關(guān)于Formula 1空氣動(dòng)力學(xué)fluent計(jì)算

摘 要：目前的F1空氣動(dòng)力學(xué)高度復(fù)雜，關(guān)于各個(gè)部分不同狀態(tài)下F1賽車的空氣動(dòng)力學(xué)情況值得思考。本研究是基于Ferrari F10模型對(duì)受力條件進(jìn)行評(píng)估，以便研究各個(gè)部位對(duì)整體造成的影響。通過使用anasys解決方案進(jìn)行不同的CFD模擬來解決這個(gè)問題。并根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)當(dāng)前模型的分析結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)分析。

關(guān)鍵詞：Formula 1 外部空氣動(dòng)力學(xué) CFD仿真模擬

1 介紹

1.1 介紹

說到 FI 賽車車身，最值得一提的便是各種空氣動(dòng)力學(xué)組件。由碳纖維打造的車身和底盤固然是一個(gè)亮點(diǎn)，但由于空氣動(dòng)力學(xué)原理在 FI 賽車車身和底盤設(shè)計(jì)上的廣泛應(yīng)用，見圖1，使 FI 車隊(duì)對(duì)于空氣動(dòng)力學(xué)的研究和相應(yīng)的組件設(shè)計(jì)達(dá)到了其他任何賽車都無法比擬的水平和規(guī)模，這正是F1卓爾不群的原因之一。

1.2 計(jì)算目的

對(duì)于 FI 而言，時(shí)間就是金錢，同時(shí)時(shí)間也需要耗費(fèi)金錢。據(jù)專家統(tǒng)計(jì)：目前F1車隊(duì)在空氣動(dòng)力學(xué)開發(fā)上的花費(fèi)已占到整個(gè)車隊(duì)年度預(yù)算的15%，現(xiàn)在唯一能超過這筆費(fèi)用開支的只剩下引擎開發(fā)了。新建一個(gè)全新的F1風(fēng)洞至少需要花費(fèi)4500萬歐元。盡管如此，如今的大多數(shù)F1車隊(duì)還在幾年前便修建了屬于自己的風(fēng)洞。

但受到規(guī)則與預(yù)算限制導(dǎo)致風(fēng)洞時(shí)間有限所以理論計(jì)算與數(shù)值模擬在F1中更顯得至關(guān)重要。

為了更好地理解或是設(shè)計(jì)賽車部件，本研究以Ferrari F10為原型并進(jìn)行簡(jiǎn)單建模進(jìn)行仿真。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)是流體力學(xué)的一個(gè)分支，它使用數(shù)值方法和算法來解決和分析流體的行為。為了從CFD技術(shù)中受益，盡可能多地了解要模擬的實(shí)際問題（即流體的物理性質(zhì)、邊界條件以及其他變量）非常重要。此外，CFD 涉及設(shè)計(jì)要網(wǎng)格劃分的 CAD 模型，并最終求解其上的數(shù)學(xué)方程綱要，因?yàn)樗鼈兪墙鉀Q數(shù)值問題的基本工具。然而，CFD固有的一些缺點(diǎn)包括模型校準(zhǔn)（以確?？煽康慕Y(jié)果）、復(fù)雜的網(wǎng)格劃分和通常強(qiáng)大的CPU要求等。

1.3 模型的處理及簡(jiǎn)化

受計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，計(jì)算模型不可能完全模擬列出的真實(shí)情況，必須抓住主要矛盾對(duì)列車某些結(jié)構(gòu)尤其是座艙及前翼進(jìn)行簡(jiǎn)化。本次計(jì)算模型實(shí)施了以下簡(jiǎn)化措施：

（1）去掉進(jìn)氣格柵、前翼連桿及車底的一些細(xì)小設(shè)備；

（2）將多組前翼翼片簡(jiǎn)化為一片；

（3）運(yùn)行工況：忽略環(huán)境風(fēng)的影響，假設(shè)賽車在原為靜止的空氣中沿平直線路勻速、平穩(wěn)運(yùn)行、運(yùn)行速度在V=80m/s；

（4）忽略輪胎在不同溫度與倍耐力提供不同輪胎配方的工作性能得到模型見下圖2。

2 整體模型在不同速度下的fluent計(jì)算

2.1 計(jì)算前求解條件的設(shè)置

2.1.1 計(jì)算前的模型簡(jiǎn)化

本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用的80m/s 的賽車并去除模型中的一些圓角特征下圖為經(jīng)過簡(jiǎn)化處理后的流體域模型。

2.1.2 網(wǎng)格劃分

利用anasys自帶的網(wǎng)格劃分工具劃分20mm的網(wǎng)格。

2.1.3 求解器設(shè)置

在完成了網(wǎng)格、計(jì)算模型、材料和邊界條件的設(shè)置后，原則上就可以讓Fluent開始對(duì)賽車模型的外流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，但為了更好地控制求解過程，需要在求解器中進(jìn)行設(shè)置。

2.2 賽車在40m/s，60 m/s，80 m/s情況下的分析。

3 fluent計(jì)算結(jié)論分析

根據(jù)上文計(jì)算結(jié)果可以對(duì)F1的一些氣動(dòng)部件進(jìn)行說明研究。整車的氣動(dòng)阻力主要來自前輪，后輪，尾翼，如果整車前傾角度過大也會(huì)增大氣動(dòng)阻力。根據(jù)實(shí)際情況與分析結(jié)果車體側(cè)箱部分可能可以減少后輪阻力根據(jù)有關(guān)研究臺(tái)階流動(dòng)是十分有效的氣流控制手段，尤其是前向階梯，經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)，氣流仍然會(huì)在下游重新附著在車體上。圖3-2就論證了在翼片尾部利用前向臺(tái)階流增加下壓力的可能，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示這可以增加將近20%到30%的下壓力。

3.1 尾翼分析

由于底板的不可見，轉(zhuǎn)而首先進(jìn)行尾翼的分析。

Rear Beam Wing 相當(dāng)于是擴(kuò)散器的副翼進(jìn)一步提高擴(kuò)散器中的氣流上洗，Rear Profiles 為通常講的尾翼，根據(jù)數(shù)據(jù)分析其產(chǎn)生下壓力，同時(shí)其上洗效果也利于車底氣流的上洗與擴(kuò)張，并對(duì)車底低壓產(chǎn)生幫助。

尾翼也可以增加車后氣流上洗，幫助擴(kuò)散器。

尾翼的上方端板，會(huì)在尾翼兩側(cè)后方產(chǎn)生強(qiáng)渦，將車的尾流產(chǎn)生外洗且向上引導(dǎo)，但會(huì)導(dǎo)致對(duì)后車的干擾。在F1新規(guī)中就禁止了尾翼上方的端板這樣車的尾流將向內(nèi)收束，并減少 對(duì)后車的干擾。如圖8。

Rear Beam Wing也可視為擴(kuò)散器的二層翼片，提高擴(kuò)散器內(nèi)氣流的流速和擴(kuò)張比例。如下圖9 Rear Beam Wing。

3.2 鼻翼分析

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)鼻翼產(chǎn)生下壓力，并在下方產(chǎn)生低壓導(dǎo)致上方氣流內(nèi)洗。鼻翼的dive（端板外側(cè)的斜向上橫條）可以產(chǎn)生渦，并以此稍微減弱前后輪的流動(dòng)分離。如下圖3-4鼻翼端板分析。

3.3 前后輪附近分析

根據(jù)F1技術(shù)要求本次仿真使用的原型F1進(jìn)氣口在車輪內(nèi)測(cè)而出口設(shè)置在車輪外側(cè)，從而用散熱氣流在車輪外側(cè)流出并產(chǎn)生外洗。

3.4 分析總結(jié)

下圖10為計(jì)算所得阻力隨速度變化曲線。

根據(jù)上述分析影響F1賽車最重要的因素就是前鼻翼，這是決定通過車身上方，下方和其他部位如散熱器，后尾翼氣流的比例和方向的關(guān)鍵部件，并且除了分流前方的空氣之外，前鼻翼在操作上也扮演重要的角色，那就是產(chǎn)生下列來將前輪壓在地面上。

尾翼是f1賽車外觀上重要的一部分，尾翼的組合被當(dāng)前的比賽規(guī)則限制，通過調(diào)整前后翼的設(shè)置，車隊(duì)可以控制賽車的抓地力來配合不同的賽道特性及底盤本身所產(chǎn)生的定值的下壓力。理論上翼面角度越陡，產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)的拖動(dòng)阻力越大車速越高時(shí)對(duì)車輛產(chǎn)生的壓力就越大同時(shí)陡峭的翼面設(shè)置會(huì)降低賽車的速度表現(xiàn)及增加油耗。為了讓賽車在高速時(shí)產(chǎn)生的下壓力減小，通常使用單臂梁固定尾翼。

由于賽車高速時(shí)底盤過于接近地面而導(dǎo)致氣動(dòng)下壓力減小，賽車掛架使賽車上升，賽車上升又使氣動(dòng)下壓力上升，于是賽車又被壓向地面，由于過于接近地面導(dǎo)致氣動(dòng)下壓力又減少……，就這樣不斷地上下跳動(dòng)，俗稱賽車的海豚跳。

在高速時(shí)的不斷跳動(dòng)，尾翼采用單臂梁固定尾翼，采用相關(guān)特性材料可以使尾翼在高速時(shí)產(chǎn)生跳動(dòng)從而降低尾翼攻角，達(dá)到減小整體下壓力的目的。

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