流體力學(xué)工程應(yīng)用大學(xué)生方程式賽車空氣動力學(xué)應(yīng)用

流體力學(xué)工程應(yīng)用——大學(xué)生方程式賽車空氣動力學(xué)應(yīng)用-目錄1空氣動力學(xué)套件的設(shè)計011空氣動力學(xué)套件的設(shè)計11空氣動力學(xué)套件的設(shè)計1.1前鼻翼的設(shè)計鼻翼是賽車最先接近氣流的部件，它位于賽車的最前端，首要作用是疏導(dǎo)氣流，其次是兩片式設(shè)計的前鼻翼能夠?yàn)檐嚿硖峁┳銐虼蟮母街Σ⒛軌蚱交^渡氣流，因此，設(shè)計時采用兩片式前鼻翼考慮到賽車周圍的雷諾數(shù)比較低，設(shè)計時選用低雷諾數(shù)的低速翼型，得到雷諾數(shù)數(shù)值和所選翼型后，將其放在同一雷諾數(shù)中變化攻角的范圍進(jìn)行比較得出圖1和圖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°為主翼和襟翼的攻角1空氣動力學(xué)套件的設(shè)計1.2擴(kuò)散器的設(shè)計擴(kuò)散器安裝在賽車底部，它利用了文丘里管效應(yīng)，即氣流被壓縮在很小空間內(nèi)，后續(xù)進(jìn)入擴(kuò)散器后體積突然擴(kuò)大幾百倍，車輛高速度行駛時得不到外部空氣補(bǔ)充，就會導(dǎo)致空氣在擴(kuò)散器內(nèi)形成真空，從而形成壓差，提升下壓力，使輪胎有更好的抓地力，是很有效的空氣動力學(xué)部件對于擴(kuò)散器的設(shè)計需要關(guān)注更多，首先要確保擴(kuò)散器設(shè)計的曲率要同理論相符，若曲率過大就會導(dǎo)致氣流與擴(kuò)散器內(nèi)壁脫離，同時還可能出現(xiàn)渦流，而在出口處增加隔板能夠有效防止渦流的產(chǎn)生。以300mm的曲率差為間隔，能得到不同弧度下的下壓力和阻力的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明，弧度越大，提供的下壓力也越大1空氣動力學(xué)套件的設(shè)計1.3尾翼的設(shè)計因賽車尾翼安裝方式與機(jī)翼相反，通過對比分析，本設(shè)計采用組合翼的形式，包括三層翼板，最底層為主翼，主要起導(dǎo)流作用，中間和上邊的翼片為襟翼，襟翼角度及攻角逐漸增大。主翼和襟翼分別采用之前分析的升阻比最大時攻角為7°，它們之間的間隙定為10mm在尾翼兩側(cè)端板設(shè)計上，一方面要在主翼片上端的部位開設(shè)三條導(dǎo)流槽，目的是減少氣流對翼片的阻力和主翼片上大量氣流堆積形成的漩渦對翼片工作效率的影響；另一方面是在端板的下端也開三道槽，目的是減小賽車在轉(zhuǎn)彎時受到的空氣阻力1空氣動力學(xué)套件的設(shè)計2.基于空氣動力學(xué)套件的整車動力學(xué)模型整車流體仿真試驗(yàn)1整車流體仿真試驗(yàn)風(fēng)洞試驗(yàn)和計算流體力學(xué)是目前賽車空氣動力學(xué)設(shè)計開發(fā)中最主要的兩種方式。其中對于FSAE賽車而言,風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)計成本過高,資源占用量大,且試驗(yàn)受到地點(diǎn)的限制,導(dǎo)致開發(fā)周期過長。因此可以利用Fluent對整車空氣動力學(xué)套件進(jìn)行了流體仿真1空氣動力學(xué)套件的設(shè)計2升阻特性在整車參數(shù)匹配與計算過程中,通常需在多方面性能的綜合影響下確定平衡點(diǎn)。而對于賽車空氣動力學(xué)套件本身,設(shè)計的立足點(diǎn)為空氣動力學(xué)套件在與空氣的相對作用中可以產(chǎn)生盡可能高的負(fù)升力,同時產(chǎn)生盡可能少的阻力升阻特性可由氣動效率來描述,本研究中氣動效率用升阻比表示。升阻比定義為升力系數(shù)與阻力系數(shù)的比值,其中:L/D為升阻比;Cl為升力系數(shù);Cd為阻力系數(shù)。通過整車仿真試驗(yàn),可得不同車速下的整車升阻比變化情況1空氣動力學(xué)套件的設(shè)計3外流場仿真結(jié)果對比分析3.1三維外流場速度矢量圖對比賽車附近流場的速度矢量圖如圖5所示。從賽車頭部方框處可以看出，運(yùn)動中氣流首先遇到賽車車頭部頂點(diǎn)，在此處，氣流阻塞且流速降低。氣流從此處開始分成四部分流出，兩部分從車頭側(cè)面流出，一部分流向車頂，一部分流向車底。流向車頂部的氣流在車頭前部開始提速，在到達(dá)車頭后緣時分離1空氣動力學(xué)套件的設(shè)計從圖5(b)中能看到，在加裝空氣動力學(xué)套件后，氣流先經(jīng)過前翼，然后分成四部分，一部分經(jīng)過車頭流向駕駛艙，一部分經(jīng)過鼻翼繞開前輪流向后方，另一部分經(jīng)過鼻翼與車身的間隙順著車身側(cè)面流向水箱，達(dá)到降溫的目的；還有一部分直接從車底經(jīng)過擴(kuò)散器加速后流出。相比之下，加裝空氣動力學(xué)套件后的賽車對空氣動力學(xué)要求更為嚴(yán)格，在導(dǎo)流方面作用更突出，具有較好的空氣動力學(xué)性能3.2三維外流場壓力分布圖對比1空氣動力學(xué)套件的設(shè)計賽車車身及空氣動力學(xué)套件表面的壓力分布如圖6所示。通過分析未安裝空氣動力學(xué)套件賽車的壓力分布圖可以看出，賽車運(yùn)動中主要的壓力分布在賽車車身前端位置1、賽車輪胎位置2、賽車駕駛員3。從圖6中可以看出，在加裝空氣動力學(xué)套件后，賽車前輪的下壓力明顯減小，出現(xiàn)的壓強(qiáng)較大的部位分別是鼻翼、駕駛員、尾翼和輪胎由圖6可知，為了增加下壓力，尾翼與鼻翼處空氣阻力必然會增加，因此，只能在保證提高升力的情況下盡量降低阻力。通過兩幅云圖的對比可以發(fā)現(xiàn)，賽車的前輪表面都是高壓區(qū)域，而在鼻翼的導(dǎo)流作用下，加裝空氣動力學(xué)套件的賽車前輪前部的高壓區(qū)范圍明顯減少許多4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1空氣動力學(xué)套件的設(shè)計為了驗(yàn)證所建立的計算模型和分析結(jié)果的正確性，把設(shè)計分析的方案制成實(shí)物，運(yùn)用碳纖維材料，并采用抽真空的加工工藝制作空氣動力學(xué)套件"8"字繞環(huán)和高速避障是FSC大賽中兩個重要的動態(tài)比賽項(xiàng)目，也是空氣動力學(xué)套件影響較為顯著的項(xiàng)目。通過測定安裝空氣動力學(xué)套件后賽車完成兩個項(xiàng)目的時間來定性說明空氣動力學(xué)套件起到的關(guān)鍵作用通過測試可以看到，安裝空氣動力學(xué)套件后賽車表現(xiàn)有較大提升，在"8"字繞環(huán)項(xiàng)目中平均成績提高0.2s左右，而在高速避障中成績提升更加明顯，可以提升2s～3s。并通過計算得到的車手測試成績標(biāo)準(zhǔn)差可以發(fā)現(xiàn)，車手的駕駛穩(wěn)定性也得到了一定的提升1空氣動力學(xué)套件的設(shè)計5結(jié)論結(jié)合方程式賽車的具體情況，對前鼻翼、擴(kuò)散器和尾翼，并對建立的整車模型進(jìn)行了外流場分析。仿真分析結(jié)果表明，加裝空氣動力學(xué)套件后的賽車與之前相比，氣動升力系數(shù)提升，下壓力顯著增加，同時升阻大幅提高，氣動性能優(yōu)越，賽車在制動和轉(zhuǎn)彎時的穩(wěn)定性都有較大提高。最后，對兩個重要