流体力学工程应用大学生方程式赛车空气动力学应用

流体力学工程应用——大学生方程式赛车空气动力学应用-目录1空气动力学套件的设计011空气动力学套件的设计11空气动力学套件的设计1.1前鼻翼的设计鼻翼是赛车最先接近气流的部件，它位于赛车的最前端，首要作用是疏导气流，其次是两片式设计的前鼻翼能够为车身提供足够大的附着力并能够平滑过渡气流，因此，设计时采用两片式前鼻翼考虑到赛车周围的雷诺数比较低，设计时选用低雷诺数的低速翼型，得到雷诺数数值和所选翼型后，将其放在同一雷诺数中变化攻角的范围进行比较得出图1和图2，可知升力最大在12°左右，阻力最大在-2°左右，而升阻比在7°左右最大。因此，采用7°为主翼和襟翼的攻角1空气动力学套件的设计1.2扩散器的设计扩散器安装在赛车底部，它利用了文丘里管效应，即气流被压缩在很小空间内，后续进入扩散器后体积突然扩大几百倍，车辆高速度行驶时得不到外部空气补充，就会导致空气在扩散器内形成真空，从而形成压差，提升下压力，使轮胎有更好的抓地力，是很有效的空气动力学部件对于扩散器的设计需要关注更多，首先要确保扩散器设计的曲率要同理论相符，若曲率过大就会导致气流与扩散器内壁脱离，同时还可能出现涡流，而在出口处增加隔板能够有效防止涡流的产生。以300mm的曲率差为间隔，能得到不同弧度下的下压力和阻力的对应关系，结果表明，弧度越大，提供的下压力也越大1空气动力学套件的设计1.3尾翼的设计因赛车尾翼安装方式与机翼相反，通过对比分析，本设计采用组合翼的形式，包括三层翼板，最底层为主翼，主要起导流作用，中间和上边的翼片为襟翼，襟翼角度及攻角逐渐增大。主翼和襟翼分别采用之前分析的升阻比最大时攻角为7°，它们之间的间隙定为10mm在尾翼两侧端板设计上，一方面要在主翼片上端的部位开设三条导流槽，目的是减少气流对翼片的阻力和主翼片上大量气流堆积形成的漩涡对翼片工作效率的影响；另一方面是在端板的下端也开三道槽，目的是减小赛车在转弯时受到的空气阻力1空气动力学套件的设计2.基于空气动力学套件的整车动力学模型整车流体仿真试验1整车流体仿真试验风洞试验和计算流体力学是目前赛车空气动力学设计开发中最主要的两种方式。其中对于FSAE赛车而言,风洞试验设计成本过高,资源占用量大,且试验受到地点的限制,导致开发周期过长。因此可以利用Fluent对整车空气动力学套件进行了流体仿真1空气动力学套件的设计2升阻特性在整车参数匹配与计算过程中,通常需在多方面性能的综合影响下确定平衡点。而对于赛车空气动力学套件本身,设计的立足点为空气动力学套件在与空气的相对作用中可以产生尽可能高的负升力,同时产生尽可能少的阻力升阻特性可由气动效率来描述,本研究中气动效率用升阻比表示。升阻比定义为升力系数与阻力系数的比值,其中:L/D为升阻比;Cl为升力系数;Cd为阻力系数。通过整车仿真试验,可得不同车速下的整车升阻比变化情况1空气动力学套件的设计3外流场仿真结果对比分析3.1三维外流场速度矢量图对比赛车附近流场的速度矢量图如图5所示。从赛车头部方框处可以看出，运动中气流首先遇到赛车车头部顶点，在此处，气流阻塞且流速降低。气流从此处开始分成四部分流出，两部分从车头侧面流出，一部分流向车顶，一部分流向车底。流向车顶部的气流在车头前部开始提速，在到达车头后缘时分离1空气动力学套件的设计从图5(b)中能看到，在加装空气动力学套件后，气流先经过前翼，然后分成四部分，一部分经过车头流向驾驶舱，一部分经过鼻翼绕开前轮流向后方，另一部分经过鼻翼与车身的间隙顺着车身侧面流向水箱，达到降温的目的；还有一部分直接从车底经过扩散器加速后流出。相比之下，加装空气动力学套件后的赛车对空气动力学要求更为严格，在导流方面作用更突出，具有较好的空气动力学性能3.2三维外流场压力分布图对比1空气动力学套件的设计赛车车身及空气动力学套件表面的压力分布如图6所示。通过分析未安装空气动力学套件赛车的压力分布图可以看出，赛车运动中主要的压力分布在赛车车身前端位置1、赛车轮胎位置2、赛车驾驶员3。从图6中可以看出，在加装空气动力学套件后，赛车前轮的下压力明显减小，出现的压强较大的部位分别是鼻翼、驾驶员、尾翼和轮胎由图6可知，为了增加下压力，尾翼与鼻翼处空气阻力必然会增加，因此，只能在保证提高升力的情况下尽量降低阻力。通过两幅云图的对比可以发现，赛车的前轮表面都是高压区域，而在鼻翼的导流作用下，加装空气动力学套件的赛车前轮前部的高压区范围明显减少许多4实验验证1空气动力学套件的设计为了验证所建立的计算模型和分析结果的正确性，把设计分析的方案制成实物，运用碳纤维材料，并采用抽真空的加工工艺制作空气动力学套件"8"字绕环和高速避障是FSC大赛中两个重要的动态比赛项目，也是空气动力学套件影响较为显著的项目。通过测定安装空气动力学套件后赛车完成两个项目的时间来定性说明空气动力学套件起到的关键作用通过测试可以看到，安装空气动力学套件后赛车表现有较大提升，在"8"字绕环项目中平均成绩提高0.2s左右，而在高速避障中成绩提升更加明显，可以提升2s～3s。并通过计算得到的车手测试成绩标准差可以发现，车手的驾驶稳定性也得到了一定的提升1空气动力学套件的设计5结论结合方程式赛车的具体情况，对前鼻翼、扩散器和尾翼，并对建立的整车模型进行了外流场分析。仿真分析结果表明，加装空气动力学套件后的赛车与之前相比，气动升力系数提升，下压力显著增加，同时升阻大幅提高，气动性能优越，赛车在制动和转弯时的稳定性都有较大提高。最后，对两个重要