畢業(yè)設(shè)計(jì)—汽車外流場(chǎng)分析研究

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)</p><p>　　作 者： 學(xué) 號(hào)： </p><p>　　學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 </p><p>　　系(專業(yè))： 車輛工程

2、 </p><p>　　題 目： 汽車外流場(chǎng)分析研究 </p><p>　　2015 年 6 月 8 日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要</p><p><b>　　目 錄</

3、b></p><p>　　1 緒論……………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 研究背景及意義……………………………………………………………1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r……………………………………………………………2</p><p>　　1.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容……

4、…………………………………………………4</p><p>　　2 汽車外流場(chǎng)分析的理論基礎(chǔ)…………………………………………………5 </p><p>　　2.1 引言 ………………………………………………………………………5</p><p>　　2.2 氣動(dòng)力 ……………………………………………………………………5</p><p>

5、　　2.3 負(fù)升力產(chǎn)生原理 ……………………………………………………6</p><p>　　2.4 負(fù)升力與操縱穩(wěn)定性………………………………………………………7</p><p>　　2.5 空氣動(dòng)力學(xué)套件……………………………………………………………7</p><p>　　2.6 流體數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)………………………………………………11</p&

6、gt;<p>　　3 賽車外流場(chǎng)分析……………………………………………………………15</p><p>　　3.1 賽車車身模型的建立及簡(jiǎn)化………………………………………………15</p><p>　　3.2 劃分網(wǎng)格…………………………………………………………………16</p><p>　　3.3 邊界條件的設(shè)定……………………………………

7、……………………17</p><p>　　3.4 FLUENT計(jì)算結(jié)果…………………………………………………………19</p><p>　　3.5 賽車仿真結(jié)果分析…………………………………………………………19</p><p>　　4 空氣動(dòng)力學(xué)套件方案確定…………………………………………………23</p><p>　　4.1 前翼的

8、設(shè)計(jì)………………………………………………………………23</p><p>　　4.2 尾翼的設(shè)計(jì)………………………………………………………………26</p><p>　　5 加裝動(dòng)力學(xué)套件后賽車仿真結(jié)果分析………………………………………29</p><p>　　5.1賽車模型的建立……………………………………………………………29</p><

9、p>　　5.2賽車仿真結(jié)果分析……………………………………………………29</p><p>　　結(jié)論……………………………………………………………………………33</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………34</p><p>　　致謝………………………………………………………………………………35</p>

10、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 研究背景及意義</p><p>　　隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車的外部造型和氣動(dòng)特性受到了越來(lái)越多的關(guān)注和重視。汽車的性能在很大程度上受汽車氣動(dòng)力的影響，尤其對(duì)于高速行駛的汽車，氣動(dòng)力對(duì)其性能的影響是非常大的，因此汽車高速、安全行駛的必要前提之一就是具有良好的空氣動(dòng)力性能。因此，在汽車

11、的開(kāi)發(fā)中，對(duì)汽車空氣動(dòng)力性能的研究越來(lái)越得到汽車制造商的重視。</p><p>　　空氣動(dòng)力是來(lái)自于汽車外部的約束，其研究成果不僅直接影響著汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、安全性、操縱性、舒適性等，還會(huì)間接地影響汽車的外觀及審美的流行趨勢(shì)[1]。汽車行駛時(shí)所受的空氣作用力可以被分解為阻力、升力、側(cè)向力、橫擺氣動(dòng)力矩、縱傾氣動(dòng)力矩、側(cè)傾氣動(dòng)力矩六個(gè)分量[2]。在這六個(gè)分量中，汽車空氣阻力所消耗的動(dòng)力和滾動(dòng)摩擦所消

12、耗的動(dòng)力是大小相當(dāng)?shù)?，因此氣?dòng)阻力系數(shù)就成為了衡量汽車空氣動(dòng)力性能的最基本的一個(gè)參數(shù)，也就是說(shuō)如何降低汽車的空氣阻力系數(shù)成為汽車空氣動(dòng)力學(xué)最重要的一項(xiàng)研究?jī)?nèi)容。減小汽車行駛時(shí)的空氣阻力最常用的方法包括減少汽車的迎風(fēng)面積和空氣的阻力系數(shù)，通常來(lái)說(shuō)，汽車的體積大小決定了汽車迎風(fēng)面積的大小，車身外部造型決定空氣阻力的大小。因此，將汽車車身緊湊化和流線形化是改善汽車氣動(dòng)性能最主要的兩種方法。若汽車的氣動(dòng)造型不合適，在汽車在高速行駛的時(shí)候，所受升

13、力的作用可能會(huì)使得汽車輪胎的附著力減小而導(dǎo)致打滑，而側(cè)向氣動(dòng)力還特別容易引起汽車的跑偏，使得汽車的操縱穩(wěn)定性有所下降[3]。不同的氣動(dòng)造型會(huì)給車身帶來(lái)不同的氣動(dòng)力效應(yīng)，從而影響到汽車的各項(xiàng)行駛性能。良好的氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)應(yīng)該具有較小</p><p>　　舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)，分析氣動(dòng)阻力的基本組成成份可知，壓差阻力大約占總阻力的85%，其余15%則來(lái)自于摩擦阻力。在壓差阻力中，根據(jù)車尾結(jié)構(gòu)的不同前后壓差分配有所不同，但一般

14、而言，其中百分之十來(lái)自于車身前端，而高達(dá)九成來(lái)自車身的尾部。所以說(shuō)壓差阻力是汽車氣動(dòng)阻力的主要成分，而汽車尾流的形態(tài)和結(jié)構(gòu)對(duì)壓差阻力有非常大的影響。從氣動(dòng)阻 力的產(chǎn)生機(jī)理來(lái)看，它是由形 阻和渦阻構(gòu)成，渦阻占40% 左右，主要來(lái)自于汽車的尾渦[6]。大量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論分析結(jié)果表明，在基本流場(chǎng)為定常的情況下，對(duì)流動(dòng)施加一定的擾動(dòng)，可以使已經(jīng)分離的氣流再附著，從而可以控制尾流[7]。因此，給汽車安裝一個(gè)合適的擾流板，就可以改善汽車尾流的結(jié)構(gòu)和

15、形態(tài)，這樣就可以有效地減小汽車的氣動(dòng)升力和誘導(dǎo)阻力，從而改善汽車的空氣動(dòng)力特性。</p><p>　　測(cè)試氣動(dòng)阻力系數(shù)的方法主要有三種：風(fēng)洞試驗(yàn)法、功率平衡法和數(shù)值計(jì)算法[8]。由于汽車的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)車身空氣動(dòng)力性能有非常好的預(yù)測(cè)性，所以風(fēng)洞試驗(yàn)已經(jīng)是汽車設(shè)計(jì)中非常重要的流程之一，但是它也有流程復(fù)雜、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)等明顯缺點(diǎn)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)高速發(fā)展和湍流理論的不斷完善，用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬風(fēng)洞試驗(yàn)已經(jīng)成為了可

16、能，基于CFD的汽車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)中開(kāi)始發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。由于數(shù)值計(jì)算方法具有效率高、成本低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，從而得以迅速地發(fā)展。如今汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始廣泛地運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)即Computational Fluid Dynamics，也就是CFD進(jìn)行流體的數(shù)值模擬。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　從二十世紀(jì)六十年代以來(lái)，歐美

17、等一些發(fā)達(dá)國(guó)家的CFD技術(shù)得到迅速發(fā)展。最初航空飛行器的設(shè)計(jì)方法有費(fèi)時(shí)、造價(jià)高、所得信息量有限等不足，CFD的應(yīng)用使得原型機(jī)減少，費(fèi)用降低、周期變短、實(shí)驗(yàn)效果理想，因此CFD的發(fā)展得到了巨大的推動(dòng)。目前國(guó)外用CFD對(duì)航空、汽車等領(lǐng)域產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化已經(jīng)成為必經(jīng)的步驟和重要手段[9]。</p><p>　　如今隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，在越來(lái)越多的汽車設(shè)計(jì)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用。近些年以來(lái)，歐洲、美國(guó)、

18、日本的一些汽車廠家已經(jīng)開(kāi)始致力于開(kāi)發(fā)和利用 CFD 技術(shù)，并且已經(jīng)取得了非常多的科研成果。在八十年代初期，計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用還僅局限于對(duì)車身的基本形狀的模擬，但最近隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，包括后視鏡、復(fù)雜地板、車輪等復(fù)雜汽車部件都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)模擬仿真。在精度方面，計(jì)算精度誤差已經(jīng)可以降到5%以內(nèi)[10]。</p><p>　　可視化技術(shù)已經(jīng)大量地應(yīng)用在計(jì)算流體力學(xué)的結(jié)果分析之中，這些可視化技術(shù)可以應(yīng)用和顯示在軟

19、件之中[11]，如圖1.1。因?yàn)橛?jì)算所得到的數(shù)據(jù)是非常龐大的，計(jì)算機(jī)可以運(yùn)用可視化技術(shù)將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為圖形或動(dòng)畫，這十分有利于研究人員對(duì)數(shù)據(jù)的分析和理解。</p><p>　　德國(guó)大眾汽車公司、德國(guó)戴姆勒一奔馳公司、瑞典沃爾沃汽車公司、意大利菲亞特Richerche技術(shù)中心、日本三菱公司等應(yīng)用自編程序或商業(yè)化軟件對(duì)汽車外流場(chǎng)卓有成效地進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，總結(jié)了很多計(jì)算模擬經(jīng)驗(yàn)。逐步認(rèn)識(shí)到數(shù)值仿真在汽車車身設(shè)計(jì)中的

20、重要性。</p><p>　　圖1.1 CFD可視化技術(shù)</p><p>　　國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)汽車的能力比較低，并且長(zhǎng)期以來(lái)，一直是在模仿或者直接引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)，最開(kāi)始的時(shí)候主要是采用縮尺模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)對(duì)于汽車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬的研究則是從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始的，許多研究院借鑒以前在航空、造船方面的經(jīng)驗(yàn)，比較成功地運(yùn)用二維和三維的方式模擬了汽車的外流場(chǎng)。但是對(duì)模型劃分的網(wǎng) 格 數(shù) 目

21、比較少，計(jì)算的結(jié)果和精度都只相當(dāng)于國(guó)外20世紀(jì)80年代初期水平。目前，采用CFD軟件進(jìn)行日常的設(shè)計(jì)和分析已經(jīng)成為許多企業(yè)非常重要的流程之一。并且隨著CFD技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)很多的高校和研究院也對(duì)計(jì)算流體力學(xué)加大了研究力度。</p><p>　　1.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容</p><p>　　本文以河北工業(yè)大學(xué)AREI賽車為研究對(duì)象，通過(guò)CATIA建立賽車的三維模型，應(yīng)用ICEM軟件做模

22、型的前處理工作，即進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分，通過(guò)FLUENT進(jìn)行CFD模擬計(jì)算以及后期分析工作。先后對(duì)賽車的初始模型和安裝空套的模型進(jìn)行CFD 數(shù)值計(jì)算，研究賽車車身整體的壓力分布、賽車對(duì)稱面速度分布、整車外流場(chǎng)情況以及賽車側(cè)艙、前翼、尾翼等局部外流場(chǎng)情況，最后得到賽車的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力值。將兩次模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。具體步驟如下：</p><p>　　運(yùn)用CATIA建立賽車的三維幾何模型；</p><

23、;p>　　運(yùn)用ICEM做為前處理軟件，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分；</p><p>　　通過(guò)FLUENT進(jìn)行計(jì)算模擬，分析車身外部流場(chǎng)的情況；</p><p>　　設(shè)計(jì)符合賽車氣動(dòng)要求的前翼和尾翼；</p><p>　　把設(shè)計(jì)好的前翼和尾翼跟原賽車模型進(jìn)行裝配；</p><p>　　用同樣的方法對(duì)新模型進(jìn)行計(jì)算模擬，分析車身外部流場(chǎng)的情況；&

24、lt;/p><p>　　將兩次的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比并得出結(jié)論。</p><p>　　2 汽車外流場(chǎng)分析的理論基礎(chǔ)</p><p><b>　　2.1 引言</b></p><p>　　汽車外流場(chǎng)分析涉及汽車車身造型、空氣動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)模擬仿真等領(lǐng)域。主要應(yīng)用的理論包括空氣動(dòng)力學(xué)和流體數(shù)值模擬理論兩部分。具體包括汽車氣動(dòng)力、

25、負(fù)升力產(chǎn)生原理、負(fù)升力對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響、負(fù)升力翼的設(shè)計(jì)原理、湍流模型理論及數(shù)值計(jì)算方法等。</p><p><b>　　2.2 氣動(dòng)力</b></p><p>　　如圖2.1所示，作用在賽車上的氣動(dòng)力可分為氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力、氣動(dòng)側(cè)向力。氣動(dòng)阻力的方向是平行于賽車行駛方向指向車后方（x 軸方向）；氣動(dòng)側(cè)向力是賽車y 軸方向的力；氣動(dòng)升力是垂直于地面向上的力（z 軸

26、方向），當(dāng)然，下壓力就是-z軸方向的力。賽車在強(qiáng)側(cè)風(fēng)工況中行駛時(shí)，氣動(dòng)側(cè)向力不能忽略，但為了簡(jiǎn)化研究，一般都認(rèn)為賽車車速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于側(cè)風(fēng)速度，因此可以忽略氣動(dòng)側(cè)向力帶來(lái)的影響。</p><p>　　圖2.1 賽車氣動(dòng)力示意圖</p><p>　　定義氣動(dòng)阻力Fd為：</p><p><b>　　2.1</b></p><p>

27、;<b>　　氣動(dòng)升力Fl為：</b></p><p><b>　　2.2</b></p><p><b>　　氣動(dòng)側(cè)向力Fy為：</b></p><p><b>　　2.3</b></p><p>　　式中A 是迎風(fēng)面積，V 為車速，ρ為空氣密度，C 分

28、別為阻力系數(shù)、升力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)。由此可見(jiàn)，氣動(dòng)力跟車速的平方成正比。 </p><p>　　2.3 負(fù)升力產(chǎn)生原理</p><p>　　歐拉建立的伯努利方程可以表述為：</p><p><b>　　2.4</b></p><p>　　其中P為壓強(qiáng)，為流體，密度V為流速，C為常數(shù)。從方程可得，流場(chǎng)中某點(diǎn)處壓強(qiáng)隨流速增

29、加而減小，因此可以通過(guò)改變障礙外形線來(lái)改變障礙物周圍流場(chǎng)的速度分布，進(jìn)而改變周圍流場(chǎng)的壓力，飛機(jī)機(jī)翼之所以產(chǎn)生升力就是這個(gè)原因。圖2.2是飛機(jī)機(jī)翼的剖面的示意圖，空氣流過(guò)機(jī)翼時(shí)，氣體在機(jī)翼前部分離為上下兩部分，這兩部分空氣最后在翼片的末端重新匯聚到一起。飛機(jī)機(jī)翼的上表面比下表面更長(zhǎng)，從而導(dǎo)致翼片上方的空氣流速要比翼片下方流速快，空氣流速增大，其密度減小，則氣壓減小，從而翼片上下產(chǎn)生了壓差，也就是升力。</p><p&

30、gt;　　圖2.2 負(fù)升力產(chǎn)生原理</p><p>　　賽車上的負(fù)升力翼與飛機(jī)上的機(jī)翼的基本原理是相同的，但不同的是，飛機(jī)飛行需要的是機(jī)翼產(chǎn)生向上抬升的力，而賽車則恰恰相反，賽車需要緊貼地面也就是其負(fù)升力翼需要產(chǎn)生向下壓制的力。所以把機(jī)翼倒過(guò)來(lái)放置，就是簡(jiǎn)單的負(fù)升力翼，氣動(dòng)效果也相反，產(chǎn)生向下壓的力，即負(fù)升力（negative lift)[12]。</p><p>　　2.4 負(fù)升力與操

31、縱穩(wěn)定性</p><p>　　圖2.3為賽車過(guò)彎時(shí)的受力情況，G是賽車的車重，NL、NR分別為左右輪所受地 面的支 持 力，YL、YR分別為左右輪所受地面的側(cè) 向 力，F(xiàn)c是慣 性 離 心 力，G’是氣動(dòng)組件所受的氣 動(dòng) 負(fù) 升 力，B是賽 車 輪 距、h是賽 車質(zhì) 心 高 度、R是轉(zhuǎn) 彎 半 徑。推導(dǎo)可得賽車不發(fā)生側(cè)滑的條件：，由地面?zhèn)认蚋街?，ε是?cè) 向 附 著 系 數(shù)，所以不發(fā)生側(cè) 滑的轉(zhuǎn) 彎 最 大

32、速 度為：</p><p><b>　　2.5</b></p><p>　　圖2.3 賽車過(guò)彎時(shí)的受力情況</p><p>　　由公式可以得出，當(dāng)輪 距、重 心 高 度的改變受到制約，汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)輪胎的附 著 系 數(shù)即將用盡時(shí)，氣 動(dòng) 負(fù) 升 力對(duì)高速轉(zhuǎn) 彎 性 能起著十分重要的作用。</p><p>　　2.5 空氣動(dòng)

33、力學(xué)套件</p><p>　　2.5.1 升力翼</p><p>　　賽車行駛過(guò)程中產(chǎn)生的下壓力主要來(lái)源于前翼、尾翼及擴(kuò)散器。擴(kuò)散器主要是利用地面效應(yīng)的原理，而前翼、尾翼完全是靠升力翼來(lái)獲得下壓力，而不同的升力翼結(jié)構(gòu)有不同的空氣動(dòng)力學(xué)特性。因此，升力翼設(shè)計(jì)的好壞直接決定了賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能。</p><p><b>　　1）升力翼的結(jié)構(gòu) </b&

34、gt;</p><p>　　如圖2.4所示，升力翼兩端距離 b 稱為翼展長(zhǎng)度；弦線與來(lái)流速度的夾角 稱為攻角；升力翼前后端距離 c 稱為弦長(zhǎng)；升力翼上下表面最大距離 t 稱為弦厚。圖2.5中，(a)是對(duì)稱翼型，(b)是彎曲翼型。一般來(lái)說(shuō)，在不失速的前提下，增大翼型的攻角和弧度能夠得到更多氣動(dòng)升力。</p><p>　　圖2.4 翼展與攻角示意圖 圖2.5 翼型弦長(zhǎng)

35、與厚度示意圖</p><p>　　2）影響升力翼氣動(dòng)升力的因素</p><p>　　影響升力翼氣動(dòng)升力的因素有很多，總的來(lái)說(shuō)，有如下幾個(gè)結(jié)論：</p><p>　?。?）從圖2.6可以看出， 翼型氣動(dòng)升力系數(shù)隨攻角增大而增大，且呈線性關(guān)系；并且在攻角相同的情況下，彎曲翼型氣動(dòng)升力系數(shù)比對(duì)稱翼型大。</p><p>　　圖2.6 攻角與翼型升力

36、系數(shù)</p><p>　　氣流與升力翼分離會(huì)造成失速現(xiàn)象，會(huì)大大降低升力翼的空氣動(dòng)力學(xué)性能。由結(jié)論1可知，隨著升力翼攻角增加，氣動(dòng)升力系數(shù)CL也隨之增加，但是攻角達(dá)到一定角度之后，CL值不再增加，甚至開(kāi)始下降。如圖2.7所示，由于攻角過(guò)大，氣流在升力翼后方出現(xiàn)分離，導(dǎo)致喪失一部分氣動(dòng)升力。不僅如此，氣流脫落后在升力翼后方形成漩渦，漩渦生成、旋轉(zhuǎn)、脫落，會(huì)消耗大量的能量，從而增大氣動(dòng)阻力。</p>&

37、lt;p>　　圖2.7 氣流的附著與分離</p><p>　　升力翼厚弦比增加，氣動(dòng)升力系數(shù)最大值增大，如圖2.8所示。這是因?yàn)楦蟮暮裣冶饶苁股σ慝@得更大的失速迎角，所以氣動(dòng)升力系數(shù)最大值也相應(yīng)增加。但厚弦比值大致在 12%之后，氣動(dòng)升力系數(shù)最大值開(kāi)始下降。從圖中還可發(fā)現(xiàn)，隨雷諾數(shù)增加，曲線整體上移。 </p><p>　　圖2.8 升力翼厚弦比與最大升力系數(shù)關(guān)系示意圖</

38、p><p>　　2.5.2 前負(fù)升力翼</p><p>　　前負(fù)升力翼可以產(chǎn)生一定的負(fù)升力，增大賽車車輪的地面附著力，提高賽車高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向能力，此外后負(fù)升力翼引起的車頭上仰的力矩可以由前負(fù)升力翼產(chǎn)生的下壓力抵消掉一部分。同時(shí)在F1賽車中，前負(fù)升力翼能夠提供給賽車的下壓力約占賽車總下壓力的30%，這對(duì)F1賽車來(lái)說(shuō)是十分重要的。</p><p>　　圖2.9 F1賽

39、車上復(fù)雜的前翼造型</p><p>　　前負(fù)升力翼對(duì)賽車轉(zhuǎn)向性能有很大的影響，由于賽車的引擎布置方式是后置后驅(qū)，所以得賽車的質(zhì)心會(huì)相對(duì)比較靠后，這樣會(huì)使賽車前部有向上翹的趨勢(shì)。且前輪為轉(zhuǎn)向輪，如果前輪沒(méi)有足夠的下壓力，就不能與地面充分地接觸，車手對(duì)賽車的操控可能不能完全傳遞到地面，其中最常出現(xiàn)的狀況就是轉(zhuǎn)向不足，如圖2.10。如果后輪附著力不足，則賽車后輪很可能打滑，導(dǎo)致賽車轉(zhuǎn)向過(guò)度，如圖2.11。這兩種狀況均會(huì)

40、降低賽車的操縱穩(wěn)定性。</p><p>　　2.10 賽車轉(zhuǎn)向過(guò)度 2.11 賽車轉(zhuǎn)向不足</p><p>　　2.5.3 后負(fù)升力翼</p><p>　　后負(fù)升力翼可以為賽車提供后部的下壓力，改善后輪即驅(qū)動(dòng)輪的附著性能，以提高賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。</p><p>　　后負(fù)升力翼和車身表面之間的距離和

41、后負(fù)升力翼離地高度是兩個(gè)很重要的參數(shù)。圖2.12表示了后負(fù)升力翼和車身表面之間的距離與阻力系數(shù)、升力系數(shù)的關(guān)系：如果距離較小，車身上表面可能會(huì)形成局部的負(fù)壓，從而減弱負(fù)升力翼的作用；較大的距離雖然可以使賽車上方不受車身氣流干擾而較好地發(fā)揮作用，但是如果后負(fù)升力翼支架太長(zhǎng)，賽車高速行駛時(shí)支架可能會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，過(guò)于劇烈的振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致支架的斷裂。圖2.13表示了離地高度對(duì)升力系數(shù)的影響：離地高度越大，其升力系數(shù)值越小；當(dāng) h/c≥1 后

42、，升力系數(shù)值基本不變。</p><p>　　圖2.12 后負(fù)升力翼與車身的距離對(duì)賽車CL、Cd的影響</p><p>　　圖2.13 后負(fù)升力翼離地高度對(duì)CL的影響</p><p>　　2.6 流體數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)</p><p>　　CFD的基本思想是指把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)來(lái)代替，通過(guò)一定的原

43、則和方法建立代數(shù)方程的變量之間的關(guān)系，然后求解一組代數(shù)方程組，獲得場(chǎng)變量的近似值[13]。數(shù)值方法實(shí)際上就是離散化和代數(shù)化[14]。與傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)相比，CFD技術(shù)不需要制造出真實(shí)部件，就能運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)測(cè)出比較接近實(shí)際的效果，有利于節(jié)省研究費(fèi)用和研發(fā)時(shí)間，而且可以更直觀、更深刻地理解汽車外流場(chǎng)的氣動(dòng)特性。這種技術(shù)同計(jì)算機(jī)輔助造型技術(shù)相結(jié)合，可以更加經(jīng)濟(jì)、迅速、實(shí)用地應(yīng)用于汽車造型的設(shè)計(jì)之中。</p><p>　

44、　但是數(shù)值模擬有其不足之處，比如如果沒(méi)有完全搞清楚湍流特性，或者對(duì)于某些問(wèn)題還沒(méi)有建立出適用的數(shù)學(xué)模型，將無(wú)法運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，而且數(shù)值模擬在計(jì)算精度方面還有待提高。所以試驗(yàn)并不能完全由數(shù)值計(jì)算所替代，試驗(yàn)對(duì)于校正和檢驗(yàn)CFD 結(jié)果是非常必要的[15]。</p><p>　　CFD的求解計(jì)算可以分為三個(gè)環(huán)節(jié)：前處理、求解、后處理，整個(gè)流程如圖2.14所示：</p><p>　　圖2.14

45、 CFD計(jì)算流程圖</p><p>　　2.6.1 湍流模型</p><p>　　計(jì)算流動(dòng)是非常復(fù)雜的，所以計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須要使用湍流方程。比較常用的湍流模型包括：Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型、雷諾應(yīng)力模型（RSM）、大渦模擬模型（LES）[16]。</p><p>　　計(jì)算湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)要視不同的情況而選擇不同的模型，

46、湍流模型的選取準(zhǔn)則是：流體可壓縮性問(wèn)題、可行性問(wèn)題、精度的要求問(wèn)題、計(jì)算機(jī)的能力問(wèn)題和時(shí)間的限制等[17]。要根據(jù)不同條件的適用范圍來(lái)選擇不同的湍流模型。</p><p>　　考慮到賽車車車速通常低于100公里/小時(shí)，即27.78米/秒。即使考慮逆風(fēng)行駛的情況，作用在汽車車身表面的空氣流速也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于音速的。因此我們可以不用考慮氣體的壓縮性，將其看作是不可壓縮流體來(lái)處理。因?yàn)槠嚨倪\(yùn)動(dòng)可以看作是對(duì)空氣平順流動(dòng)的一

47、種破壞，所以說(shuō)車輛外表面與氣流的相互作用使得車身周圍的流場(chǎng)十分復(fù)雜，氣流的方向和流速都會(huì)有較大的變化，因此這里的湍流模型采用k-ε模型。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是最常用的湍流模型之一，它是半經(jīng)驗(yàn)公式。需要求解湍動(dòng)能和耗散率方程兩個(gè)值：湍流動(dòng)能方程——k方程是一個(gè)精確方程，而湍流耗散率方程——ε方程是一個(gè)由經(jīng)驗(yàn)得到的方程。如果考慮自定義的源項(xiàng)，標(biāo)準(zhǔn)模型方程如下所示[17]。</p><

48、;p><b>　　湍動(dòng)動(dòng)能k方程：</b></p><p><b>　　2.6</b></p><p><b>　　湍動(dòng)能耗散率ε：</b></p><p><b>　　2.7</b></p><p>　　其中——層流黏性系數(shù)；</p>

49、<p>　　——湍流黏性系數(shù)，；</p><p>　　——由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；</p><p>　　——由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；</p><p>　　、、、和——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；</p><p><b>　　——湍流常數(shù)。</b></p><p><b>　　有效的黏性系數(shù)

50、：。</b></p><p>　　k-ε模型假定流場(chǎng)完全是湍流，分子間的黏性可以忽略。因此，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型只對(duì)完全湍流的流場(chǎng)有效[18]。</p><p>　　模型的常量是對(duì)空氣、水的基本湍流試驗(yàn)而得來(lái)的，F(xiàn)LUENT軟件一般取值為=1.44，=1.92，=0.09，=1.0，=1.3。</p><p>　　2.6.2 數(shù)值計(jì)算方法</p>

51、<p>　　有限差分法、有限元法和有限體積法是目前比較常用的三種數(shù)值計(jì)算方法。本文所采用的方法是有限體積法來(lái)進(jìn)行數(shù)值求解。</p><p>　　有限體積法（Finite Volume Method，記為 FVM）是 S.V.Patanker 提出的一種有限差分離散方法，它屬于有限差分法的范疇。離散方程的有四種常用方法分別是：泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)法、多項(xiàng)式擬合法、控制體體積積分法與控制體體積平衡法[19]?？?/p>

52、制體體積積分法又稱有限體積法，它是將控制方程對(duì)有限大小的控制體積進(jìn)行積分，從而導(dǎo)出離散方程的一種方法。它的特點(diǎn)是：該法得到的結(jié)果在任何一組控制體積內(nèi)，如質(zhì)量、動(dòng)量等一些滿足守恒律的物理量的積分守恒性都可以得到滿足。該方法擁有有限差分法的優(yōu)點(diǎn)，得到的離散方程組可以用迭代法求解，每次只需計(jì)算一個(gè)變量，然后依次轉(zhuǎn)換直至得到收斂解。</p><p>　　目前國(guó)外汽車領(lǐng)域采用的計(jì)算流體力學(xué)的商用軟件如PHOENICS、ST

53、AR-CD、CFX、FLUENT 等大都采用有限體積法。</p><p>　　3 賽車外流場(chǎng)分析</p><p>　　3.1 賽車車身模型的建立及簡(jiǎn)化</p><p>　　對(duì)于網(wǎng)格劃分及流場(chǎng)計(jì)算，原車1:1的模型由于曲面過(guò)多和某些小角度的存在，會(huì)給網(wǎng)格劃分帶來(lái)較大的困難，容易產(chǎn)生不合格的網(wǎng)格，或者浮點(diǎn)溢出，還會(huì)大大延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間，所以為了使分析計(jì)算順利進(jìn)行，要對(duì)車

54、身進(jìn)行簡(jiǎn)化。</p><p>　　1) 去掉后懸架雙橫臂桿、轉(zhuǎn)向橫拉桿等對(duì)流場(chǎng)干擾相對(duì)較小的桿件；</p><p>　　2) 添加駕駛員模型，圓球位置是駕駛員實(shí)際坐在駕駛艙時(shí)頭部的位置，圓球尺寸跟駕駛員頭盔尺寸一致。</p><p>　　3) 由于后部的發(fā)動(dòng)機(jī)艙基本上處在湍流渦區(qū)，可認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)艙中零部件的結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，因此將發(fā)動(dòng)機(jī)艙簡(jiǎn)化為一個(gè)箱形結(jié)構(gòu)，尺寸

55、參照車架后部尺寸。</p><p>　　4) 將輪胎簡(jiǎn)化為圓柱型，尺寸參照實(shí)際輪胎尺寸。為了避免輪胎型線與地面相切形成尖角而使這部分網(wǎng)格質(zhì)量變差，同時(shí)也為了模擬輪胎跟地面接觸變形，在在輪胎與地面接觸的部分創(chuàng)建小凸臺(tái)。凸臺(tái)既模擬了賽車輪胎的承重變形，又改善了車輪與地面處相接處的網(wǎng)格質(zhì)量。</p><p>　　由于FLUENT分析時(shí)不能分析曲面，所以還需要對(duì)賽車車身進(jìn)行全封閉處理。處理后賽車模

56、型如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 簡(jiǎn)化后車身模型</p><p>　　處理完成后，輸出為通用格式，為導(dǎo)入ICEM劃分網(wǎng)格做準(zhǔn)備。按照經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)出為parasolid、stp、igs格式均可，現(xiàn)導(dǎo)出為stp格式。</p><p><b>　　3.2 劃分網(wǎng)格</b></p><p>　　賽車模型文件導(dǎo)出，然

57、后就要對(duì)曲面及車身四周區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。使用FLUENT專用前處理軟件ICEM，導(dǎo)入之前的stp文件。</p><p>　　由于分析的是流經(jīng)車身表面的氣流的狀態(tài)，因此需要建立一個(gè)空氣場(chǎng)用以模擬賽車風(fēng)洞，常見(jiàn)模型為長(zhǎng)方體空間。該長(zhǎng)方體模型長(zhǎng)度應(yīng)為5-7倍車長(zhǎng)，寬度應(yīng)為3-5倍車寬，高度應(yīng)為3-5倍車高[20]?，F(xiàn)取長(zhǎng)25m，約為車長(zhǎng)的8.9倍；寬8米，約為車寬的5.3倍；高4米，約為車高的5倍。車體外面的空氣，即長(zhǎng)

58、方體和車身的之間部分的體積是需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格的區(qū)域。</p><p>　　由于整個(gè)計(jì)算域比較大，如果網(wǎng)格都劃分得很小后期計(jì)算會(huì)很耗費(fèi)時(shí)間，所以采用的方法是網(wǎng)格由車身向周圍環(huán)境逐漸稀疏。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，又保證計(jì)算精度，在車身周圍和車尾后部湍流強(qiáng)烈的區(qū)域創(chuàng)建網(wǎng)格加密區(qū)，即圖3.2中橘色方塊區(qū)域。</p><p>　　圖3.2 流體計(jì)算域示意圖</p><p>　　首先在車

59、身表面設(shè)置面網(wǎng)格，面網(wǎng)格最大尺寸為32，在輪胎底部等細(xì)小部位和狹小縫隙處的面網(wǎng)格最大尺寸按情況分別取8或16；然后設(shè)置邊界層，車身表面邊界層設(shè)置3層，比例為1.2，總高2.64mm；最后設(shè)置體網(wǎng)格，加密區(qū)體網(wǎng)格尺寸取128，非加密區(qū)取1024。</p><p>　　最后總共生成1247951個(gè)體網(wǎng)格單元。車身對(duì)稱面網(wǎng)格如圖3.3所示，可以清晰看出加密區(qū)網(wǎng)格情況。生成網(wǎng)格的質(zhì)量如圖3.4所示，只有6個(gè)網(wǎng)格質(zhì)量小于0

60、.1，對(duì)結(jié)果影響不大，絕大多數(shù)網(wǎng)格質(zhì)量大于0.17，該網(wǎng)格可以用于FLUENT進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)值運(yùn)算。</p><p>　　圖3.3 車身對(duì)稱面的網(wǎng)格分布情況</p><p>　　圖3.4 網(wǎng)格質(zhì)量示意圖</p><p>　　3.3 FLUENT數(shù)值仿真求解</p><p>　　在FLUENT中進(jìn)行仿真的求解過(guò)程主要包括：設(shè)置求解器、選取湍流模

61、型、設(shè)置邊界條件、計(jì)算機(jī)迭代，具體流程如圖3.5所示。</p><p>　　3.3.1設(shè)置求解器</p><p>　　FLUENT中包括兩種求解器，壓力基求解器和密度基求解器，一般來(lái)說(shuō)，低壓不可壓縮流體用壓力基來(lái)處理，而高速可壓縮流體用密度基求解器，本文所研究賽車車車速是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于音速的，因此我們可以不用考慮氣體的壓縮性，將其看作不可壓縮流體處理。所以我們選擇壓力基求解器，選用FLUENT中

62、默認(rèn)的SIMPLE算法。</p><p>　　3.3.2選取湍流模型</p><p>　　綜合考慮流體的可壓縮性、計(jì)算精度要求、計(jì)算機(jī)能力、時(shí)間限制等因素，本次FLUENT仿真選取k-ε模型，該模型是半經(jīng)驗(yàn)公式，穩(wěn)定性好、適用范圍廣、精度合理經(jīng)濟(jì)。</p><p>　　圖3.5 FLUENT求解過(guò)程概覽</p><p>　　3.3.3 邊

63、界條件的設(shè)定</p><p>　　由于仿真模型雷諾數(shù)小，因此選擇常用的標(biāo)準(zhǔn) k-epsilon 湍流模型。采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon 湍流模型使計(jì)算比較容易收斂，但對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)很大的情況模擬結(jié)果并不好，不能捕捉到一些關(guān)鍵區(qū)域的渦流，導(dǎo)致計(jì)算產(chǎn)生誤差。 </p><p>　　現(xiàn)實(shí)中賽車行駛是賽車在動(dòng)，空氣靜止，而在仿真過(guò)程中恰恰相反，一般設(shè)置賽車是靜止?fàn)顟B(tài)，即固定壁面，空氣相對(duì)賽車運(yùn)動(dòng)，流速等

64、于車速。確認(rèn)好工況后進(jìn)行邊界條件設(shè)置。 </p><p>　　入口邊界：速度入口（Velocity Inlet），速度值為車速20m/s，湍流脈動(dòng)5%，湍流尺度0.028m； </p><p>　　出口邊界：壓力出口（Pressure Outlet），壓力值標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，湍流脈動(dòng)0. 5%，湍流尺度0.028m； </p><p>　　地面：選擇壁面（wall）邊界條

65、件，指定為無(wú)滑移（no slip）邊界條件，以模擬移動(dòng)地面；</p><p>　　車身：選擇壁面（wall）邊界條件，設(shè)置為無(wú)滑移（no slip）邊界條件；</p><p>　　頂部與側(cè)面：設(shè)置為對(duì)稱（symmetry）邊界條件。</p><p>　　3.3.4計(jì)算機(jī)迭代</p><p>　　按照以上參數(shù)設(shè)置，設(shè)置迭代步數(shù)為2000步，經(jīng)過(guò)

66、6小時(shí)計(jì)算，得到結(jié)果以及殘差曲線圖，殘差曲線如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 殘差曲線圖</p><p>　　3.4 賽車仿真結(jié)果分析</p><p>　　通過(guò)FLUENT的分析計(jì)算，得到賽車車身的升力和阻力數(shù)據(jù)以及壓力云圖、速度云圖、速度矢量圖等圖像用于分析賽車的氣動(dòng)力、流速分布、空氣流動(dòng)狀態(tài)等情況。</p><p>　　3

67、.4.1 氣動(dòng)力分析</p><p>　　表4.1顯示了賽車的阻力和升力，賽車在20m/s工況下所受阻力為86.129N，阻力系數(shù)為0.398；所受升力為151.641N，升力系數(shù)為0.703。</p><p>　　賽車的阻力系數(shù)在0.4以內(nèi)，賽開(kāi)放式賽車中屬于中等水平。但升力為正值且數(shù)值較大，隨著車速增大，升力還會(huì)進(jìn)一步加大，這會(huì)使賽車喪失部分抓地力，不利于賽車的操縱穩(wěn)定性。</

68、p><p>　　表4.1 賽車的阻力和升力數(shù)據(jù)</p><p>　　通過(guò)軟件后處理圖像了解車身表面壓力分布如圖3.7所示。賽車正向較大的壓力主要分布在前后輪胎、鼻錐前部、駕駛員頭盔等部位。它們是賽車產(chǎn)生阻力的主要來(lái)源。</p><p>　　圖3.7 賽車表面壓力分布云圖</p><p>　　其中由于氣流直接沖擊前輪，導(dǎo)致前輪阻力在總阻力中占了很大

69、的比重，所以在前負(fù)升力翼設(shè)計(jì)中，如何引導(dǎo)氣流繞過(guò)前輪是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)因素。駕駛員頭部若受到很大的正向壓力，會(huì)導(dǎo)致駕駛員頭部及頸部的不適，影響駕駛員的舒適性，甚至導(dǎo)致駕駛員受傷。因此，在車身上部設(shè)置導(dǎo)流板以引導(dǎo)氣流繞過(guò)駕駛員頭部是很有必要的。</p><p>　　3.4.2 外流場(chǎng)分布分析</p><p>　　根據(jù)賽車對(duì)稱面速度分布云圖3.8和速度分布矢量圖3.9，分析氣流在賽車對(duì)稱面的運(yùn)

70、動(dòng)情況。</p><p>　　氣流在車頭處分離，車身上部氣流沿著車身上表面加速流動(dòng)，由于駕駛室的凹槽影響，氣流與車身分離形成小范圍渦流。之后氣流到達(dá)駕駛員頭盔并沿著頭盔表面加速流動(dòng)，在頭盔后部再次分離并在頭盔和發(fā)動(dòng)機(jī)廂之間再次形成小型渦流。之后氣流到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)廂頂部，達(dá)到最大速度，并馬上與廂體表面分離，產(chǎn)成最大的渦流。</p><p>　　圖3.8 賽車對(duì)稱面速度分布云圖</p>

71、<p>　　圖3.9 賽車對(duì)稱面速度矢量圖</p><p>　　賽車前輪后部的側(cè)艙是放發(fā)動(dòng)機(jī)散熱水箱的位置，所以保證側(cè)艙有充足的空氣流過(guò)非常重要?，F(xiàn)取距地面50mm截面局部速度矢量圖分析前輪和側(cè)箱處氣流情況，如圖3.10。</p><p>　　圖3.10 前輪及側(cè)艙處速度矢量圖</p><p>　　氣流受到前輪阻擋流向兩側(cè)，在車輪兩側(cè)高速流動(dòng)，但由于受

72、到沿車身側(cè)壁面氣流影響，車輪與側(cè)壁之間的氣流大部分流向側(cè)箱外部，只有少部分流入側(cè)箱且形成渦流低速流動(dòng)，形成的渦流進(jìn)一步阻擋了外部氣流的進(jìn)入。所以預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)水箱會(huì)有較差的散熱情況。</p><p>　　3.4.3 賽車后部湍動(dòng)能圖</p><p>　　在賽車后部取六個(gè)截面，分別距車尾50mm、500mm、1000mm、1500mm、2500mm，3500mm以此來(lái)觀察賽車后部能量耗散情況，

73、如圖3.11。</p><p>　　圖3.11 湍流截面示意圖</p><p>　　在圖3.12中可以看出，距車尾較近處，氣流運(yùn)動(dòng)非?；钴S，湍動(dòng)能較大，這說(shuō)明該處氣動(dòng)阻力較大。隨著距離增大，氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度越來(lái)越弱，湍動(dòng)能強(qiáng)度逐漸減小。到距車尾3500mm處氣流基本趨于穩(wěn)定。</p><p>　　圖3.12 賽車后部湍動(dòng)能圖</p><p>　　

74、4 空氣動(dòng)力學(xué)套件方案的確定</p><p>　　空氣動(dòng)力學(xué)套件是方程式賽車中重要的部件，包括前翼、后翼和擴(kuò)散器，這里我們只設(shè)計(jì)前翼和后翼。</p><p>　　4.1 前翼的設(shè)計(jì)</p><p>　　前翼是氣流最先接觸到的部位，首先它起著引導(dǎo)氣流作用，控制氣流在賽車其他部位的流動(dòng)，其次前翼?yè)踉谇拜喌那懊?，避免了氣流?duì)前輪的直接沖擊，極大的減小了前輪阻力，最后前

75、翼還能為賽車提供一定的下壓力，同時(shí)平衡尾翼為賽車提供的后部下壓力。</p><p>　　如圖4.1所示，本次前翼設(shè)計(jì)采用兩片式設(shè)計(jì)。兩片式設(shè)計(jì)能提供較大的下壓力和更高的效率，且兩片翼片之間的縫隙能有效得防止氣流的分離；前翼寬度略大于前輪，高度略小于前輪，可以有效得起到導(dǎo)流作用，降低前輪的Cd值，同時(shí)不會(huì)影響到貼近車身側(cè)壁面的空氣的流動(dòng)，使這部分空氣順利地流進(jìn)側(cè)艙進(jìn)行散熱；翼片兩側(cè)的隔板可以有效地分開(kāi)干凈氣流和干擾

76、氣流，同時(shí)避免產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力。</p><p>　　圖4.1 前翼示意圖</p><p>　　前翼的攻角設(shè)計(jì)有兩個(gè)方案，方案一的前翼攻角25°，襟翼攻角40°。方案二的前翼攻角20°，襟翼攻角35°。對(duì)兩方案前翼分別進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析后擇優(yōu)取之。</p><p>　　表4.1 兩方案前翼氣動(dòng)力對(duì)比</p>&l

77、t;p>　　表4.1顯示了兩個(gè)方案前翼所受氣動(dòng)力的對(duì)比。由于方案一攻角較大，所以其提供的升力較大，同時(shí)阻力也相應(yīng)更大。所以具體要根據(jù)尾翼所提供下壓力大小來(lái)進(jìn)行前翼的匹配。</p><p>　　圖4.2兩方案前翼對(duì)稱面壓力云圖對(duì)比</p><p>　　圖4.2是兩方案前翼處速度云圖對(duì)比，由圖可知，在方案一中，前翼上方高壓區(qū)壓強(qiáng)可達(dá)到2.45Pa，且高壓區(qū)較大，分布較為均勻，提供了可觀的

78、下壓力；而方案二中高壓區(qū)壓強(qiáng)最高可達(dá)2.42Pa,高壓區(qū)僅存在于翼片前端，面積較小，并且襟翼的高壓區(qū)主要形成了正面的壓差，即阻力，產(chǎn)生的下壓力有限。</p><p>　　圖4.3兩方案前翼空氣流線圖對(duì)比</p><p>　　圖4.3是兩方案前翼處的空氣流線圖對(duì)比，由圖可知，在方案一中，前翼下方的空氣迅速上揚(yáng)，該部分空氣能較為順利地繞過(guò)前輪，避免了與前輪的直接沖擊；而方案二中前翼下方氣體上升

79、較緩，一部分氣體可能會(huì)與前輪發(fā)生正面接觸，從而增大前輪的阻力；同時(shí)氣體繞過(guò)前輪有利于后方氣流的梳理，避免了空氣與旋轉(zhuǎn)車輪接觸形成亂流。</p><p>　　綜上所述，方案一設(shè)計(jì)的前翼能提供的下壓力較大，雖然阻力也相應(yīng)較大，但方案一可以更為有效的引導(dǎo)氣流繞過(guò)前輪，減小前輪的阻力，從而間接地減小了整車的阻力，所以選擇方案一的前翼設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.2 尾翼的設(shè)計(jì)</p>

80、;<p>　　尾翼最重要的作用是提供下壓力，同時(shí)盡可能地減少下壓力所帶來(lái)的氣動(dòng)阻力。前文中已經(jīng)提到，尾翼的布置位置越高，它所受到的車身干擾氣流越少，能更好得發(fā)揮提供下壓力的作用，但考慮安全因素尾翼又不宜布置過(guò)高。所以尾翼設(shè)計(jì)采用兩片式設(shè)計(jì)，如圖4.4。底層翼主要起導(dǎo)流作用，采用較小攻角使氣流與翼面不發(fā)生分離；兩翼片之間采用合適的縫隙，使氣流得到加速；頂層翼離地較高，氣流質(zhì)量高且流速快，能產(chǎn)生較大的下壓力。</p>

81、;<p>　　圖4.4 尾翼示意圖</p><p>　　尾翼的攻角設(shè)計(jì)同樣有兩種方案，方案一底層翼攻角10°，頂層翼攻角19°；方案二底層翼攻角12°，頂層翼攻角21°。對(duì)兩方案前翼分別進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析后擇優(yōu)取之。</p><p>　　表4.2 兩方案尾翼氣動(dòng)力對(duì)比</p><p>　　表4.2顯示了兩個(gè)方

82、案尾翼所受氣動(dòng)力的對(duì)比。由于方案二攻角較大，所以其提供的升力較大，同時(shí)阻力也相應(yīng)更大。在F1賽車上，前后定風(fēng)翼的下壓力分別占總下壓力的25%和33%，由于前翼已經(jīng)選擇了導(dǎo)流效果更好的方案一，那么兩個(gè)前翼可以在賽車前部共同創(chuàng)造129.948N的下壓力，根據(jù)比例，方案二尾翼較為接近最佳下壓力的值。</p><p>　　圖4.5壓力云圖對(duì)比</p><p>　　由圖4.5可知，兩個(gè)方案的尾翼高壓

83、區(qū)均在頂層翼上面，而低壓區(qū)均在底層翼下面；方案一高壓區(qū)最高壓強(qiáng)可達(dá)2.08Pa，低壓區(qū)最低壓強(qiáng)為-3.49Pa；方案二高壓區(qū)最高壓強(qiáng)可達(dá)2.25Pa，低壓區(qū)最低壓強(qiáng)為-4.19Pa；方案一高壓區(qū)影響的空氣范圍較大，而方案二低壓區(qū)影響范圍較大，這說(shuō)明，方案一對(duì)上方空氣流速的減緩作用較強(qiáng)，方案二則更好地加快了底部空氣的流通。</p><p>　　圖4.6的速度矢量圖則很好地驗(yàn)證了以上分析，方案二底層翼下方空氣流速明顯

84、快于方案一，高速流動(dòng)的空氣有助于快速整理尾流；方案一兩翼片尾部下方均出現(xiàn)了小范圍低速區(qū)，說(shuō)明這里出現(xiàn)了氣體的分離，不僅會(huì)喪失部分氣動(dòng)升力，還會(huì)損失能量，增大氣動(dòng)阻力。</p><p>　　圖4.6速度矢量圖對(duì)比</p><p>　　綜上所述，方案二提供的下壓力更大，且能與前翼下壓力匹配，同時(shí)能更好地加速尾流，有利于空氣在賽車后部快速匯合，所以選擇方案二的尾翼設(shè)計(jì)。</p>&

85、lt;p>　　5 改進(jìn)后賽車仿真結(jié)果分析</p><p>　　5.1賽車模型的建立</p><p>　　將選好的前翼和尾翼與原始車身進(jìn)行裝配后，前翼離地間隙為70mm，尾翼離地間隙為780mm，得到的賽車模型如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1 裝配空套的賽車模型</p><p>　　然后再用同樣的方法，用FLUENT進(jìn)行整

86、體的分析計(jì)算，得到賽車的升力和阻力數(shù)據(jù)以及壓力云圖、速度云圖、速度矢量圖等圖像用于分析賽車的氣動(dòng)力、流速分布、空氣流動(dòng)狀態(tài)等情況。</p><p>　　5.2賽車仿真結(jié)果分析</p><p>　　表5.1分別顯示了裝有空氣動(dòng)力學(xué)套件的賽車在20m/s工況下，車身、前翼、尾翼以及整車的受力情況。其中賽車所受總阻力為152.606N，阻力系數(shù)為0.533；所受總升力為-75.709N，升力系數(shù)

87、為-0.265。</p><p>　　阻力較原車有所增加，但阻力系數(shù)在開(kāi)放式賽車中仍屬于中等水平?？偵樨?fù)值，利于賽車的操縱穩(wěn)定性。前翼和尾翼是下壓力的主要來(lái)源，且尾翼產(chǎn)生的下壓力最大，約占總下壓力的70%?？傮w來(lái)說(shuō)，前翼和尾翼有較好的氣動(dòng)特性。</p><p>　　表5.1 賽車阻力壓力數(shù)值示意圖</p><p>　　賽車車身壓力分布云圖如圖5.2所示，前翼和尾

88、翼都是高壓區(qū)域，由于前翼的導(dǎo)流作用，前輪正向壓力明顯減小。前翼和尾翼都很好得發(fā)揮了作用。但是鼻錐前部，駕駛員頭盔處高壓區(qū)沒(méi)有得到緩解，前翼的導(dǎo)流作用使后輪高壓區(qū)增大，這些問(wèn)題仍有待解決。</p><p>　　圖5.2 賽車車身壓力分布云圖</p><p>　　圖5.3和圖5.4顯示了前翼、前輪和側(cè)箱處速度矢量圖。由于前翼的導(dǎo)流作用，從前方流入的空氣基本完全繞過(guò)了前輪，前輪對(duì)貼近車身壁面的氣

89、流影響很小，因此這部分空氣比較順利地流入側(cè)艙，水箱的散熱效果將有所改善。但前翼和前輪之間形成了一個(gè)低壓區(qū)域，產(chǎn)生了渦流，減小前翼和前輪之間的距離可能會(huì)改善此問(wèn)題。</p><p>　　圖5.3 前翼、前輪和側(cè)箱處速度矢量圖</p><p>　　如圖5.4所示，前翼的速度矢量圖顯示了前翼空氣的流動(dòng)狀態(tài)。翼片上側(cè)空氣流速較慢，翼片下側(cè)和兩翼片之間的流速較快，氣流在翼片底部附著良好，空氣基本未發(fā)

90、生分離和產(chǎn)生渦流。因此前翼設(shè)計(jì)基本符合要求。</p><p>　　圖5.4 前翼速度矢量圖</p><p>　　如圖5.5 所示，尾翼處的速度矢量圖顯示了尾翼處空氣的流動(dòng)狀態(tài)。翼片上側(cè)空氣流速較慢，上下翼片之間的空氣流速最快，因而頂部翼片產(chǎn)生了大部分的下壓力。但是由于車身對(duì)氣流的影響，吹向尾翼的氣流并不是完全從正面吹來(lái)，所以尾翼處外流場(chǎng)與原來(lái)單獨(dú)分析尾翼的結(jié)果有一些區(qū)別，底部翼片的底面與氣

91、流產(chǎn)生了分離現(xiàn)象，氣流附著性較差，產(chǎn)生了湍流渦。尾翼的設(shè)計(jì)完成了提供下壓力的功能，但是翼型的不合理導(dǎo)致渦流產(chǎn)生，改變尾翼翼型或者適當(dāng)?shù)靥岣呶惨淼牟贾梦恢每赡軙?huì)解決該問(wèn)題。</p><p>　　圖5.5 尾翼速度矢量圖</p><p>　　圖5.6 有無(wú)尾翼賽車速度云圖對(duì)比</p><p>　　圖5.6顯示了尾翼對(duì)賽車尾流的影響。無(wú)尾翼賽車氣流在發(fā)動(dòng)機(jī)廂后部產(chǎn)生了明顯

92、的分離，上下氣流不能平穩(wěn)地匯合，底盤與發(fā)動(dòng)機(jī)廂之間的區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的渦流，進(jìn)而增大了壓差阻力。而有尾翼賽車的尾部氣流在尾翼的引導(dǎo)下迅速匯合，有效地消除了部分的氣流分離，在發(fā)動(dòng)機(jī)廂后部區(qū)域的渦流有所減弱。這說(shuō)明尾翼除了提供下壓力以外起到了良好的導(dǎo)流作用。</p><p>　　圖5.7是賽車后部分別距車尾50mm、500mm、1000mm、1500mm、2500mm，3500mm處截面的湍動(dòng)能圖。由于尾翼的整流作用，賽

93、車后部的湍動(dòng)能圖與之前的湍動(dòng)能圖也有著完全不同的形態(tài)，湍流范圍大幅減小，湍流主要集中在賽車寬度以內(nèi)；但車尾活躍氣流的湍動(dòng)能強(qiáng)度與之前相當(dāng)，同樣是隨著距離加大而逐漸減弱，直至趨于平穩(wěn)。</p><p>　　圖5.7 賽車后部湍動(dòng)能圖</p><p>　　總的來(lái)說(shuō)，裝有前翼和尾翼的賽車與未安裝前翼和尾翼的賽車相比氣動(dòng)特性有所提高，其中最重要的是前翼和尾翼提供的下壓力，這極大的改善了賽車高速行駛

94、的平穩(wěn)性和轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本文以河北工業(yè)大學(xué)AREI賽車為原型，利用CFD軟件FLUENT對(duì)其進(jìn)行初步的空氣動(dòng)力學(xué)分析和外流場(chǎng)分析。并針對(duì)其外流場(chǎng)特點(diǎn)為其設(shè)計(jì)了包括前翼尾翼的空氣動(dòng)力學(xué)套件來(lái)改善賽車的氣動(dòng)性能。全文工作得到的結(jié)論如下：</p><p>　　未安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件的賽車具

95、有氣動(dòng)升力，并且會(huì)隨著車速增大而增大，從而使賽車抓地力減小，嚴(yán)重影響賽車的加速性能和操縱穩(wěn)定性。</p><p>　　安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件后，賽車的氣動(dòng)升力由正值151.641N變?yōu)樨?fù)值-75.709N。這說(shuō)明安裝前翼和尾翼對(duì)賽車產(chǎn)生的下壓效果十分明顯，極大地改善了賽車的氣動(dòng)性能。</p><p>　　尾翼是產(chǎn)生下壓力最多的部件，約占總下壓力的70%。前翼提供的下壓力約占30%。</p

96、><p>　　除了提供下壓力以外，合適的前翼造型能有效地減小前輪阻力和改善側(cè)艙氣流狀況，從而改善水箱的散熱。</p><p>　　除了提供下壓力以外，合適的尾翼造型能起到控制尾流的作用，減小尾流湍動(dòng)能，減小渦阻。</p><p>　　整個(gè)研究過(guò)程對(duì)賽車氣動(dòng)特性的改善有一定作用，但由于作者思維的局限性和理論知識(shí)的不足，使整體設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，只是在淺顯的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的改

97、進(jìn)，仍有很多不足之處。希望今后能在此基礎(chǔ)之上有所進(jìn)展，是賽車得到更加優(yōu)秀的氣動(dòng)性能。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　黃天澤，黃金陵．汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996： 84-85</p><p>　　鄭春雷,胡壽根,陳康民.基于CDF的三維轎車車身流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算與應(yīng)用分析.2000&

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