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采用主動翼概念的賽車空氣動力學分析
2022-01-16 16:03:02· 來源：AutoAero
摘要在高速賽車中，空氣動力學是決定賽車性能和穩(wěn)定性的一個重要方面，主要受前后翼的影響。主動空氣動力學包括任何類型的可移動機翼元件，可以根據(jù)車輛的操作條
摘要
在高速賽車中，空氣動力學是決定賽車性能和穩(wěn)定性的一個重要方面，主要受前后翼的影響。主動空氣動力學包括任何類型的可移動機翼元件，可以根據(jù)車輛的操作條件改變其位置，以獲得更好的性能和操縱性能。本工作主要針對賽車原型車的前后翼進行設(shè)計。前、后翼的設(shè)計采用了高下壓力翼型。利用CFD工具，在沒有機翼的基準模型上進行了一次氣動分析。為了進行研究，考慮的參數(shù)是在60、80、100和120公里/小時的不同測試速度下，前、后翼的迎角在0-18°范圍內(nèi)。利用ANSYS Fluent軟件進行了仿真。仿真結(jié)果表明，車輛性能和操縱參數(shù)均有明顯改善。為了驗證結(jié)果，制作了一個比例模型原型，并在風洞中進行了試驗。
關(guān)鍵詞
主動空氣動力學，機翼，迎角，賽車
緒論
在賽車中，空氣動力學一直是一個很有影響力的課題，它的目的是在不增加實際質(zhì)量的情況下，最大化車輛的下壓力以增加牽引力。最初的賽車主要是為了達到最高速度而設(shè)計的，其基本目標是減少空氣阻力。然而，在高速行駛時，車輛會產(chǎn)生升力。為了提高操控性和穩(wěn)定性，安裝了能產(chǎn)生負升力的倒置機翼，即下壓力。賽車一直在不斷的進化，通過幾種不同的方式來提高賽車的空氣動力學性能。這項工作特別涉及賽車的主動翼概念。根據(jù)車速條件，以減小阻力、增加下壓力為目標，進行數(shù)值分析，找出最佳的前后翼迎角組合。
數(shù)值分析
車輛的選擇與建模
本研究選擇一輛Formula SAE SUPRA賽車。所有車輛的數(shù)據(jù)規(guī)格已收集為開發(fā)的前翼和后翼。該模型經(jīng)過幾何清理，以簡化復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和汽車的小細節(jié)，如叉骨，發(fā)動機等。以無翼賽車的氣動力為基準條件
表 1 汽車的外形尺寸
為了進行簡單的流動分析，我們考慮了以下幾點:
?忽略了汽車的小細節(jié)和擠壓部件。
?駕駛員身體和發(fā)動機艙室已經(jīng)簡化。
?假設(shè)汽車以恒定的速度行駛。
?道路、墻是固定的。
?忽略車輪運動的影響
圖 1 三維CAD基準模型和機翼模型
三維CAD模型采用SOLIDWORKS工具進行建模。不同的機翼配置被建模并組裝在主基線車身上。在本研究中，使用了單元件的前、后翼。在60、80、100和120公里/小時的不同測試速度下，前、后翼迎角在0-18°范圍內(nèi)變化3°每級。倒置NACA4412型因其高下壓力特性而廣泛應(yīng)用于賽車機翼?？紤]到機翼外形、執(zhí)行包裝約束的競賽規(guī)則和汽車的氣動力平衡，計算了機翼組件的跨度和弦長。
圖 2 機翼尺寸
仿真模擬
利用ANSYSWorkbench工具進行仿真?？紤]0.7縱橫比和4%堵塞比，選擇22米長× 8.3米寬× 5.8米高的計算流體域尺寸，如圖3所示。采用ANSYS網(wǎng)格分析軟件對汽車外殼進行網(wǎng)格生成。選擇接近型網(wǎng)格。網(wǎng)格的細化采用了本體尺寸和表面尺寸特征。此外，箱體的細化也用于車身附近，以精細捕捉汽車附近的氣流流動。對模型生成非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，如圖4所示。模擬時，所采用的邊界條件如表2所示。
圖 3 計算域尺寸
圖 4 計算域網(wǎng)格和車體體網(wǎng)格
表 2 Fluent的設(shè)置和邊界條件
結(jié)果和討論
基準模型分析
利用ANSYS的CFD后處理模塊，對汽車周圍的流動特性進行了分析。如圖5所示，不同車段的壓力和速度等值線有助于識別高壓力點和尾跡區(qū)域的范圍。當空氣在前方與車輛接觸時，速度變?yōu)榱悖虼?，產(chǎn)生的壓力很高。這一點被認為是駐點。隨著空氣進一步流過前鼻翼部分，氣流仍然附著在駕駛艙的開始部分。座艙后幾何形狀的突然改變導致了氣流的分離。流量被駕駛?cè)藛T和周圍結(jié)構(gòu)阻礙，導致回流很小。尾流區(qū)在緊靠主環(huán)箍的后面形成?？諝鈴奈擦鲄^(qū)域的車頂和車底涌出，形成小漩渦。車輪產(chǎn)生壓力阻力，因為他們阻塞了相當大的流量。在四個車輪上均觀察到車輪前側(cè)的滯止點和車輪后的尾跡區(qū)。叉骨連桿由于其較小的正面尺寸，對阻力的貢獻較小。在80 km / h時，阻力系數(shù)和升力系數(shù)分別為0.370和0.044。
圖 5 80km/h基準模型對稱面壓力和速度等值線圖
帶翼轎車分析
在進一步的CFD分析中，將前翼和后翼添加到基準汽車模型中。在60、80、100和120公里/小時的不同測試速度下，前、后翼迎角在0-18°范圍內(nèi)變化3°每級。阻力和升力系數(shù)計算，分別對前和后翼的每個速度進行機選。
整車阻力分析結(jié)果表明，對于較低的前后翼AOA，其Cd值低于基準模型。隨著AOA的增大，Cd值也隨之增大，最高可達0.546。在高AOA時，由于前緣投影面積的增加，機翼產(chǎn)生的阻力貢獻增大。因此，也得到了較高的下壓力值。因此，Cd值和Cl值之間有一定的關(guān)聯(lián)性。然而，在合并了前翼和后翼后，總負升力是在汽車上方獲得的。與無機翼的基準模型相比，倒置機翼在各種AOA和速度組合下都能提供下壓力。倒翼是唯一負責下壓力的部件。對于高下壓力，汽車也必須承受高阻力。然而，一個最佳的組合是可以降低Cd并且提供高下壓力。
為了表示Cd相對于AOA參數(shù)的性質(zhì)，將Cd相對于前AOA和后AOA的圖形繪制成如圖6所示的3D圖形。
流動的本質(zhì)上的機翼模型幾乎是類似的基線模型上的前鼻翼截面和駕駛艙區(qū)域。壓力和速度等值線圖如圖7所示。然而，與基準模型不同的是，來自前翼的空氣首先打擊前翼。在前翼的幫助下，空氣流動被引導到整個汽車的上方。因此，前方的AOA在決定整輛車的阻力方面起著重要的作用。尾翼被放置在主箍后面的區(qū)域。撞擊后翼后的氣流在發(fā)動機室上方的主要尾流區(qū)被改變方向。端板有助于引導機翼上方的空氣，并將葉尖損失降至最低。主環(huán)箍后的再循環(huán)區(qū)域與基準模型相似。
圖 6 Cd與AOA在60公里/小時的三維表示
圖 7 對稱處的壓力和速度輪廓
討論分析
比較了不同速度下基準模型和機翼模型的Cd值?？梢杂^察到，在60公里每小時的速度下，8.64%的Cd降低是通過使用表3中提到的機翼組合實現(xiàn)的。同樣，80公里/小時的速度降低了8.85%，100公里/小時的速度降低了11.94%，Cd降低了9.23%。
表 3 前后翼迎角篩選后結(jié)果
在不同的速度下，對于AOA高達180的機翼，負升力系數(shù)可高達0.68。此外，阻力系數(shù)值可高達0.55的高AOA。因此，Cd與Cl始終是一種權(quán)衡。
表 4 Cd值的比較
實驗檢驗
采用1:30比例的基準模型和機翼模型(12°前AOA和9°后AOA)進行風洞試驗，比較仿真結(jié)果。3D打印技術(shù)用于快速成型。采用尼龍2200材料的選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)進行3D打印模型。
圖 8 基準模型和機翼模型的比例模型
風洞測試
試驗在開式風洞上進行，試驗截面尺寸為300mm × 300mm，長度為1000mm。風洞有3.0馬力的感應(yīng)電機。最大風速可達30米/秒。風洞試驗是在80公里/小時的模型上進行的。風洞試驗得到的阻力系數(shù)值為0.380。
結(jié)論
采用前后翼相結(jié)合的方法對賽車進行了氣動分析。此外，汽車上方氣流的性質(zhì)被可視化和研究。與基線模型相比，采用仿真方法的機翼模型由單元素的前、后機翼組成，Cd降低了約10%。約-0.35的升力系數(shù)為實現(xiàn)后合并車翼。研制了主動系統(tǒng)理想翼面AOA角參考表。按比例模型進行風洞試驗，結(jié)果表明相關(guān)性在10%以內(nèi)
定義
AOA-攻角 Cd-阻力系數(shù) Cl-升力系數(shù)
文章來源：P Bhanushali, P., Agrewale, M.R., and Vora, K.,“Aerodynamic Analysis of Race Car Using Active Wing Concept,”SAE Technical Paper 2019-28-2395, 2019,doi:10.4271/2019-28-2395.
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