基于FSEC方程式賽車的整車壓力分布測定及尾翼優(yōu)化設計

基于FSEC方程式賽車的尾翼優(yōu)化設計及整車壓力分布測定1.實驗目標：（1）通過CFD模擬不同尾翼在流場的性能進行對比優(yōu)化。（2）通過Fluent進行整車計算，得到壓力云圖與跡線圖進行分析。2.實驗原理：FSEC是中國大學生電動方程式大賽的簡稱，是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業(yè)在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽；各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，在一年的時間內自行設計和制造出一輛在加速、制動、操縱性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車。本實驗基于2017年上海工程技術大學銳獅電動方程式賽車，在攻角優(yōu)化完成的情況下對于其尾翼進行對比再優(yōu)化和整車流體分析。一般而言，方程式賽車的氣動阻力系數(shù)在0.7-1.0之間，是目前乘用車的二至四倍。其中一方面因為賽規(guī)限制（車輪外露），另一方面是因為方程式賽車的下壓力通常比阻力重要。因此在方程式賽車空氣動力學方面則需要良好的處理壓力與阻力的關系和氣流的流動方向，進而使賽車更有競爭力。通常在方程式賽車行駛過程中，氣流最先達到前翼，前翼控制著空氣在賽車其余部位的流動，同時起到提供下壓力和減小前輪氣動阻力及引流的的作用；側翼則控制著側車身氣流方向，使整車在結構上更加緊湊，同時減小了后輪的氣動阻力，增加了重心處的下壓力，使賽車操縱更加平穩(wěn)；尾翼為賽車后部提供下壓力，它占全部下壓力的20%-25%。相對于前翼與側翼的各種要求，尾翼的用途只有一個，即在盡可能減小氣動阻力的情況下提供下壓力。對于尾翼來說，想要獲得較高氣動壓力的途徑有：增加升力翼表面積；增加升力翼弧度；通過翼型開縫延遲氣流分離。對于方程式賽車，通常采用組合翼的形式。通過翼型疊加能夠獲得更大的翼型攻角，升力系數(shù)也隨之增加，這是因為氣流經(jīng)過兩翼間縫隙時，通過前方翼型尾部的導流作用，使氣流方向能夠更加貼合后方翼型，因此后方翼型可以獲得比前方翼型更大的攻角而不產生氣流分離。在尾翼設計中除了攻角的確定，其次便是翼片的組合與端板的設計；本實驗在攻角確定的基礎上，分別在CATIA中完成三翼板、雙翼板、百葉三翼板的建模，對比不同翼數(shù)的性能比與同翼數(shù)下是否添加百葉結構的性能比，得到尾翼最終設計方案。由于賽車車速一般在100km/h,空氣密度變化不大，可以近似看成是常數(shù),因此尾翼周圍空氣為不可壓縮流體，根據(jù)雷諾理論，流動屬于湍流。因而賽車空氣動力學套件氣動力的模擬屬于求解湍流流動問題，采用的控制方程為三維不可壓縮的雷諾平均連續(xù)方程和雷諾平均N-S方程，即售伽｝+壽（p艸卜-魯+箸+磊（-??.:?;）其中山表示略去平均符號的雷諾平均速度分量，為密度，p為壓強，：為脈動速度，：匕為應力張量分量。［

湍流模型采用Realizablek-￡模型，該模型有利于代表各種不同尺度渦間能量譜的傳遞，可以有效的用于不同類型的流動模擬，該模型包括湍流動能方程和湍流耗散率方程。湍流動能方程為：湍流耗散方程為:湍流耗散方程為:g4-pClS^g4-pClS^一pC2―+Cis二C^Gb+E

k*Vv?札dxjL湍流模型選擇剪切應力運輸k-3模型，即SSTk-3模型:1(pfc)+二(pkui)=~\Tk學j+Gk-Fk+Sk^dtoxiaxj\oxjj+Geo—Yoj++Sux?(pw)+；+Geo—Yoj++Suxdtdxioxj\dxj/式中，為湍動能k的生成項，為耗散率3的生成項；「k和「3分別為k和3的有效擴散系數(shù)；Yk和Y3為由于紊流引起的k和3的耗散；D3為交叉擴散項；Sk和S3為自定義源項。該模型綜合了k-3模型在近壁區(qū)計算的優(yōu)點和k-￡模型在遠場計算的優(yōu)點，將k-3和標準k-￡模型都乘以一個混合函數(shù)后再相加就得到這個模型。在近壁區(qū)，混合函數(shù)的數(shù)值等于1,因此在近壁區(qū)等價于k-3。在遠離近壁面的區(qū)域混合值函數(shù)等于0因此自動轉化為標準k-￡模型。與標準k-3相比,SSTk-3模型中增加了橫向耗散導數(shù)項，同時在湍流粘度定義中考慮了湍流剪切應力的運輸過程，模型中使用的湍流常數(shù)也有所不同。這些特點使得SSTk-3模型的適用范圍更加廣泛，適用于翼型計算等。模擬中對尾翼附近的流動特征、尾翼的下壓力和升阻比進行分析，在完成尾翼計優(yōu)化的基礎上，進行整合計算，得到整車分析數(shù)據(jù)。并且將最終優(yōu)化方案用于實車制造并進行了實車性能測試。3.實驗步驟:在尾翼攻角優(yōu)化完成的基礎上，在CATIA中進行不同尾翼形式建模，分別建立雙層三板翼（攻角2°、34°54°），附加百葉結構雙層三板翼（攻角同上），二板翼（攻角2°、34°），導入ICEM中進行網(wǎng)格劃分，采用非結構網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完成后導入Fluent進行分析，選擇湍流模型為k-oSST模型，材料選擇為空氣，邊界條件:壓力出口邊界，湍流強度:0.5%，湍流速率:4*計算域面積/計算域周長，速度入口邊界，速度20m/s,湍流強度0.5%，湍流速率：4*計算域面積/計算域周長，算法為二階迎風SMPLE算法，迭代步數(shù)300步。

3.分析得出的各個結果，進行優(yōu)化選擇，然后合并整車進行分析，模擬實際賽車工況，導出壓力云圖與跡線圖。4.分析整車結果數(shù)據(jù)，得出設計結論與優(yōu)化結果。4.實驗結果與分析：20m/s下Fluent尾翼仿真結果：三板翼附加百葉結構三梅翼二板翼//Lt力力阻71

S*1)20m/s下三板翼壓力云圖二p//Lt力力阻71

S*1)20m/s下三板翼壓力云圖二p二二Y::鳥二Q二二二二忙..:霍::^.;:二厲工C跑■拒flsSw:ftw-sjip刃硼幗FldMi忡I2)20m/s下附加百葉結構三板翼壓力云圖ITMCFF'-O-耳I■召ITMCFF'-O-耳I■召3）20m/s下二板翼壓力云圖由（1）和（2）可知，在端板添加百葉結構之后，中層襟翼與頂層襟翼壓力有所減小，端板阻力減小，升阻比有較小上升；由（1）和（3）可得當尾翼由三翼板改為二翼板時，阻力和下壓力減小明顯，升阻比增長明顯。但對于FSEC方程式賽車來說，雖然較大的升阻比可以帶來較好的性能效益，但是尾翼的下壓力更加重要，它可以有效平衡前后壓力差，減少整車壓差阻力，同時給賽車提供良好的操縱性及穩(wěn)定性，因此我們便舍棄掉下壓力不足的二板翼設計；對于附加百葉結構的尾翼裝置，可以看出端板承壓的明顯改善，但考慮到對加工復雜性及升阻比效益的平橫，在增加加工難度的同時所帶來的性能提升效益不理想，因此決定舍棄附加百葉結構方案，即尾翼最終采用三板翼設計。整車壓力云圖整車壓力云圖由壓力云圖可知，前翼和尾翼均為為高壓區(qū)，且尾部壓力較大，有效平衡了前后壓力差，降低了壓差阻力，整車升阻比3.11，保證了該車的抓地力，極大提高了操縱性能。同時，經(jīng)過分析優(yōu)化后，尾翼采用雙層三翼板設計，分底層主翼、中層襟翼、頂層襟翼，底層主翼起導流作用，引導氣流流向貼合頂層翼的吸力面，使頂層翼在較大攻角下吸力面氣流不發(fā)生分離，同時由分析結果可知，分析結果表明，三翼片組合良好，風壓中心適中，上翼面為高壓區(qū)，下翼面為低壓區(qū)，上下翼面壓差明顯，氣流在下方很好的貼合翼片，減少了尾部拖拽渦的形成，同時保證了足夠的下壓力。且車身主要處于壓力較低的范圍內，說明該車行駛過程中車身部分所受阻力較小，符合預求設計目標。P^lhlmesColoredtwPflfflicleID33k+05Eflft+CE2t3iWEI霸曲黑國h￡i&?k4￡MP^lhlmesColoredtwPflfflicleID33k+05Eflft+CE2t3iWEI霸曲黑國h￡i&?k4￡Mg尊ZUKM整車跡線圖由跡線圖可知，整車流線型良好，僅在車輪后方及車身尾部形成較大渦流，由于側車身引導作用使氣流向兩側漸開流動并快速導向車身后方，減少了脫體渦的形成。前翼導流作用明顯，符合預求的設計目標。前翼中間隔板有效劃分了干擾氣流和干凈氣流，有效降低了前輪產生的紊流；三層尾翼的設計使氣流能夠更加貼合后方翼型，未出現(xiàn)分離現(xiàn)象，說明攻角設置較好。5.實驗結論:通過模擬分析不同尾翼在流場中的性能，綜合加工效益和性能效益，最終確定了尾翼的設計方案，即三板翼設計（攻角2°、34°54°）；合并至整車并進行外流場分析，得到壓力云圖與跡線圖；由壓力云圖及跡線圖可知，尾翼所提供的下壓力明顯，且尾部氣流良好，大大減輕了壓差阻力和渦流阻力，提高了整車的駕駛性能。同時由實驗可得，二板翼較三板翼有較大的升阻比，但相同攻角下下壓力明顯不足，由于方程式賽車對于下壓力的需求大于減阻，因此尾翼用三板翼甚至多板翼較為良好。端板在添加百葉結構之后，可有效平衡翼尖附近的氣壓，防止渦輪的產生，一定程度上減小了阻力，但也損失了一部分下壓力，因此百葉結構方面還需要進一步正交優(yōu)化得到匹配且效益較高的方案。由CFD數(shù)據(jù)可知，在賽車行駛過程中，前后壓力較為平衡，車周流場良好，氣流引導作用明顯，空氣動力學套件性能較好，能夠在復雜多變的賽道中保證該車的穩(wěn)定性和過彎性。但車頭正壓區(qū)面積仍有優(yōu)化空間，側翼作用不夠明顯，后期還需單獨分析?？傊ㄟ^本次尾翼優(yōu)化分析和整車壓力分布測定，得到了整車空氣動力學特性信息，對空氣動力學套件的設計起到了引導作用，提高了設計可靠性，對之后的設計也起到對比依據(jù)，符合設計-優(yōu)化-再設計的理念。［參考文獻］［1］傅立敏?汽車設計與空氣動力學［M］.北京?機械工業(yè)出版社，2010：1-25［2］傅立敏?汽車流場及尾部渦系數(shù)模擬［J］.吉林工業(yè)大學自然科學學報，2000,30（2）［3］鄭力銘.ANASYSFluent15.0流體計算從入門到精通［M］.電子工業(yè)出版社，2016：112-146［4］紀兵兵，陳金瓶.ANASYSICEMCFD網(wǎng)格劃分技術實例詳解［M］.中國水利