基于FSEC方程式賽車的整車壓力分布測(cè)定及尾翼優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于FSEC方程式賽車的尾翼優(yōu)化設(shè)計(jì)及整車壓力分布測(cè)定1.實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：（1）通過(guò)CFD模擬不同尾翼在流場(chǎng)的性能進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化。（2）通過(guò)Fluent進(jìn)行整車計(jì)算，得到壓力云圖與跡線圖進(jìn)行分析。2.實(shí)驗(yàn)原理：FSEC是中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽的簡(jiǎn)稱，是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽；各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年的時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動(dòng)、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(shí)驗(yàn)基于2017年上海工程技術(shù)大學(xué)銳獅電動(dòng)方程式賽車，在攻角優(yōu)化完成的情況下對(duì)于其尾翼進(jìn)行對(duì)比再優(yōu)化和整車流體分析。一般而言，方程式賽車的氣動(dòng)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?yàn)橘愐?guī)限制（車輪外露），另一方面是因?yàn)榉匠淌劫愜嚨南聣毫νǔ１茸枇χ匾?。因此在方程式賽車空氣?dòng)力學(xué)方面則需要良好的處理壓力與阻力的關(guān)系和氣流的流動(dòng)方向，進(jìn)而使賽車更有競(jìng)爭(zhēng)力。通常在方程式賽車行駛過(guò)程中，氣流最先達(dá)到前翼，前翼控制著空氣在賽車其余部位的流動(dòng)，同時(shí)起到提供下壓力和減小前輪氣動(dòng)阻力及引流的的作用；側(cè)翼則控制著側(cè)車身氣流方向，使整車在結(jié)構(gòu)上更加緊湊，同時(shí)減小了后輪的氣動(dòng)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(duì)于前翼與側(cè)翼的各種要求，尾翼的用途只有一個(gè)，即在盡可能減小氣動(dòng)阻力的情況下提供下壓力。對(duì)于尾翼來(lái)說(shuō)，想要獲得較高氣動(dòng)壓力的途徑有：增加升力翼表面積；增加升力翼弧度；通過(guò)翼型開(kāi)縫延遲氣流分離。對(duì)于方程式賽車，通常采用組合翼的形式。通過(guò)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?yàn)闅饬鹘?jīng)過(guò)兩翼間縫隙時(shí)，通過(guò)前方翼型尾部的導(dǎo)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(chǎn)生氣流分離。在尾翼設(shè)計(jì)中除了攻角的確定，其次便是翼片的組合與端板的設(shè)計(jì)；本實(shí)驗(yàn)在攻角確定的基礎(chǔ)上，分別在CATIA中完成三翼板、雙翼板、百葉三翼板的建模，對(duì)比不同翼數(shù)的性能比與同翼數(shù)下是否添加百葉結(jié)構(gòu)的性能比，得到尾翼最終設(shè)計(jì)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(dòng)屬于湍流。因而賽車空氣動(dòng)力學(xué)套件氣動(dòng)力的模擬屬于求解湍流流動(dòng)問(wèn)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(hào)的雷諾平均速度分量，為密度，p為壓強(qiáng)，：為脈動(dòng)速度，：匕為應(yīng)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(dòng)模擬，該模型包括湍流動(dòng)能方程和湍流耗散率方程。湍流動(dòng)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(yīng)力運(yùn)輸k-3模型，即SSTk-3模型:1(pfc)+二(pkui)=~\Tk學(xué)j+Gk-Fk+Sk^dtoxiaxj\oxjj+Geo—Yoj++Sux?(pw)+；+Geo—Yoj++Suxdtdxioxj\dxj/式中，為湍動(dòng)能k的生成項(xiàng)，為耗散率3的生成項(xiàng)；「k和「3分別為k和3的有效擴(kuò)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(kuò)散項(xiàng)；Sk和S3為自定義源項(xiàng)。該模型綜合了k-3模型在近壁區(qū)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)和k-￡模型在遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，將k-3和標(biāo)準(zhǔn)k-￡模型都乘以一個(gè)混合函數(shù)后再相加就得到這個(gè)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(jià)于k-3。在遠(yuǎn)離近壁面的區(qū)域混合值函數(shù)等于0因此自動(dòng)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)k-￡模型。與標(biāo)準(zhǔn)k-3相比,SSTk-3模型中增加了橫向耗散導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，同時(shí)在湍流粘度定義中考慮了湍流剪切應(yīng)力的運(yùn)輸過(guò)程，模型中使用的湍流常數(shù)也有所不同。這些特點(diǎn)使得SSTk-3模型的適用范圍更加廣泛，適用于翼型計(jì)算等。模擬中對(duì)尾翼附近的流動(dòng)特征、尾翼的下壓力和升阻比進(jìn)行分析，在完成尾翼計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行整合計(jì)算，得到整車分析數(shù)據(jù)。并且將最終優(yōu)化方案用于實(shí)車制造并進(jìn)行了實(shí)車性能測(cè)試。3.實(shí)驗(yàn)步驟:在尾翼攻角優(yōu)化完成的基礎(chǔ)上，在CATIA中進(jìn)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(jié)構(gòu)雙層三板翼（攻角同上），二板翼（攻角2°、34°），導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完成后導(dǎo)入Fluent進(jìn)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(qiáng)度:0.5%，湍流速率:4*計(jì)算域面積/計(jì)算域周長(zhǎng)，速度入口邊界，速度20m/s,湍流強(qiáng)度0.5%，湍流速率：4*計(jì)算域面積/計(jì)算域周長(zhǎng)，算法為二階迎風(fēng)SMPLE算法，迭代步數(shù)300步。

3.分析得出的各個(gè)結(jié)果，進(jìn)行優(yōu)化選擇，然后合并整車進(jìn)行分析，模擬實(shí)際賽車工況，導(dǎo)出壓力云圖與跡線圖。4.分析整車結(jié)果數(shù)據(jù)，得出設(shè)計(jì)結(jié)論與優(yōu)化結(jié)果。4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：20m/s下Fluent尾翼仿真結(jié)果：三板翼附加百葉結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dāng)尾翼由三翼板改為二翼板時(shí)，阻力和下壓力減小明顯，升阻比增長(zhǎng)明顯。但對(duì)于FSEC方程式賽車來(lái)說(shuō)，雖然較大的升阻比可以帶來(lái)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(shí)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(shè)計(jì)；對(duì)于附加百葉結(jié)構(gòu)的尾翼裝置，可以看出端板承壓的明顯改善，但考慮到對(duì)加工復(fù)雜性及升阻比效益的平橫，在增加加工難度的同時(shí)所帶來(lái)的性能提升效益不理想，因此決定舍棄附加百葉結(jié)構(gòu)方案，即尾翼最終采用三板翼設(shè)計(jì)。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(shí)，經(jīng)過(guò)分析優(yōu)化后，尾翼采用雙層三翼板設(shè)計(jì)，分底層主翼、中層襟翼、頂層襟翼，底層主翼起導(dǎo)流作用，引導(dǎo)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(shí)由分析結(jié)果可知，分析結(jié)果表明，三翼片組合良好，風(fēng)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(shí)保證了足夠的下壓力。且車身主要處于壓力較低的范圍內(nèi)，說(shuō)明該車行駛過(guò)程中車身部分所受阻力較小，符合預(yù)求設(shè)計(jì)目標(biāo)。P^lhlmesColoredtwPflfflicleID33k+05Eflft+CE2t3iWEI霸曲黑國(guó)h￡i&?k4￡MP^lhlmesColoredtwPflfflicleID33k+05Eflft+CE2t3iWEI霸曲黑國(guó)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(cè)車身引導(dǎo)作用使氣流向兩側(cè)漸開(kāi)流動(dòng)并快速導(dǎo)向車身后方，減少了脫體渦的形成。前翼導(dǎo)流作用明顯，符合預(yù)求的設(shè)計(jì)目標(biāo)。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(chǎn)生的紊流；三層尾翼的設(shè)計(jì)使氣流能夠更加貼合后方翼型，未出現(xiàn)分離現(xiàn)象，說(shuō)明攻角設(shè)置較好。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)論:通過(guò)模擬分析不同尾翼在流場(chǎng)中的性能，綜合加工效益和性能效益，最終確定了尾翼的設(shè)計(jì)方案，即三板翼設(shè)計(jì)（攻角2°、34°54°）；合并至整車并進(jìn)行外流場(chǎng)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(shí)由實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jié)構(gòu)之后，可有效平衡翼尖附近的氣壓，防止渦輪的產(chǎn)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(jié)構(gòu)方面還需要進(jìn)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(guò)程中，前后壓力較為平衡，車周流場(chǎng)良好，氣流引導(dǎo)作用明顯，空氣動(dòng)力學(xué)套件性能較好，能夠在復(fù)雜多變的賽道中保證該車的穩(wěn)定性和過(guò)彎性。但車頭正壓區(qū)面積仍有優(yōu)化空間，側(cè)翼作用不夠明顯，后期還需單獨(dú)分析?？傊?，通過(guò)本次尾翼優(yōu)化分析和整車壓力分布測(cè)定，得到了整車空氣動(dòng)力學(xué)特性信息，對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)起到了引導(dǎo)作用，提高了設(shè)計(jì)可靠性，對(duì)之后的設(shè)計(jì)也起到對(duì)比依據(jù)，符合設(shè)計(jì)-優(yōu)化-再設(shè)計(jì)的理念。［參考文獻(xiàn)］［1］傅立敏?汽車設(shè)計(jì)與空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京?機(jī)械工業(yè)出版社，2010：1-25［2］傅立敏?汽車流場(chǎng)及尾部渦系數(shù)模擬［J］.吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2000,30（2）［3］鄭力銘.ANASYSFluent15.0流體計(jì)算從入門到精通［M］.電子工業(yè)出版社，2016：112-146［4］紀(jì)兵兵，陳金瓶.ANASYSICEMCFD網(wǎng)格劃分技術(shù)實(shí)例詳解［M］.中國(guó)水利