基于FSEC方程式赛车的整车压力分布测定及尾翼优化设计
- 格式：docx
- 大小：801.03 KB
- 文档页数：6
基于FSEC方程式赛车的尾翼优化设计及整车压力分布测定1.实验目标：
（1）通过CFD模拟不同尾翼在流场的性能进行对比优化。
（2）通过Fluent进行整车计算，得到压力云图与迹线图进行分析。
2.实验原理：
FSEC是中国大学生电动方程式大赛的简称，是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛；各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操纵性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车。
本实验基于2017年上海工程技术大学锐狮电动方程式赛车，在攻角优化完成的情况下对于其尾翼进行对比再优化和整车流体分析。
一般而言，方程式赛车的气动阻力系数在0.7-1.0之间，是目前乘用车的二至四倍。
其中一方面因为赛规限制（车轮外露），另一方面是因为方程式赛车的下压力通常比阻力重要。
因此在方程式赛车空气动力学方面则需要良好的处理压力与阻力的关系和气流的流动方向，进而使赛车更有竞争力。
通常在方程式赛车行驶过程中，气流最先达到前翼，前翼控制着空气在赛车其余部位的流动，同时起到提供下压力和减小前轮气动阻力及引流的的作用；侧翼则控制着侧车身气流方向，使整车在结构上更加紧凑，同时减小了后轮的气动阻力，增加了重心处的下压力，使赛车操纵更加平稳；尾翼为赛车后部提供下压力，它占全部下压力的20%-25%。
相对于前翼与侧翼的各种要求，尾翼的用途只有一个，即在尽可能减小气动阻力的情况下提供下压力。
对于尾翼来说，想要获得较高气动压力的途径有：增加升力翼表面积；增加升力翼弧度；通过翼型开缝延迟气流分离。
对于方程式赛车，通常采用组合翼的形式。
通过翼型叠加能够获得更大的翼型攻角，升力系数也随之增加，这是因为气流经过两翼间缝隙时，通过前方翼型尾部的导流作用，使气流方向能够更加贴合后方翼型，因此后方翼型可以获得比前方翼型更大的攻角而不产生气流分离。
在尾翼设计中除了攻角的确定，其次便是翼片的组合与端板的设计；本实验在攻角确定的基础上，分别在CATIA中完成三翼板、双翼板、百叶三翼板的建模，对比不同翼数的性能比与同翼数下是否添加百叶结构的性能比，得到尾翼最终设计方案。
由于赛车车速一般在100km/h，空气密度变化不大，可以近似看成是常数，因此尾翼周围空气为不可压缩流体，根据雷诺理论，流动属于湍流。
因而赛车空气动力学套件气动力的模拟属于求解湍流流动问题，采用的控制方程为三维不可压缩的雷诺平均连续方程和雷诺平均N-S方程，即
其中表示略去平均符号的雷诺平均速度分量，为密度，p为压强，为
脉动速度，为应力张量分量。
[
湍流模型采用Realizable к-ε模型，该模型有利于代表各种不同尺度涡间能量谱的传递，可以有效的用于不同类型的流动模拟，该模型包括湍流动能方程和湍流耗散率方程。
湍流动能方程为：
湍流耗散方程为：
湍流模型选择剪切应力运输k-ω模型，即SST k-ω模型：
式中，为湍动能k的生成项，为耗散率ω的生成项；Γk和Γω分别为k和ω的有效扩散系数；Yk和Yω为由于紊流引起的k和ω的耗散；D ω为交叉扩散项；Sk和Sω为自定义源项。
该模型综合了k-ω模型在近壁区计算的优点和k-ε模型在远场计算的优
点，将k-ω和标准k-ε模型都乘以一个混合函数后再相加就得到这个模型。
在近壁区，混合函数的数值等于1，因此在近壁区等价于k-ω。
在远离近壁
面的区域混合值函数等于0，因此自动转化为标准k-ε模型。
与标准k-ω相
比，SST k-ω模型中增加了横向耗散导数项，同时在湍流粘度定义中考虑了湍流剪切应力的运输过程，模型中使用的湍流常数也有所不同。
这些特点使得SST k-ω模型的适用范围更加广泛，适用于翼型计算等。
模拟中对尾翼附近的流动特征、尾翼的下压力和升阻比进行分析，在完成尾翼计优化的基础上，进行整合计算，得到整车分析数据。
并且将最终优化方案用于实车制造并进行了实车性能测试。
3.实验步骤:
1．在尾翼攻角优化完成的基础上，在CATIA中进行不同尾翼形式建模，分别建立双层三板翼（攻角2°、34°54°），附加百叶结构双层三板翼（攻角同上），二板翼(攻角2°、34°)，导入ICEM中进行网格划分，采用非结构网格。
2. 网格划分完成后导入Fluent进行分析，选择湍流模型为k-ω，SST模型，
材料选择为空气，边界条件:压力出口边界，湍流强度:0.5%，湍流速率：4*计算域面积/计算域周长，速度入口边界，速度20m/s, 湍流强度0.5%，湍流速率：4*计算域面积/计算域周长，算法为二阶迎风SMPLE算法，迭代步数300步。
3. 分析得出的各个结果，进行优化选择，然后合并整车进行分析，模拟实际
赛车工况，导出压力云图与迹线图。
4. 分析整车结果数据，得出设计结论与优化结果。
4.实验结果与分析：
20m/s下Fluent尾翼仿真结果：
（1）20m/s下三板翼压力云图
（2）20m/s下附加百叶结构三板翼压力云图
（3）20m/s下二板翼压力云图
由(1)和（2）可知，在端板添加百叶结构之后，中层襟翼与顶层襟翼压力有所减小，端板阻力减小，升阻比有较小上升；由（1）和（3）可得当尾翼由三翼板改为二翼板时，阻力和下压力减小明显，升阻比增长明显。
但对于FSEC方程式赛车来说，虽然较大的升阻比可以带来较好的性能效益，但是尾翼的下压力更加重要，它可以有效平衡前后压力差，减少整车压差阻力，同时给赛车提供良好的操纵性及稳定性，因此我们便舍弃掉下压力不足的二板翼设计；对于附加百叶结构的尾翼装置，可以看出端板承压的明显改善，但考虑到对加工复杂性及升阻比效益的平横，在增加加工难度的同时所带来的性能提升效益不理想，因此决定舍弃附加百叶结构方案，即尾翼最终采用三板翼设计。
整车压力云图
由压力云图可知，前翼和尾翼均为为高压区，且尾部压力较大，有效平衡了前后压力差，降低了压差阻力，整车升阻比3.11，保证了该车的抓地力，极大提高了操纵性能。
同时，经过分析优化后，尾翼采用双层三翼板设计，分底层主翼、中层襟翼、顶层襟翼，底层主翼起导流作用，引导气流流向贴合顶层翼的吸力面，使顶层翼在较大攻角下吸力面气流不发生分离，同时由分析结果可知，分析结果表明，三翼片组合良好，风压中心适中，上翼面为
高压区，下翼面为低压区，上下翼面压差明显，气流在下方很好的贴合翼片，减少了尾部拖拽涡的形成，同时保证了足够的下压力。
且车身主要处于压力较低的范围内，说明该车行驶过程中车身部分所受阻力较小，符合预求设计目标。
整车迹线图
由迹线图可知，整车流线型良好，仅在车轮后方及车身尾部形成较大涡流，由于侧车身引导作用使气流向两侧渐开流动并快速导向车身后方，减少了脱体涡的形成。
前翼导流作用明显，符合预求的设计目标。
前翼中间隔板有效划分了干扰气流和干净气流，有效降低了前轮产生的紊流；三层尾翼的设计使气流能够更加贴合后方翼型，未出现分离现象，说明攻角设置较好。
5.实验结论:
通过模拟分析不同尾翼在流场中的性能，综合加工效益和性能效益，最终确定了尾翼的设计方案，即三板翼设计（攻角2°、34°54°）；合并至整车并进行外流场分析，得到压力云图与迹线图；由压力云图及迹线图可知，尾翼所提供的下压力明显，且尾部气流良好，大大减轻了压差阻力和涡流阻力，提高了整车的驾驶性能。
同时由实验可得，二板翼较三板翼有较大的升阻比，但相同攻角下下压力明显不足，由于方程式赛车对于下压力的需求大于减阻，因此尾翼用三板翼甚至多板翼较为良好。
端板在添加百叶结构之后，可有效平衡翼尖附近的气压，防止涡轮的产生，一定程度上减小了阻力，但也损失了一部分下压力，因此百叶结构方面还需要进一步正交优化得到匹配且效益较高的方案。
由CFD数据可知，在赛车行驶过程中，前后压力较为平衡，车周流场良好，气流引导作用明显，空气动力学套件性能较好，能够在复杂多变的赛道中保证该车的稳定性和过弯性。
但车头正压区面积仍有优化空间，侧翼作用不够明显，后期还需单独分析。
总之，通过本次尾翼优化分析和整车压力分布测定，得到了整车空气动力学特性信息，对空气动力学套件的设计起到了引导作用，提高了设计可靠性，对之后的设计也起到对比依据，符合设计-优化-再设计的理念。
[参考文献]
[1]傅立敏.汽车设计与空气动力学[M].北京.机械工业出版社，2010：1-25
[2]傅立敏.汽车流场及尾部涡系数模拟[J].吉林工业大学自然科学学报，2000,30（2）
[3]郑力铭.ANASYS Fluent15.0流体计算从入门到精通[M].电子工业出版社，2016：112-146
[4]纪兵兵，陈金瓶.ANASYS ICEM CFD网格划分技术实例详解[M].中国水利水电出版社，2016
69-96
[5]王福军.计算流体动力学分析[M]清华大学出版社，2004:185-253
[6] 姜乐华，谷正气，黄天泽.空气动力性优化对未来汽车外形设计的影响[J].汽车研究与开发，
1997,（5）：26-27
[7] 曾飞云,万得. SC 赛车空气动力学特性研究[D]：辽宁工业大学，2014
[8] 李翠萍，李建华，张绍龙等．基于CFD的FSAE赛车车身优化设计[J]．机械设计2014，31(8)：71—73。
