的附著力[3]，緩解賽車彎道加速中出現(xiàn)的側(cè)滑現(xiàn)象?？刂瀑愜囕喬ヅc地面間作用力的大小和方向就要依靠空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)[4]。

賽車設(shè)計(jì)完后往往直接開始制造、調(diào)試，而沒有對(duì)其空氣動(dòng)力性能進(jìn)行分析研究，比如前翼、側(cè)翼和尾翼等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)加速及制動(dòng)等工況的影響。另外，由于該賽事的開發(fā)周期較短，加上資金與實(shí)驗(yàn)條件等因素的限制，無法對(duì)車輛空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的對(duì)比分析，也無法直接準(zhǔn)確獲取空氣動(dòng)力學(xué)套件的結(jié)構(gòu)參數(shù)[5]。通過ANSYS軟件對(duì)車輛的空氣動(dòng)力學(xué)套件進(jìn)行流場分析，獲得空氣動(dòng)力學(xué)套件各部件的最佳尺寸參數(shù)，進(jìn)而快速匹配整車設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)賽車在加速、制動(dòng)、過彎等工況下發(fā)揮最佳性能具有優(yōu)化與指導(dǎo)作用。

1賽車車身造型

作為一款方程式賽車，車子的外形不僅要有很強(qiáng)的視覺沖擊，而且要符合空氣動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)特性。良好的空氣動(dòng)力學(xué)特性會(huì)降低賽車行駛過程中空氣阻力，減少燃油消耗，并能增大下壓力[6-7]，使賽車容易操控。因此，合理布置車身各部分的位置，設(shè)計(jì)車身各部位的形狀顯得尤為重要，賽車外形如圖1所示。

Attacker-2015賽車的空氣動(dòng)力學(xué)套件包括前翼(又稱鼻翼)、側(cè)翼及尾翼。賽車行駛過程中，氣流最先到達(dá)前翼，前翼控制著空氣在賽車其余部位的流動(dòng)，同時(shí)起到提供下壓力和減小前輪氣動(dòng)阻力及引流的作用；側(cè)翼的引入，不僅使整車在結(jié)構(gòu)上更加緊湊，還減小了后輪的氣動(dòng)阻力，增加了重心處的下壓力，使賽車操縱更加平穩(wěn)；尾翼為賽車后部提供下壓力，它占全部下壓力的20%~25%。賽車模型部分?jǐn)?shù)據(jù):車長1 920 mm,車寬 1 370 mm，車高 1 028 mm，車輪半徑228 mm,軸距1 540 mm,質(zhì)心高度280 mm。車輛空氣動(dòng)力學(xué)套件就是圍繞著改善其氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力及空氣動(dòng)力穩(wěn)定性展開的，車輛所受氣動(dòng)力見圖2。

1-車身外形;2-前翼;3-側(cè)翼;4-尾翼。圖1　賽車整體空氣動(dòng)力學(xué)套件Fig.1　Aerodynamic kit of racing car

圖2　車輛上的坐標(biāo)系和氣動(dòng)力Fig.2　Coordinate system and aerodynamic forces of car

將整個(gè)車輛外表面上的壓力合成得到作用于車輛上的合力[8]，稱為氣動(dòng)力F。把氣動(dòng)力F按照車輛坐標(biāo)系分解成氣動(dòng)阻力Fx，氣動(dòng)升力Fz及側(cè)向分力Fy。升阻比就是在同一迎角下氣動(dòng)升力與阻力的比值，較大的升阻比會(huì)使車輛負(fù)升力增大，而大的負(fù)升力會(huì)增加輪胎的附著力，即地面給輪胎的驅(qū)動(dòng)力也增大，有利于提升車輛過彎速度，提高整車的穩(wěn)定性。

2前翼的空氣動(dòng)力學(xué)模擬分析

為了保證有更多的氣流流向水箱，使前翼對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的影響降到最小，因此將前翼內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)成兩片式結(jié)構(gòu)?？紤]到前翼外側(cè)氣流受前輪干擾強(qiáng)烈[9]，同時(shí)，為了方便前翼固定，故利用隔板劃出氣流通道，分開兩股不同作用的氣流。

表1不同攻角時(shí)的前翼受力

Table 1　Front wing force of different attack angles

前翼的尺寸為680 mm×1 340 mm×400 mm。在經(jīng)過多次分析調(diào)整后，得到了襟翼的攻角及位置。但由于主翼為一體式設(shè)計(jì)，其攻角變化不僅影響下壓力，還會(huì)對(duì)側(cè)翼及水箱冷卻造成影響。于是選取3種主翼攻角+1°，-1°和-2°進(jìn)行流場分析，模擬計(jì)算結(jié)果如表1所示。圖3為3種不同主翼攻角時(shí)的流場分析圖。

圖3　3種主翼攻角時(shí)的ANSYS流場分析圖Fig.3　Flow field analysis diagram of ANSYS of three different main wing angles of attack

由表1及圖3可知：當(dāng)主翼攻角為+1°時(shí)，前翼的下壓力最大，達(dá)到255 N，雖然最大的升阻比有利于賽車高速過彎，但氣流會(huì)降低側(cè)翼風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)量，導(dǎo)致水箱下部冷卻不足，也會(huì)把氣流引向賽車手頭部，在增大了氣動(dòng)阻力的同時(shí)降低了行車安全性；當(dāng)主翼攻角為-2°時(shí)，水箱冷卻效果得到改善，但前翼下壓力和升阻比過小，易使賽車高速行駛時(shí)翹頭，導(dǎo)致前輪離地，致使賽車失控而發(fā)生危險(xiǎn)；當(dāng)主翼攻角為-1°時(shí)，下壓力和升阻比均比-2°時(shí)大，且迎面的風(fēng)能較多地進(jìn)入側(cè)翼風(fēng)道，水箱冷卻效果較優(yōu)。綜合賽車前方下壓力及后方的氣流對(duì)水箱的冷卻效果，最終將主翼攻角定為-1°。

3側(cè)翼的空氣動(dòng)力學(xué)模擬分析

設(shè)計(jì)側(cè)翼可以最大限度地發(fā)掘空氣動(dòng)力學(xué)潛力，提升操縱穩(wěn)定性，增加整車美觀性。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)6種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了流場分析，各側(cè)翼結(jié)構(gòu)如表2所示，側(cè)翼總長約700 mm，寬度約為520 mm，其受力情況如表3所示。由表2結(jié)構(gòu)及表3數(shù)據(jù)分析可知：1號(hào)側(cè)翼由于內(nèi)側(cè)第一襟翼攻角過大，會(huì)把來風(fēng)向斜上方引導(dǎo)，影響水箱下部的冷卻，且側(cè)翼位置過低，會(huì)使下壓力過??；2號(hào)側(cè)翼雖然加高了，并在內(nèi)側(cè)留出風(fēng)道，增加了下壓力，但同時(shí)主翼與各襟翼間的間隙變大，致使氣流嚴(yán)重分離，后輪氣動(dòng)阻力減小不明顯；3號(hào)側(cè)翼采用3片襟翼設(shè)計(jì)，在增加了下壓力的同時(shí)也增大了阻力，且側(cè)翼整體偏高，影響賽車手逃生；4號(hào)側(cè)翼去掉了中間隔板，在減重的同時(shí)可為水箱提供良好的冷卻，但使側(cè)翼難以固定，且下壓力不足；5號(hào)側(cè)翼直接將襟翼延伸至車身，方便固定，但氣流與襟翼表面貼合較好，分離程度輕，致使水箱得不到足夠的冷卻；6號(hào)側(cè)翼設(shè)計(jì)成內(nèi)側(cè)2片、外側(cè)3片、中間用隔板隔開，在滿足水箱散熱的同時(shí)，能提供足夠高的下壓力，后輪的減阻效果也較明顯。通過對(duì)6種不同側(cè)翼結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣進(jìn)行綜合對(duì)比分析，最終選用6號(hào)側(cè)翼結(jié)構(gòu)。

表2　不同側(cè)翼結(jié)構(gòu)

表3　不同側(cè)翼結(jié)構(gòu)的受力

4尾翼的空氣動(dòng)力學(xué)模擬分析

賽車在制動(dòng)過程中過大的加速度會(huì)導(dǎo)致重心前移[10-11]，如果后輪沒有較大的下壓力，就會(huì)使其失去抓地力而發(fā)生甩尾的危險(xiǎn)，因此尾翼的結(jié)構(gòu)對(duì)賽車制動(dòng)穩(wěn)定性有很大的影響。

圖4　尾翼布置圖Fig.4　Arrangement of caudal wing

通過分析可知，使用組合翼能明顯提升尾翼的下壓力。這是因?yàn)闅饬髁鹘?jīng)兩翼間縫隙時(shí)，前方襟翼的導(dǎo)流作用使氣流更加貼合后方的襟翼，因此，后方的襟翼使用更大的攻角不會(huì)產(chǎn)生明顯的氣流分離現(xiàn)象[12]。據(jù)此，尾翼采用3片式結(jié)構(gòu)，攻角越大，下壓力越大，但同時(shí)阻力也越大。為了得到最佳升阻比，分析了不同的主翼攻角，最終確定尾翼的布置如圖4所示。

整車的空氣動(dòng)力學(xué)套件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，尾翼橫向長度為1 340 mm，截面均呈月牙形，分別在3種不同工況下對(duì)整車的外部流場進(jìn)行分析，具體如圖5所示。

由圖5可知，賽車運(yùn)行過程中的車鼻和尾翼部分受到的空氣阻力較大，尤其是尾翼受到的空氣阻力最大。因此，合理設(shè)計(jì)車身外形曲線并合理布置尾翼對(duì)于減小風(fēng)阻及增大下壓力具有重大意義。3種工況下的仿真試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。表中，F(xiàn)d為氣動(dòng)阻力，F(xiàn)l為氣動(dòng)升力。

由表4可知，車速越大，賽車受到的氣動(dòng)阻力與氣動(dòng)升力就越大；在同一車速下，車身各部位的氣動(dòng)升力總是大于氣動(dòng)阻力，這一現(xiàn)象在前翼和尾翼上較為明顯。相比于前翼和側(cè)翼，尾翼在賽車運(yùn)行過程中受到的下壓力最大。另外，在車速為30 m/s時(shí)，空套使前輪氣動(dòng)阻力相比無空套時(shí)減小約41.6%，側(cè)翼則使后輪氣動(dòng)阻力減小約23.1%，同時(shí)整車下壓力達(dá)到了1 590 N，阻力為744 N，升阻比為2.14。由此可以看出，優(yōu)化后的空套能夠滿足賽車對(duì)于高速工況的要求。

圖5　賽車整車外流場分析Fig.5　Outflow field analysis of racing car

車速/(m·s-1)前輪Fd/NFl/N后輪Fd/NFl/N前翼Fd/NFl/N側(cè)翼Fd/NFl/N尾翼Fd/NFl/N1010.214.07.212.210.6-45.48.6-19.834.6-120.22026.843.221.636.630.2-145.828.4-41.4138.1-497.23060.298.449.684.268.2-339.674.2-141.2309.1-1110.6

5結(jié)語

前翼襟翼的氣動(dòng)攻角越大，對(duì)翼片上方的氣流的阻礙作用也越明顯，上、下翼面的流速差就越大，產(chǎn)生的氣動(dòng)負(fù)升力就越大，有利于增大行駛過程中的下壓力。當(dāng)襟翼的攻角超過某一值時(shí)，整車的氣動(dòng)阻力會(huì)有所下降，應(yīng)該合理選取攻角角度。側(cè)翼采用內(nèi)側(cè)2片、外側(cè)3片、中間用隔板的結(jié)構(gòu)，這樣既滿足水箱散熱的要求，又為賽車提供較高的下壓力，同時(shí)后輪的減阻效果較明顯。尾翼的加裝可以使賽車在過彎時(shí)獲得較高的下壓力，有效降低制動(dòng)時(shí)重心前移而導(dǎo)致后輪失去抓地性，有利于高速過彎，表明充分利用空氣動(dòng)力學(xué)原理能夠提高比賽成績。

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Flow field analysis on aerodynamics packages of a certain racing car in Formula Student China

ZHANG Qianghua, LI Qiang, DING Yihui, ZHANG Kecheng

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Science and Technology,Hangzhou 310023, China)

Abstract:Aiming at the structure characteristics of appearance and aerodynamics packages of racing car in Formula Student China, a method for analyzing carload flow field using ANSYS software and optimizing structure parameters of aerodynamics packages was put forward. Firstly, according to each part of aerodynamics packages of the racing car, the CATIA mathematical models were established based on design parameters, such as front wing, lateral wing, caudal wing. Secondly, flow field simulation analysis of the racing car was built by using ANSYS software after established models. Then each part of aerodynamics packages was analyzed to find out the relationship of all forces. Finally, previous design parameters were optimized based on calculation results of numerical modeling. The performance of aerodynamics packages was reached up to better level than before. Through different speed simulation, the results showed that the down force of racing carload make up to 1 590 N compared to previous 40 N and the aerodynamics drag forces of front wheels decrease about 41.6% at the speed of 30 m/s using optimized packages, which indicates that the certain racing car has perfect handling performance and aerodynamic characteristic during high speed condition.

Keywords:Formula Student China(FSC); flow field analysis; aerodynamics packages; optimization design

中圖分類號(hào):U469.696.02

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1671-8798(2016)01-0067-05

作者簡介:張強(qiáng)華(1992—),男,山東省威海人,碩士研究生,研究方向?yàn)槠嚈C(jī)電一體化仿真控制。

基金項(xiàng)目:浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015C32075)；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY13E050023)；浙江科技學(xué)院學(xué)科交叉預(yù)研專項(xiàng)項(xiàng)目(2013JC04Y)

收稿日期:2015-10-10

doi:10.3969/j.issn.1671-8798.2016.01.012

浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào),第28卷第1期,2016年2月

Journal of Zhejiang University of Science and Technology

Vol.28 No.1, Feb. 2016