F S C賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)套件的建模與流場(chǎng)分析

鄭燕麗，張 興，顧 迪，巴炳權(quán)，倪 彰

（江蘇理工學(xué)院汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 常州213000）

大學(xué)生方程式賽車(chē)（FSC）是由在校大學(xué)生根據(jù)大賽相關(guān)規(guī)則，自主設(shè)計(jì)的一輛單座賽車(chē)。賽事的舉辦豐富了學(xué)生的理論知識(shí)，鍛煉了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，提高了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件，目的是在賽車(chē)高速行駛時(shí)，能夠造成一定的下壓力，用以消除大部分上升力的影響，并能夠有效地降低風(fēng)阻系數(shù)，增強(qiáng)操縱穩(wěn)定性，使得賽車(chē)在高速運(yùn)動(dòng)中保持良好的性能。

1 空氣動(dòng)力學(xué)套件翼型特性及參數(shù)分析

在設(shè)計(jì)中所用的翼型是從伊利諾伊州大學(xué)翼型庫(kù)選的，翼型是經(jīng)過(guò)分析它們?cè)诓煌ソ窍碌南聣毫?、阻力及升阻比后篩選的，但不應(yīng)該僅僅只關(guān)注這些數(shù)據(jù)，最重要的是找到這幾個(gè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，通過(guò)變化趨勢(shì)，分析其變化原因，并進(jìn)而指導(dǎo)下一組更小范圍的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。選翼型是個(gè)重復(fù)再重復(fù)的過(guò)程，選出了一個(gè)好的翼型之后，會(huì)對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的便利，也可以一直沿用下去。

主翼加襟翼的組合式翼型可以保證翼型在大攻角下不失速，極大地提高升力系數(shù)。但是升阻比是根據(jù)主翼和襟翼相對(duì)位置的改變而發(fā)生變化，因此主翼和襟翼的位置必須要先確定好。翼型組合的確定關(guān)鍵是要找到變量。本次選擇的是兩式組合翼型，從翼型的側(cè)面看，兩片翼都有極大的活動(dòng)空間。總攻角是影響翼型升阻比的另一個(gè)重要的因素，但是由于升阻比會(huì)隨著翼型組合的變化而變化，所以很難保證翼型變動(dòng)的同時(shí)總攻角不變。因此，選擇攻角的原則就是保證變量統(tǒng)一，在大梯度下做多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，找到規(guī)律后，再做小梯度實(shí)驗(yàn)。升阻比對(duì)于整車(chē)來(lái)說(shuō)越大越好，在其他變量不變的情況下以阻力系數(shù)和升力系數(shù)為變量，如圖1所示，用不同的顏色色區(qū)分圈速區(qū)間，如果升阻比范圍已經(jīng)基本確定，權(quán)衡條件就需要適當(dāng)改變。如果賽車(chē)的升力系數(shù)為2.45，阻力系數(shù)是1.1，則升阻比為2.23，其在圖中對(duì)應(yīng)的是下面圈位置；如果賽車(chē)的升力系數(shù)為3.3，阻力系數(shù)是1.6，則升阻比為2.19，其在圖中對(duì)應(yīng)的是上面圈位置。實(shí)際的選擇需要與動(dòng)力、輪胎、底盤(pán)進(jìn)行合理的匹配，直接從圈速上體現(xiàn)出來(lái)?？傊?，下壓力和阻力的取舍最終取決于圈速，在設(shè)計(jì)階段可以借助圈速仿真來(lái)指導(dǎo)升力阻力的趨勢(shì)選擇，而在實(shí)車(chē)測(cè)試階段也需要做大量的調(diào)試工作。

圖1 升阻比示意圖

針對(duì)FSC賽車(chē)而言，它的平均速度在20 m/s左右，在這種較低速度下較容易實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流措施。在慣性下高速氣流會(huì)增強(qiáng)，因?yàn)闅饬饔姓承?，所以墻壁走?shì)的變化會(huì)使靠近壁面的氣流貼合著墻壁流動(dòng)并隨之改變其流向，一般簡(jiǎn)化稱(chēng)為氣流貼壁效應(yīng)，如圖2所示。

圖2 車(chē)輪分析示意圖

升力翼空氣動(dòng)力學(xué)特性隨著它的結(jié)構(gòu)不同也不盡相同，這些特性與翼型的弧度、翼型攻角、后弦比成正比。升力翼的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在前鼻翼和后尾翼上，設(shè)計(jì)主要依靠不同的組成和組合方式來(lái)獲得足夠的負(fù)升力。氣流分離的產(chǎn)生是由于攻角過(guò)于大或者翼型的弧度過(guò)大，這將會(huì)造成很大的氣動(dòng)阻力，并且要比粘性和摩擦阻力大，與此同時(shí)也會(huì)造成動(dòng)力損失。針對(duì)FSC賽車(chē)升力翼的特殊情況，需要選擇擁有一定弧度的、升力系數(shù)較大、雷諾數(shù)較低的升力翼翼型，以得到較大的壓力[1-2]。

2 空氣動(dòng)力學(xué)套件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 前翼設(shè)計(jì)

前翼的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)選取增大升力翼的尺寸、大弧度的翼型來(lái)提高負(fù)升力。受到FSC設(shè)計(jì)規(guī)則的影響，鼻翼與前輪的距離很近，這導(dǎo)致了設(shè)計(jì)上必須使得前鼻翼要足夠的大，把車(chē)輪阻擋住，將氣流從車(chē)輪邊導(dǎo)過(guò)，使得氣流不與車(chē)輪正面沖突，減少阻力。本次設(shè)計(jì)的前鼻翼具有三層翼型設(shè)計(jì)方案，如圖3所示，底部采用傳統(tǒng)的兩片式設(shè)計(jì)，在前端左右兩邊加裝短小的翼片，用于平衡氣流的作用，與此同時(shí)在中間部位加裝兩片隔板，分開(kāi)受干擾氣流和干凈氣流。作為氣流最先到達(dá)的部位，前翼受到前輪的影響巨大，這種形式的設(shè)計(jì)能最大程度的降低這種干擾，保證對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱影響較小的同時(shí)達(dá)到增加下壓力的根本目的。

圖3 前翼設(shè)計(jì)示意圖

2.2 尾翼設(shè)計(jì)

根據(jù)FSC大賽賽事規(guī)則，尾翼得設(shè)計(jì)要求則比鼻翼簡(jiǎn)單得多，只需要盡可能的增大負(fù)升力，提高下壓力即可。經(jīng)過(guò)多方面的研究和資料查詢(xún)，最終決定采用三層翼片的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的具體三維圖如圖4所示。頂層分布兩層翼片，底部單層翼片，側(cè)邊有導(dǎo)流的開(kāi)槽，也是具有一定的弧度。這種翼片形式是組合式的翼片，升力翼選擇了大面積的翼片，升力翼之間留有合理的間隙和弧度，使得氣流流經(jīng)時(shí)能產(chǎn)生較大的升力系數(shù)。尾翼安裝應(yīng)與駕駛員頭部相持平，過(guò)高或過(guò)低會(huì)導(dǎo)致氣流導(dǎo)入受到干擾，無(wú)法產(chǎn)生預(yù)期效果。頂層的兩個(gè)翼片由于離地面的距離較遠(yuǎn)，收到地面的影響也最小，流經(jīng)氣流得流速也十分迅速，而處于最底層的翼面需要有較為上揚(yáng)的曲線和較小的攻角，因?yàn)樗饕淖饔檬菍?dǎo)流，使氣流貼緊翼面滑過(guò)，并且使氣流在流過(guò)時(shí)流向頂層翼片的吸力面，以便于得到更好的氣動(dòng)性[3-4]。

圖4 尾翼設(shè)計(jì)示意圖

3 整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)流體仿真分析

3.1 流體域的建立

流體域的建立類(lèi)似于風(fēng)洞的模擬，如圖5所示將所賽車(chē)模型放入計(jì)算好的空間里，這個(gè)外部空間就是流體域。賽車(chē)在流體域之中，沒(méi)有空間的限制，唯一與空間有所聯(lián)系的就是輪胎，輪胎底部需要與地面接觸，模擬賽車(chē)在地面行駛的過(guò)程。

圖5 流體域示意圖

流體域一般在仿真過(guò)程中被設(shè)置成為一個(gè)長(zhǎng)方體，具體地長(zhǎng)寬高和所計(jì)算地模型尺寸有所關(guān)聯(lián)。流體域有邊界條件，在建立域之前，先了解車(chē)身三維模型地?cái)?shù)據(jù)參數(shù)。車(chē)身前地入口邊界處前越需要2～3倍車(chē)長(zhǎng)，后面約為5～7倍車(chē)長(zhǎng)，高度約5倍車(chē)高，左右約為2～3倍車(chē)寬，車(chē)輪按照上述所說(shuō)與地面接觸。

3.2 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格對(duì)于CFD仿真來(lái)說(shuō)是極為重要的部分，無(wú)論是需要精準(zhǔn)的計(jì)算還是分析模擬出流場(chǎng)之中流體的運(yùn)動(dòng)情況，都需要細(xì)膩的網(wǎng)格劃分來(lái)虛擬出物質(zhì)以及流體。一般網(wǎng)格劃分需要用到ICEM模塊，大體的劃分過(guò)程從面網(wǎng)格開(kāi)始，然后設(shè)置密度區(qū)，接下來(lái)是體網(wǎng)格，最后則是邊界層。針對(duì)于面網(wǎng)格的劃分，由于計(jì)算機(jī)是位二進(jìn)制計(jì)算方法，所以各個(gè)部分網(wǎng)格數(shù)據(jù)最好選用2的階層來(lái)劃分。密度區(qū)簡(jiǎn)而言之就是對(duì)所選模型的周?chē)鷧^(qū)域生成適合的密度。按照順序生成網(wǎng)格，根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程中的參數(shù)，數(shù)量會(huì)有所不同，并且隨著數(shù)量的增多，計(jì)算得到的數(shù)據(jù)也相應(yīng)的更加準(zhǔn)確，而且劃分的圖形形狀越標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算所得結(jié)果越迅速，并且還能保證良好的收斂性。整車(chē)網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 車(chē)身網(wǎng)格劃分

3.3 流線分布

經(jīng)過(guò)計(jì)算以后，得到了車(chē)身表面壓力云圖，如圖7所示。從圖片中可以看出，前兩個(gè)車(chē)輪、車(chē)身前端和駕駛員頭部壓差阻力十分的明顯，這些地方都是處在迎風(fēng)面的受力之處。如圖8所示對(duì)賽車(chē)對(duì)稱(chēng)面速度分布云圖進(jìn)行分析。從圖中可以看出，氣流在流經(jīng)駕駛員頭頂?shù)臅r(shí)候，速度達(dá)到了巔峰。氣流沿著車(chē)身流動(dòng)，再遇到駕駛員車(chē)身前遇到了阻礙，在車(chē)身前形成了渦流，使得后面的氣流受到了阻塞，使駕駛員受到了沖擊。在賽車(chē)高速行駛時(shí)，危險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到較高的層次，可能會(huì)很大程度上對(duì)駕駛員的頭部和脊椎造成較大的負(fù)擔(dān)甚至于不同程度的損傷。

圖7 整車(chē)仿真分析壓力云圖

圖8 賽車(chē)對(duì)稱(chēng)面速度矢量圖

從各個(gè)分析示意圖中還可以看到，賽車(chē)的尾部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中處于極其不穩(wěn)定的狀態(tài)，因此需要加裝尾翼以保持整個(gè)車(chē)身的穩(wěn)定性。尾翼的位置大概與駕駛員頭部相持平，以獲取較大的氣流速度，并且也不會(huì)因?yàn)橹匦倪^(guò)高過(guò)低而造成側(cè)翻或喪失其應(yīng)有的效應(yīng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析與計(jì)算賽車(chē)定風(fēng)翼空氣動(dòng)力學(xué)特性、優(yōu)化翼型攻角、優(yōu)化擴(kuò)散器離地間隙并且運(yùn)用FLUENT對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)套件進(jìn)行網(wǎng)格劃分、求解邊界條件、仿真其流線分布。其結(jié)果表明該分析方法切實(shí)可行，符合設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)參數(shù)及分析結(jié)果可為方程式賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)套件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。