方程式赛车空气动力学套件设计及分析.pdf
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1、第2 0 期AUTOMOBILE APPLIED TECHNOLOGY设i计研究10.16638/ki.1671-7988.2023.020.014方程式赛车空气动力学套件设计及分析徐添桦,张奋浩,李泽轩,张春花(广州城市理工学院汽车与交通工程学院,广东广州510 8 0 0)摘要:空气动力学套件为方程式赛车行驶中提供可靠下压力的同时起到整理乱流作用,文章基于计算流体力学对空气动力学套件进行设计分析。利用有限元的方法计算襟翼不同攻角时产生的影响、分析不同网格模型所带来的效益及对方程式赛车整车空气动力学套件优化设计。发现对于部分翼型而言使用Poly-Hexcore网格模型计算时长最低、所带来的效
2、益最佳。分析得出尾翼气流涡产生的原因并通过布置尾翼缺口进行处理。文章以高气动性能为目标对方程式赛车空气动力学套件进行设计并阐明优化流程,为整车空套设计提供理论基础。关键词:中国大学生方程式系列赛事;下压力;空气动力学套件;仿真分析中图分类号:U463.1Design and Analysis of Aerodynamic Package for Formula RacingXU Tianhua,ZHANG Fenhao,LI Zexuan,ZHANG Chunhua(School of Automotive and Transportation Engineering,Guangzhou Ci
3、ty University of Technology,Guangzhou 510800,China)Abstract:The aerodynamic package provides reliable downforce for formula racing while alsoplaying a role in tidying up turbulence.This article analyzes the design of the aerodynamic packagebased on computational fluid dynamics.The finite element met
4、hod is used to calculate the impact offlaps at different angles of attack,analyze the benefits of different grid models,and optimize thedesign of the aerodynamic package for formula racing vehicles.It is found that using thePoly-Hexcore grid model has the lowest computational time and the best benef
5、its for some airfoils.The causes of tail vortex generation are analyzed and dealt with by arranging tail gaps.This articleaims to design the aerodynamic package for formula racing with the goal of high aerodynamicperformance and illustrates the optimization process,providing a theoretical basis for
6、the design ofthe vehicles empty jacket.Keywords:Formula student China;Downforce;Aerodynamic package;Simulation analysis中国大学生方程式系列赛事(Formula Student作者简介:徐添桦(2 0 0 1一),男,研究方向为计算流体力学,E-mail:。通信作者:张春花(198 3一),女,硕士,讲师,研究方向为计算流体力学,E-mail:。文献标识码:A文章编号:16 7 1-7 98 8(2 0 2 3)2 0-7 1-0 6China,FSC)是由高等院校汽车工程或汽
7、车相关专72业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则在规定时间内自行设计和制造出一辆符合要求的方程式赛车1-2。空气动力学套件运用到了赛车上,如前翼、尾翼、扩散器、侧边扩散器等以提高车辆行驶过程中的稳定性和操控性3。工程技术人员对方程式赛车空气动力学套件进行了大量的研究,具体可归结如下。张劫4基于计算流体力学的方程式赛车的流场分析,综合因素增设了前扰流板翼片,纵倾力矩得到较大改善;邓召文等5通过对比分析赛车车辆周围气流的压力分布和速度分布规律,研究高速赛车的负升力效果;杨勇等6 对大学生方程式汽车大赛(Formula Society of Automotive Engin
8、eers,FSAE)赛车底盘尾流扩散器进行设计,并且分析测得设计扩散器后的赛车气动升力系数C从原车的0.39 1下降到-0.37 1,气动阻力系数Ca由0.58 9变为0.58 3;周涛等7 对赛车首先使用曲面翼设计理念,结合翼形分析软件Profili与XFOIL,进行详细的翼型选型与攻角确定,确定了新型减阻翼;王玮等8 建立二维流场,根据Fluent得出最大攻角以及翼片的相对位置,从而设计符合需求空气动力学套件;李嘉寅等9使用数值累进法和控制变量法的优化方法,发现了其负升力和的升阻比分别提高8 1%和91%;王丰元等10 提出了FSAE赛车的整车设计方案,为赛车的设计提供了较多的思路;柏秋阳
9、等基于雷诺平均湍流方程并结合Realizablek-流模型,建立三维FSAE赛车外流场计算模型,运用正交实验设计方法,考虑各套件间的交互作用,分析了不同套件组合对赛车空气动力学性能的影响,得出了影响程度为定风翼前鼻翼扩散器的比较;PALANIVENDHAN等2 设计了整流罩并通过ANSYS Fluent研究了外部流场。1方程式赛车整车与计算模型如图1(a)所示,对车架、悬架、轮边、电机、电池和电控等部件进行简化处理。在此还要保证翼型型号NACA6412升力系数-6.835 5232.1 前翼设计主翼变截面考虑到侧扩的进气冷却电机需求,将距离赛车中轴线2 8 0 mm至450 mm的区域抬高,让
10、更多气流可以通过该区域进入侧边扩散器。在翼展的两端采用相切上翘,通过减少地面汽车实用技术建模要有至少超过3mm的厚度来保证网格划分的密度和质量,对翼片的尾缘、端板和轮胎接地处对应进行不同程度的倒角或圆角处理,最终得到简化后的网格模型及相应坐标系设定如图1(b)所示。(a)赛车整车外形图(b)赛车网格划分情况图1方程式赛车整车图示及网格划分2方程式赛空气动力学套件组成及设计在2 0 2 2 版大学生方程式汽车大赛规则2 的要求下,目前国内主流的空气动力学套件布局形式由前定风翼、侧边扩散器、地板扩散器和后定风翼组成,统称为一级负升力装置,还有whisker、涡流发生器、格尼襟翼等辅助一级负升力装置
11、的称为二级负升力装置。符合赛事规则的范围内,主翼片的型号受限。在组合其他分翼的搭配前提下,在速度为14m/s,厚度为50 mm中选出升力系数较高的6 种翼型进行升力系数(下压力)对比,如表1所示。选出采用升力系数较高的S1223和CH10分别作为前翼主翼翼型、尾翼主翼翼型进行设计;选出升力系数较高的NACA6412型号进行网格模型分析。表1不同型号翼型对比NACA6409AH79-5.960 225-5.627295效应的低压从而减少端板外的压差,并通过减少外部常压气流越过端板、增加了主翼下表面的压强从而减少下压力。较薄翼型在有限空间下发挥最佳的组合翼搭配,经过对比最终采用12 0 mm,弦长
12、外侧30,2023年Z1XCH10S1223-6.665 208-6.719 905GOE441-5.330 476 2第2 0 期内侧17 攻角的变截面翼作为一级襟翼;90 mm弦长,外侧50,2 6 攻角的变截面翼作为二级襟翼。内侧襟翼目的是减小侧扩与尾翼前方来流的上洗从而减小了攻角对降低了尾翼和侧扩的工作效率;外侧襟翼大攻角目的是使气流有效绕开前轮,减小暴露在空气中轮胎滚动所产生的空气阻力。前翼总成如图2 所示。5231一变截面主翼;2 一一级襟翼;3一二级襟翼;4一外侧端板;5一内侧固定端板。图2 前翼总成2.2尾翼设计在尾翼翼型的选择方面,主翼选择大多车队所使用的CH10型号,襟翼仍
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