摘    要

這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是優(yōu)化為超級(jí)運(yùn)動(dòng)用途而生產(chǎn)的車輛的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。主要目標(biāo)是通過細(xì)微改變來優(yōu)化行為，以尊重車輛整流罩的獨(dú)特形式，保持摩托車的可識(shí)別性，從而在空氣動(dòng)力學(xué)方面尋求最佳性能：通過這種方式，滿足了道路比賽的規(guī)則，例如世界超級(jí)摩托車錦標(biāo)賽，因?yàn)檎髡衷O(shè)備仍然與OEM設(shè)備非常相似。事實(shí)上，優(yōu)化是通過實(shí)現(xiàn)微小的變化和合適的空氣動(dòng)力學(xué)附件來實(shí)現(xiàn)的，這些附件可以在售后市場(chǎng)生產(chǎn)。

01  前    言

人們普遍認(rèn)為，一輛摩托車的“性格”可以在第一眼就確定下來，這是基于從它的美學(xué)中傳遞出來的本能感覺: 例如，一個(gè)大的擋風(fēng)玻璃可以讓人聯(lián)想到這輛摩托車的旅行用途，而細(xì)長(zhǎng)而緊湊的整流罩則會(huì)讓人聯(lián)想到運(yùn)動(dòng)或賽車用途。

一般來說，著名的制造商生產(chǎn)的公路摩托車和賽用摩托車具有相同的特點(diǎn):它們都配備了整流罩，并或多或少具有包圍件，外形賊啦炫酷。從非空氣動(dòng)力學(xué)的角度來看，我們經(jīng)常傾向于接受摩托車的“侵略性外觀”作為出色性能的保證。然而，可能發(fā)生的情況是，市場(chǎng)的需求決定了摩托車的風(fēng)格和設(shè)計(jì)，但空氣動(dòng)力學(xué)的需求卻與舒適性和性能聯(lián)系在一起。這就產(chǎn)生了矛盾。因此，不可避免地要進(jìn)行調(diào)和。留下更多的空間風(fēng)格，可能會(huì)損害空氣動(dòng)力學(xué)性能。這種選擇是可以理解的，因?yàn)闈撛谫I家無疑是被車車的外形所吸引，而空氣動(dòng)力學(xué)性能則停留在一個(gè)更抽象的水平。

這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是最大限度地提高空氣動(dòng)力學(xué)性能，同時(shí)保持摩托車的“審美識(shí)別”的紐帶。問題是:如何在不扭曲外觀的情況下改善摩托車系列的空氣動(dòng)力學(xué)?所有的空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試都在川崎ZX10R m.y. 2008上進(jìn)行，在意大利佩魯賈大學(xué)的風(fēng)洞設(shè)施中進(jìn)行。

02 空氣動(dòng)力學(xué)舒適性和美觀性

當(dāng)定義車輛的形狀時(shí)，必須考慮到美學(xué)在很大程度上影響著空氣動(dòng)力、舒適性、發(fā)動(dòng)機(jī)操作(散熱器效率)和安全性等重要方面。圖1a顯示了初步設(shè)計(jì)中不同方面之間存在的聯(lián)系。

圖1 摩托車發(fā)展中的空氣動(dòng)力學(xué)框架:(a)公路摩托車的發(fā)展(b)從賽用摩托車演變而來的公路摩托車的發(fā)展

美學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)之間的聯(lián)系是顯而易見的，因?yàn)檐囕v的形狀決定了流動(dòng)特性。此外，安全與空氣動(dòng)力學(xué)有關(guān)，因?yàn)榭諝鈩?dòng)力學(xué)影響著車輛在高速行駛時(shí)的方向慣性和穩(wěn)定性，以及摩托車—車手系統(tǒng)對(duì)側(cè)風(fēng)的敏感性。

摩托車制造商越來越關(guān)注空氣動(dòng)力學(xué)舒適性。公路和超級(jí)運(yùn)動(dòng)摩托車的空氣動(dòng)力學(xué)經(jīng)常被優(yōu)化以減少:頭盔的橫向振動(dòng)，振動(dòng)聲噪音，散熱器到騎手腿部的熱量傳遞。這意味著一個(gè)好的產(chǎn)品不僅僅是具有低CD·S值的摩托車(其中CD是阻力系數(shù)，S是車輛的前部面積)，而是在更廣泛的意義上，一個(gè)能夠平衡上述所有需求的產(chǎn)品。

相反，為了在體育比賽中取得最佳成績(jī)，為了獲得良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，在舒適性或美學(xué)方面可能涉及艱難的妥協(xié);為純賽車尋找最佳空氣動(dòng)力學(xué)性能與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法完全不同，并且由于缺乏上述約束，在某種程度上更容易處理。

03  空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化

摩托車在阻力方面的良好氣動(dòng)性能取決于其CD·S值，而CD·S值又由眾多參數(shù)決定。這些量的影響不是線性的，很難通過分析的方式確定:因此，在其他技術(shù)領(lǐng)域中通常執(zhí)行的“優(yōu)化過程”在這種情況下是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。在任何情況下，所涉及的主要元素如圖2所示。風(fēng)洞“優(yōu)化”通常是通過“手工”修改和測(cè)試不同的解決方案來進(jìn)行的。一般來說，這種類型的氣動(dòng)設(shè)計(jì)是通過在風(fēng)洞中通過改變曲率和/或輪廓的前/后緣，和/或通過添加/切割氣動(dòng)附件來開發(fā)模型的。這項(xiàng)工作采取的辦法分為三個(gè)階段:

?初步階段:通過經(jīng)典的空氣動(dòng)力學(xué)快速方法，如煙霧可視化等，確定了關(guān)鍵區(qū)域。這項(xiàng)研究是在整個(gè)車輛上進(jìn)行的，通過確定主要感興趣的區(qū)域，但在接下來的階段中，只測(cè)試了不太涉及外形變化的風(fēng)阻優(yōu)化方案;

?粗化階段:通過施加粗化變化進(jìn)行敏感性測(cè)試，以檢驗(yàn)優(yōu)化方案的適用性;

?收尾階段:在此階段，進(jìn)一步分析第一階段和第二階段中被認(rèn)為合適的任何變化，以增強(qiáng)效果，或通過完善結(jié)構(gòu)和美學(xué)方面。很明顯，騎手的存在也會(huì)影響車輛的空氣動(dòng)力學(xué)響應(yīng);他的位置決定了是否有顛簸：包括腳踏板上的“鴨腳”位置，“變形”的肘部等等，這些都會(huì)破壞空氣動(dòng)力學(xué)性能。

圖2 影響摩托車氣動(dòng)阻力的因素。

由于這些原因，決定排除騎手的影響，通過使用假人進(jìn)行所有的測(cè)試，假人的大小與騎手相同，在固定的位置，并安裝了騎手的設(shè)備。最后的測(cè)試是由一位真正的騎手進(jìn)行的。

圖3中所示的每個(gè)特性都會(huì)影響總阻力，這是要最小化的。兩個(gè)因素的乘積公式如下

（1）

RD是阻力[kg]， ρ是空氣密度，V是車輛/風(fēng)速。

為了最小化具有非常強(qiáng)的相互影響的兩個(gè)因素的乘積（1），通常采用不同的方法：實(shí)際上，可以單獨(dú)或一起處理CD和S的值。在這項(xiàng)工作中，決定通過在CD上工作來尋找更好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，即使通過修改某些部分也會(huì)對(duì)S產(chǎn)生一些間接影響。

04  風(fēng)洞

佩魯賈大學(xué)的設(shè)施還包括一個(gè)閉環(huán)配置的風(fēng)洞(圖3)。一個(gè)帶有11個(gè)葉片的碳纖維彎曲外殼的葉輪，可以將空氣加速到200公里/小時(shí)的最高速度。在每條曲線上都有固定的葉片來增強(qiáng)氣流模式。葉輪由375千瓦的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。就在測(cè)試室之前(大約2×2平方米的有效截面，圖4)，通過蜂窩結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)和減少流動(dòng)的湍流。通過匯聚管道進(jìn)入測(cè)試室進(jìn)一步加速氣流。

圖3 佩魯賈風(fēng)洞設(shè)施

圖4 風(fēng)洞特性測(cè)量(所有尺寸均以毫米為單位)

該風(fēng)洞對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)空氣條件都進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并與氣動(dòng)力進(jìn)行了關(guān)聯(lián);兩個(gè)皮托管監(jiān)測(cè)影響摩托車的空氣速度，而位于測(cè)試室內(nèi)的控制站提供有關(guān)靜態(tài)空氣壓力、溫度和相對(duì)濕度的數(shù)據(jù)。空氣動(dòng)力由四個(gè)雙軸測(cè)壓元件獲得，安裝在支撐車輛的框架下。支撐框架由三個(gè)層次構(gòu)成:底座、固定地面、頂板和傳遞力的三角形結(jié)構(gòu)。頂板模擬了地面空氣動(dòng)力學(xué)的效果。信號(hào)由美國國家儀器公司的卡采集，而后處理由作者在LabWiev環(huán)境中開發(fā)的軟件進(jìn)行，從收集的ρ、RD和V數(shù)據(jù)中評(píng)估每個(gè)測(cè)試配置的CD·S值。

05  空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用的摩托車是一個(gè)全比例模型。在固定輪和固定懸架的情況下進(jìn)行了測(cè)試。每次測(cè)試運(yùn)行耗時(shí)70秒，其中包括啟動(dòng)、數(shù)據(jù)收集和減速。測(cè)試分為三個(gè)步驟:

15秒提速，40秒勻速運(yùn)行，15秒減速。

大多數(shù)測(cè)試都是在160公里/小時(shí)的常規(guī)速度值下進(jìn)行的，至少重復(fù)運(yùn)行兩次。所有數(shù)量都以1 kHz的采樣率獲得，而所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)(圖5)是通過以1 Hz的頻率重新采樣獲得的。第一步測(cè)試摩托車的標(biāo)準(zhǔn)配置，作為整個(gè)工作的參考:假人躺在油箱上的摩托車、OEM整流罩、拆下的閃燈、后視鏡和車牌[7]。然后將注意力集中在飛行器內(nèi)外的空氣動(dòng)力學(xué)研究上。外部空氣動(dòng)力學(xué)通過對(duì)上、中、下整流罩和座罩前緣進(jìn)行優(yōu)化(圖6)。內(nèi)部空氣動(dòng)力學(xué)的影響分析主要針對(duì)冷卻系統(tǒng)。

圖6 整流罩表面狀況(羊毛簇，6a)和車輛周圍氣流狀況(煙霧法，6b)

圖7 可視化干預(yù)區(qū)域

將不同配置下得到的CD·S值歸一化為參考條件(表1-A)，如圖7所示，并繪制在圖9中。較低的整流罩沒有考慮到美學(xué)方面，因?yàn)樗皇悄ν熊嚿虾茱@眼的部分。新的下部整流罩更大更長(zhǎng)(表1-B)。改進(jìn)的方法是消除前燈上的凸起，并使上部整流罩在最先進(jìn)的區(qū)域變得更加流線型(表1-C)。正如預(yù)期的那樣，由于下轉(zhuǎn)向板下面的蓋板(表1-D)，得到了很大的改進(jìn)。它被開發(fā)為與整流罩分離的空氣動(dòng)力學(xué)附件。這些新的條件對(duì)于開發(fā)新的擋風(fēng)玻璃很有用(表1-E)。新的擋風(fēng)玻璃與OEM的尺寸相同，但其曲率現(xiàn)在更加明顯。中間整流罩被重新設(shè)計(jì)，以保持氣流更長(zhǎng)的附加到整流罩本身。該元件的發(fā)展是這樣進(jìn)行的:保持前緣在原來的位置，改變后緣的位置和形狀(I區(qū)-圖8)。最終獲得了一個(gè)良好的中間整流罩氣動(dòng)配置，新的前緣和一個(gè)能夠覆蓋騎手靴子的氣動(dòng)附件(表1-L)。

表1 風(fēng)洞氣動(dòng)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

其他小的改進(jìn)是修改座椅罩(表1-H)。它被重新設(shè)計(jì)以優(yōu)化騎手在摩托車上的座位方式;通過改變座椅平面后區(qū)域的曲率，改善了座椅整流罩的空氣動(dòng)力學(xué)特性。

上整流罩的橫向區(qū)域通過調(diào)整前區(qū)域的新空氣動(dòng)力學(xué)條件進(jìn)行了修改。工作的重點(diǎn)是后緣，這是摩托車的一個(gè)非?！懊舾小钡膮^(qū)域:圖9的F區(qū)表明，僅僅通過修改后緣的入射角就可以獲得約2%的增益。

最后一部分的工作是集中在內(nèi)部空氣動(dòng)力學(xué)。起初，散熱器是完全封閉的，結(jié)果與[1]基本一致，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)對(duì)總阻力的影響約為6%。然后，流線型的下降曲線應(yīng)用于分叉管(表1-M)。流線型的分叉管減少了作用在散熱器上的空氣動(dòng)力學(xué)陰影，導(dǎo)致該元素對(duì)總阻力的負(fù)面影響更高，但對(duì)散熱器抽氣器的仔細(xì)重新設(shè)計(jì)以及在散熱器后面插入新的空氣動(dòng)力學(xué)附件允許更好地提取中間整流罩的作用。這種改進(jìn)產(chǎn)生了總阻力的下降，這是叉管的下降輪廓和中間整流罩的新提取孔共同作用的結(jié)果(表1-N)。

在最后的測(cè)試中，由配置表1-0表示，假人由騎手Tamada Makoto先生取代:由非常專業(yè)的騎手承擔(dān)的合適位置允許阻力進(jìn)一步衰減約0.5%。

另外，將CD·S值提高約10%，可以在功耗方面節(jié)省大量資金。圖9顯示了運(yùn)行所需的功率減少值，作為速度的函數(shù)。不用于克服氣動(dòng)阻力的發(fā)動(dòng)機(jī)功率可以提高車速:在相同的駕駛員位置和相同的發(fā)動(dòng)機(jī)功率下，可以評(píng)估摩托車最大速度的提高約為12公里/小時(shí)。

圖8 CD·S百分比下降取決于在風(fēng)洞中進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù);根據(jù)表1和圖7，需要改進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)的區(qū)域用字母突出顯示

圖9 與初始配置(表1 - A)相比，最佳配置(表1-O)的氣動(dòng)阻力下降可獲得的加速功率增益

07  結(jié)    論

本文的重點(diǎn)是通過尋找空氣動(dòng)力學(xué)改進(jìn)，同時(shí)保持原始設(shè)備制造商模型的基本形狀和美學(xué)，以減少超級(jí)運(yùn)動(dòng)摩托車的阻力，以滿足世界超級(jí)摩托車錦標(biāo)賽的規(guī)定。這項(xiàng)任務(wù)與尋找最佳的空氣動(dòng)力學(xué)性能非常不同，后者可以通過研究上車架的形狀、油箱的形狀和發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何形狀來開發(fā)純賽車。

在這項(xiàng)工作中，對(duì)市場(chǎng)上一輛摩托車的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究和改進(jìn):這項(xiàng)研究的最終目標(biāo)是在不改變自車輛整體形狀的情況下，尋找CD·S的最小可實(shí)現(xiàn)值。通過設(shè)計(jì)和測(cè)試不同的解決方案，通過改變外部和內(nèi)部氣動(dòng)特性，氣動(dòng)性能得到了顯著改善。相對(duì)于OEM配置，CD·S下降了約10%。

所有提議的改變都得到了世界超級(jí)摩托車錦標(biāo)賽技術(shù)委員會(huì)的批準(zhǔn):采用新的整流罩和新的空氣動(dòng)力學(xué)附件，可以將賽道上測(cè)量的最大速度值從300公里/小時(shí)提高到315公里/小時(shí)。為了更好地理解觀測(cè)到的改進(jìn)背后的現(xiàn)象，未來的工作將通過三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析來進(jìn)行。