大学生方程式赛车空气动力学性能仿真分析毕业论文.doc

毕 业 论 文学 院： 机械工程学院 系(专业)： 车辆工程 题 目： 大学生方程式赛车空气动力学仿真分析 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日河北工业大学2014届本科毕业论文教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日毕业设计（论文）中文摘要 大学生方程式赛车空气动力学仿真分析摘要：赛车设计的目标是快、轻、稳定，车重是影响赛车燃油消耗和发动机功率发挥的一个重要因素。重量减轻到一定程度的时候，会产生轮胎附着力不足的问题，对赛车行驶的稳定性、操纵性造成很大影响。车速较高时，空气产生的升力会使赛车发飘、打滑，严重时甚至发生事故。为解决这个问题，车身上增加空气动力学套件是一个有效措施。通过前后负升力翼、扩散器，产生向下的负升力，来提高轮胎的附着力，进而提升赛车的稳定性。本文主要以仿真为主，利用计算流体力学理论，研究空气动力的附加装置，极其对赛车产生的作用力。采用UG建立三维模型，ICEM为前处理软件，对模型划分网格，然后用fluent进行后处理，分析流场的速度、压力分布情况，对空气动力套件进行优化，综合大量文献，得到符合大学生方程式比赛要求的结构方案。 关键词： FSAE CFD 空气动力学 流场分析河北工业大学2014届本科毕业论文毕业设计（论文）外文摘要Title Formula Student racing aerodynamics simulation analysisAbstract Car design goal is fast, light, stable, vehicle weight is an important factor affecting the racing fuel consumption and engine power play. When the weight loss to a certain extent, it will have the problem of insufficient tire adhesion, which has great impact in the car driving stability, maneuverability. At higher speeds, the air lift will produce racing floating, slippery, or even serious accidents. To solve this problem, adding aerodynamic package to the car body is an effective measure. By around negative lift wing, diffuser, resulting in a downward negative lift, to improve the adhesion of the tire, and thus enhance the stability of the car. This paper mainly based on simulation, CFD attachment theory, aerodynamics, and the force generated to the car. Using UG Building three-dimensional models, ICEM for the former processing software and meshing the model, and then later with fluent processing, Optimize the aerodynamic package by analysising the velocity field, the pressure distribution. Integrated large number of documents, get in line with Formula Student structure of the program competition requirements.Keywords： FSAE; CFD; aerodynamic; flow field analysis目 录1绪论11.1课题研究背景及意义11.2FSAE空气动力学的发展现状11.3课题的主要任务32 赛车空气动力学特性52.1负升力产生原理72.2空气动力学附加装置73 空气动力组件与车身的CAD初步模型114 空气动力组件与车身的前期处理134.1 模型检查134.2 设置网格参数144.3 网格划分并检查质量155 空气动力组件与车身的流体分析165.1边界条件165.2 外流场分析16结 论21参 考 文 献22致 谢241 绪论1.1课题研究背景及意义空气动力学(Aerodynamics)是研究物体在与周围空气作相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的科学1。空气动力学特性直接影响汽车的经济性、动力性、操纵稳定性和乘坐舒适性等2。车身的空气动力学研究目前是车身设计的一个重要课题，是整车性能提升的一个部分。对于大学生方程式大赛，中国从2010年开始至今的四年里，国内车队有了很大程度的提升，空气动力套件也逐渐被各个车队引入到设计当中。在强度日渐更大，竞技性更强的比赛中，设计空气套件已经被提到日程里。大学生方程式是一项场地比赛，对轮胎及赛道有较高要求，在静态比赛中要求阐述方案的设计过程及仿真分析，并以此评分；在动态比赛中其最大的目标就是在保证稳定性和遵守赛规的前提下发挥发动机的最大功率，防止轮胎发生空转打滑的现象，以最快的速度完成比赛。方程式赛车追求轻量化、稳定性，这会引发轮胎附着力不足的问题，增加空气套件是最直接有效的方法。动态比赛分为75米加速、8字绕环、高速避障、耐久赛四项。空气动力套件在高速避障和耐久赛中发挥着重要作用。组委会为限制赛车的最高车速，在赛场的布置上，70%以上为弯道，要求赛车的过弯性能必须卓越。过弯速度的快慢，直接影响圈速和最后的总时间。要提高过弯速度，轮胎的附着力要好，空气套件的作用这时候就体现出来了，通过增加下压力，使赛车的驱动力不会大于地面附着力，维持方向的稳定性和转向控制能力。1.2FSAE空气动力学的发展现状对车身的流体特性最直接的测试方式是风洞试验，风洞的中保持了空气动力学的相似参数，可以精确模拟汽车的行驶条件，并且可以对汽车的各总成进行测试3。但是风洞的建设和实验耗资相当高，并且试验周期长。计算流体力学（Computer Fluid Dynamic）作为一个独立学科迅速发展。CFD通过计算机数值模拟计算和图形显示的方法，在时间和空间上定量描述的数值解，从而达到对物理问题进行细致研究的目的4。随着计算机技术的发展，CFD数值模拟方法已经越来越多地应用到汽车设计当中。目前,全世界大约有30种以上的CFD商业化软件，目前流行的大型商业化CFD软件主要有FLUENT、STAR-CD、CFX和FLOTRAN等。使用FLUENT可以进行多相流动,热传递,化学反应以及可压、不可压、定常、非定常等大量工程问题的模拟计算。CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域上连续的物理量的场,如速度场和压力场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的规则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值5。CFD技术从上世纪六十年代以来发展迅速，其费用低、周期短、实验效果理想，已经成为汽车领域进行设计、分析、优化的必经步骤和重要手段。国内CFD虽起步较晚，但随着汽车制造的日益壮大，以及对汽车理论的更加深入的研究，我国正在对相关技术方法逐年增加人力、财力的投入，在这方面加大了研究力度。对于行驶条件有特殊要求的赛车，为增加轮胎和路面的附着力，充分发挥发动机的驱动力，赛车上广泛安装了为满足高速行驶稳定性的更高要求而设计的空气动力学组件，例如定风翼、后扰流板、扩散器，都是为了充分发挥空气动力学的效率，将空气阻力降低到最小，而升力降低到零或负升力6。目前在国内的车队中底部扩散器被广泛应用，它是赛车发展中最有效率的空气动力组件，理论上不会产生阻力，其作用是在赛车底部形成真空，将赛车吸附在路面上，增加负升力。而定风翼和后扰流板会在产生负升力的同时产生一定的阻力。图二 扩散器图一 前负升力翼汽车行驶过程中，会受到周围气流的空气力和力矩的作用，空气力是由行驶速度、车身外形和风向角决定的7。作用于运动汽车的空气力和力矩是相应六个自由度的六个分力，即沿X、Y、Z轴的分力和绕轴的力矩，坐标原点是是在前后轴的中心的地平面上（如图三）。在汽车外部，阻力分为车身表面摩擦力和压力阻力，而外形的空气阻力占了压力阻力的60%；在内部为冷却通风通过汽车的空气流。由此可见车身外形是影响空气阻力的主要因素。1.3课题的主要任务图三 汽车空气力坐标系首先明确大学生方程式赛车空气动力学特性，即在把空气阻力减到最小的同时尽量增加下压力，使之与更轻量化的车重相配合，增加轮胎与地面的附着能力，使赛车在高速过弯时负升力能抵抗离心力防止侧滑和侧翻。赛车行驶过程中，正面气流主要分三个方向，即通过赛车上表面及两侧气流。车身和空气动力组件必须将这三个方向的气流适当引导，使之不互相干扰，并且不在赛车尾部形成真空区。车身的线条必须流畅而尽量避免突出的棱角，从而避免气流的扰乱。空气动力组件包括定风翼、扰流板（尾翼）及扩散器，各个组件发挥着不同的作用。空气阻力系数为： CD=f(VaVCpCvCpk) （3-1）式中：Va雷诺数；V莫泊数；Cpk普兰克数；动粘性系数；粘性系数；k热传导率；Cp定压比热；Cv定容比热；a轴距；f迎风面积。空气阻力系数是雷诺数、莫泊数和普兰克数等一些无量纲数值的函数，要减小空气阻力必须减小正面迎风面积。高速行驶时，赛车周围的高速气流会对其产生向上的升力Fr：Fr=12v2SCL (3-2) 式中：空气密度；v车辆与空气相对速度；S车辆迎风面积；CL车辆气动系数8。升力与车速的平方成正比，方程式赛车都追求轻量化，质量过轻车辆无法平衡高速气流带来的升力，会很大程度影响车辆平稳。本课题的一个任务是解决速度与轻量化一同增加的矛盾，即通过空气动力组件在减小车重的同时最大程度的产生负升力。本课题是基于河北工业大学2013年方程式赛车“AERI-3”号除车身以外的系统，进行车身及配套空气动力组件的设计。基本工作步骤如下。1.3.1 使用UG对车身各个部件进行建模。大学生方程式大赛规则对空气动力组件的规定（1）位置要求：从俯视图看，任何空气动力学装置（如负升力翼、底部导流板及分流片）都必须满足一下要求9：a.不可以超出前胎前端762mm（30英寸）。b.不可以超出后胎后端305mm（12英寸）。c.不可以比前胎外侧或者后胎外侧二者之中最宽的更宽（以前轮中心高度为测量标准）。（2）空气动力学装置边缘的最小半径要求：所有的定风翼（包括负升力翼、端板及各种尾翼）可能接触到行人的部件必须满足半径不小于1.5mm（0.060英寸）（3）地面效应设备：禁止使用有动力驱动的可以控制空气流动的装置，转外散热的风扇除外。禁止使用动力地面效应装置。模型的建立必须满足上述规则，保证安全性与通过车检是比赛的一切前提。1.3.2 前期处理。三维模型建立好以后，将它分成小网格以供后续分析计算。1.3.3 边界条件设定。将划分好网格的模型导入FLUENT软件，定义各项参数，给定合理边界条件。1.3.4 FLUENT计算结果。评价该模型是否符合技术要求，并进行优化，直到得到合理的结果。2 赛车空气动力学特性空气动力学在赛车领域的应用，主要是让空气在赛车高速行驶的过程中的高速相对流动产生的气压对赛车形成有利影响10。在课题研究中，可看作车运动，大气不动，当车速达到某种程度，空气流动的影响便会产生很大的作用，如能引导得当，能变成有利因素，否则会严重阻碍赛车行驶甚至发生事故。一般车速超过100 km/h时，气流对车辆产生的阻力就会超过车轮的滚动阻力，这时就必须考虑空气动力的影响。如图2.1所示。气动力对赛车的影响，还包括发动机的进排气、车辆行驶的稳定性、过弯速度、刹车距离，甚至轮胎温度等。图2.1 行车阻力随速度变化曲线空气动力学在赛车领域的应用，主要是让空气在赛车高速行驶的过程中的高速相对流动产生的气压对赛车形成有利影响11。在课题研究中，可看作车运动，大气不动，当车速达到某种程度，空气流动的影响便会产生很大的作用，如能引导得当，能变成有利因素，否则会严重阻碍赛车行驶甚至发生事故。一般车速超过100 km/h时，气流对车辆产生的阻力就会超过车轮的滚动阻力，这时就必须考虑空气动力的影响。如图2.1所示。气动力对赛车的影响，还包括发动机的进排气、车辆行驶的稳定性、过弯速度、刹车距离，甚至轮胎温度等。赛车的空气动力学属于低速空气动力学，高速流与低速流的空气压缩性能有很大差别，通常用M数（马赫数）来划分，定义流速V与大气中声音的传播速度a之比为M数，则M=V/a。M0.3是低速范围，汽车、滑翔伞，以及多种球类运动属于这个范围。在赛车行驶过程收到的众多作用力中，负升力是赛车空气动力学的主要研究对象。运用负升力原理来改善赛车性能的措施被证明是极其有效的，在不增加赛车质量的前提下，负升力改善了轮胎与地面的附着状况，提高了动力性和操纵稳定性。轮胎侧滑角与侧向力及轮胎载荷的关系可以由图2.2看出。轮胎所受的垂直载荷包括负升力、赛车自重和车手体重，为提高赛车的过弯能力，会增加赛车附着力的设定值，通过优化设计附加装置即负升力翼，可以增加轮胎载荷。随之产生的弊端是增加空气阻力，降低赛道上的直线速度。为减小这一弊端，往往将赛车车身设计成楔形，整体趋于扁平，迎风面积减小，从而空气阻力减小。使赛车获得足够负升力和减小赛车高速行驶的空气阻力是本课题的主要研究问题。图2.3 有无负升力作用的赛车侧向加速度图2.2 轮胎侧滑角与侧向力及轮胎载荷的关系赛车的空气动力性能的好坏直接影响车手的圈速以及最后的总时间。在襄阳赛道上，弯道所占部分超过百分之70%。所以拥有良好的空气动力性能的赛车意味着具有更大的优势，而且在规则在一定程度上限制了发动机的功率，即限制了最高车速，在必要的时候，可以牺牲一部分直线赛道的极速，将气动附加装置偏向提高弯道性能的方向设计，在减小阻力与增大负升力之间找到平衡点。2.1负升力产生原理赛车上所使用的升力翼原理与飞机的机翼是相同的，只是飞机机翼是产生向上抬升的力，赛车要产生向下压制的力。机翼截面的形状如图2.4所示，设计成上边缘比下边缘长，空气流经机翼的时候，被分成两个方向，一部分从上面经过，一部分从下面经过，然后在翼片后方重新聚合。机翼上表面更长，空气流速比下表面快，其密度减小，气压相应减小，下方压力比上方压力大，从而产生升力，而且速度越大压力差越大12。压强与流速的关系可以由伯努利方程得到，方程表述为： P+0.5v2=常数 （1-1）其中P是压强，是流体密度，v是流体速度13。图2.4 机翼受升力原理把机翼倒过来，就能产生相反的气动效果，产生向下的压制力。赛车简单的负升力翼模型由此而来。然而负升力原理在赛车上的应用与飞机还是有些区别，前负升力翼收到强烈地面效应，以及车身、轮胎、其他气动附加装置的影响。外流场的参数随着车身外部的流态变化而变化13。2.2空气动力学附加装置产生负升力的区域主要位于三个位置：前负升力翼装置、底盘、后负升力翼装置15。这也是赛车空气动力学的主要研究目标。一辆赛车空气动力学特性的优劣取决于这些部位的精细程度。赛车的负升力由这些装置来提供，在高速过弯的时候使轮胎有足够的附着力，防止侧滑，发动机的功率能够最大程度地得到利用。气动附加装置的优化很难用理论解决，需要根据每个赛道的特点进行改进并不断完善，利用仿真软件和实验甚至试车进行验证。2.2.1前负升力翼前负升力翼是赛车最前端的装置，起到引导气流的作用。它决定着气流通过上下车身、扩散器以及后负升力翼的比例和方向。前负升力翼可以抵消赛车高速行驶时自然产生的升力，增大前轮的地面附着力，改善转向性能，同时还可平衡后负升力翼引起的车头上仰的力矩，起着非常重要的作用。因为大学生方程式赛车属于中置后驱，质心偏后，如果前轮附着力不足，容易产生转向不足，使赛车不能按照车手的意图来行驶，降低了操纵稳定性。前负升力翼上往往设置襟翼（如图2.5），襟翼的攻角与离地间隙h对负升力系数CL和空气阻力系数CD有较大影响，在翼面几何尺寸不变的条件下，总负升力CLtot与襟翼攻角成二次曲线关系，前翼负升力CLw与攻角成线性关系（如图2.6）。相反地，总气动阻力CDtot与攻角成线性关系，前翼气动阻力CDw与攻角成二次曲线关系（如图2.7）。前负升力翼离地间隙与负升力系数、空气阻力系数关系如图2.816。图2.5 襟翼图2.7 CDtot、CDw与的关系图2.6 CLtot、CLw与的关系图2.8 前负升力翼离地间隙h与负升力系数、空气阻力系数2.2.2后负升力翼后负升力翼（即尾翼）作用于赛车后轮，使其附着力增加，如果在过弯时后轮发生侧滑，会让赛车产生转向过度，也是不稳定的工况。而且尾翼有提高起步能力和入弯前制动的制动性能。设计尾翼涉及的参数主要有尾翼与车身表面的距离、以及尾翼攻角。其一是尾翼与车身表面的距离，通常用尾翼距离车身表面距离h与赛车轴距l之比来描述，一般取0.25h/l0.62。尾翼距离较高时可以不受气流干扰，较好地发挥作用，但是支架过高容易产生剧烈振动甚至断裂，一般不宜超过800mm。图2.9 尾翼离地距离对CL影响其二是尾翼与地面的距离，尾翼最低点与地面距离为h，翼片截面两个端点间直线距离为c（如图2.9），通常用h/c来描述，离地距离越大，CL值越小，当h/c1后，CL不变。其三是尾翼攻角，原理与前负升力翼相似。2.2.3扩散器扩散器是空气动力装置中最有效率的部件，它在产生负升力的同时几乎不会产生空气阻力。扩散器利用的是地面效应，底盘和赛道之间的离地间隙越小，该区域气流运动的速度也就越大，根据伯努利方程，此区域的静压力也就越小，赛车所受的气动负升力也就越大，使得赛车被强烈地“吸附”在赛道上17。扩散器对底盘与地面间的距离要求非常高，高度越低越好，但底盘一旦与地面接触，由于前后气流被切断，扩散器立即失效。图2.10是扩散器角度为10o时的阻力和负升力系数随离地间隙变化而改变的曲线。图2.10 阻力和负升力系数与离地间隙的关系3 空气动力组件与车身的CAD初步模型建模工具为UG8.0，对于网格划分及流场计算，原车1:1的模型由于曲面过多和某些小角度的存在，会给网格划分带来较大的困难，容易产生不合格的网格，或者浮点溢出，还会大大延长计算时间，所以为了使分析计算顺利进行，要对车身进行简化。图3.1 车架装配图本次课题对“AERI-3”号赛车的车身进行新的简易建模，并加上空气动力套件。原始底盘如图3.1。本次去除了突出于车身外的钢管和悬架的相关管件，把发动机舱整合成一个整体， 传动系统也经行了简化。建模时如果各个部位分开建立然后装配，会在划分网格时增加许多重合或不必要的曲面，这些曲面在ICEM中还需要额外处理，造成不必要的工作，所以把所有的部件都设立在一个图里，并进行求和，使之成为一个整体。但是由于省略了一些管件，尾翼与轮胎是不与车身连在一起的，只能呈现空间悬浮的状态，这并不影响后续的计算。由上一章的分析，为了初步验证空气动力套件的性能，先根据经验值取居中，初步确定各部件的基本数据：底盘离地间隙：70mm；前负升力翼攻角：10，襟翼攻角：15；尾翼攻角：15，尾翼离地间隙：730mm，尾翼与车身表面距离：286mm；扩散器扩角：10；车身和空气动力部件的简化模型如图3.2、3.3、3.4、3.5所示8， 空气动力部件的效果有待下一步流体仿真。各个部位的关键参数要通过具体验证来进一步地修改和优化。车身数据：长3360mm，宽1397mm，高981mm图3.3 尾翼图3.2 前负升力翼图3.4 扩散器图3.5 整体图4 空气动力组件与车身的前期处理前期处理使用ICEM划分网格。模型建立好以后，还需要建立一个包围车身的计算域，宽度为3-5倍车宽，长度为5-7倍车长，高度为3-5倍车高18。模拟车身周围的流场变化时需要足够大的空间，特别是车身后部要让气流延伸，太小会产生回流，影响计算的准确性。本文的计算域取车身前部长7000mm，车身后部长15000mm，宽4000mm，高3000mm。ANSYS中网格划分主要有定义单元属性、设置建立网格所需的参数、生成网格与网格的修正等几个步骤19，网格划分又有多种类型，本文主要采用棱柱型网格，自动体网格划分。4.1 模型检查模型导入ICEM以后，需要对其进行检查，计算域必须是一个封闭的整体，各个曲面之间接触的部分不能有间隙，不能出现独立的曲面，否则划分网格的时候会产生浮点溢出或者其他问题。还有一种情况是两个面重合，这样虽然不会有很大影响，但也应尽量避免。这一步必须严格审核，否则之后的工作将很难进行。ICEM里有简单的修复工具，可以适当地修改，或者回到建模软件修改模型。检查以后得到图4.1结果。图4.1 计算域曲面检查图4.2车身面检查图中红线表示两个曲面是完全相接的，黄线表示曲面没有相接，由于建模和导入原因，轮胎部分一直不尽如人意，而且在后期的计算中轮胎可以作为独立的部分，对车身的分析不会造成很大影响，所以决定去掉轮胎。检查结果显示计算域和车身都是符合要求的，可以下一步设置。4.2 设置网格参数首先设置面网格大小，车身上不同表面网格的最大尺寸要相应变化。对于平顺或比较大地面，网格可以大些，设为32。对于有较小角度或曲面小的设置得小些，取16或8。整个计算域比较大，如果网格都划分得很小后期计算会很耗费时间，所以采用的方法是由车身向周围环境逐渐稀疏，在车身周围的一个区域建立过渡区，此处网格加密，取128，如图4.3。图4.3网格加密区域下一步是定义计算域内进口（INLET）、出口（OUTLET）、对称面（SYMMETRY）、主体（BODY）。全局最大元素尺寸为1024，棱柱高度为2.64，高度比率1.2。4.3 网格划分并检查质量以上准备好以后开始划分网格，ICEM中可以对各个平面的网格进行检查观看，此外曲面与曲面边界处需要格外注意，如果划分效果不好需要稍加修改。Y方向截面如图4.4。图4.4 Y 方向截面体网格ICEM中行列式检查计算每一个六面体的行列式值然后标准化行列式的矩阵来表征单元的变形。值为1表示理想的六面体立方块而0表示具有负体积的反立方体。网格质量以x轴表示， 所有的单元在0到1间。通常行列式的值在0.3以上可以为大多数求解器接受。对于质量较低的网格，可在ICEM中经行修改，其中一种方法是将与质量低的网格相关的曲面重新定义网格大小，然后再划分，替换原来网格，或者将不合格的网格打散，但是种方法可能会造成划分体的不完整，只有在不合格网格较少的情况下才适用。最后的网格数约为860000个。5 空气动力组件与车身的流体分析5.1边界条件运算选用k-湍流模型，需在入口边界条件中指定湍流参数，要求输入湍流强度I （turbulence intensity）和湍流尺度l（turbulence length scale）或输入k 和 的值。赛车外流场的计算一般取经验值 I =0.5%汽车空气动力学计算问题初探_黄天泽，湍流尺度ll=0.07L （5-1） L=4A/S （5-2）式中：L特征长度 A风洞入口面积 S风洞入口周长入口：选择速度入口（velocity-inlet）边界条件,输入来流速度20m/s，湍流强度为I=0.5%，湍流尺度l=0.024m；出口：选择压力出口（pressure-outlet）边界条件；地面：选择壁面（wall）边界条件，指定为无滑移（no slip）边界条件，以模拟移动地面；车身：选择壁面边界条件，指定为无滑移边界条件；顶部与侧面：指定为对称（symmetry）边界条件；5.2 外流场分析图5.1 前翼上表面压力云图通过fluent的分析计算，得到计算域内各个部分的压力、空气流速等分布情况，以及气流的走向。图5.2 前翼下表面压力云图气流首先遇到鼻锥和前负升力翼，一部分向上越过鼻锥和前翼流向后部，一部分向下流经底盘和地面的间隙。前负升力翼对气流产生干扰，由于翼片下表面比上表面长，使下部的气流流速更快，从而气压更小，由图观察得到，翼片上下表面的分界处压力最大，约在484Pa，上表面的压力平均值约为200Pa，下表面的低压区出现在最低点附近，约为-482Pa，这验证了翼片形状的选择是正确的，有效地使上下表面产生了压力差。从速度云图上看，最高速度为29.5m/s，最低速度为0m/s，最高速出现在前后翼的下方，说明翼片的形状选取是正确的，明显加快了下方的流速，这是形成压力差的必要条件。图5.3 气流速度云图尾翼部分导流不是特别明显，由压力云图上看，此处的上下压力差异没有前翼那么大，原因可能是攻角偏小，但由于迎风面积较大，此处气流处于整车的最上端，被前面车身影响的因素较小，压力分布较均匀，这样对赛车尾部的稳定作用是比较有好处的。上表面的平均压力约为200 Pa，下表面约为-198 Pa。图5.5 尾翼下表面压力云图图5.4 尾翼上表面压力云图图5.6 中轴线平面等压线由图5.6看出，鼻锥、前后负升力翼是等压线比较密集的区域，不论在正压区还是负压区，等压线密集就意味着压强梯度大，在正压区压强梯度大意味着这个区域的平均压强大和动能量损失大，在负压区压强梯度大意味着这个区域的平均压强小和动能量损失大，两者相互作用的结果就是气动阻力大20。上图是车身下的地面压力云图，很明显，底盘下的气压明显比周围小，地面效应发挥了其作用，低压区形成的负压能产生吸力把赛车向下压，使赛车中部稳定，是构成下压力的一部分。但是此方案的扩散器效果不是特别好，形成压差并不大，一个原因可能是离地间隙大，另一个原因是扩散器导流效果不好，没有使空气迅速地抽离底部，导致流速不够。解决办法是适当增加扩散器的长度和调整扩角。图5.5升力输出车身的迎风面积为1.06m2，车身产生的风阻大概116N，这个数值过小，可信度不高，原因可能是参数预设的问题，有待探究。气动阻力主要产生部位是前后负升力翼，这也是空气动力套件带来的弊端，车速越高，在负升力越大的同时，气动阻力越大。对于大学生方程式赛车来说，在比赛的大部分时间里车速不会超过70KM/H，本次课题分析预设的车速的在极端情况下，达到72KM/H，在车速低于72KM/H时的气动阻力是小于其极端情况的，空气动力套件的优势更明显。空气动力套件形成的负升力力fluent可以直接处输出（图5.5）。车身（body）在Z轴正方向产生了-251N的压力，地面效应产生的升力为-510N，总共产生76.1KG下压力，赛车的整车整备质量达到250KG，下压力只有整备质量的3/10，这个影响并不算大，但是结果证明了增加空气动力套件是切实有效的。空气动力套件的相关参数和流线还需要进一步改善，在小于30时，负升力随着攻角增大而增大，所以前后负升力翼的攻角进一步加大会有更好的效果。结 论空气动力学应用是方程式赛车的一个重要部分，本文针对大学生方程式赛车，从研究背景、空气动力运用机理、车身和空气动力套件建模及流场仿真验证，论述了空气动力套件对赛车运行的影响，并分析了其优缺点。本文的主要工作是在阅读文献的基础上，阐述了气动升力产生的原理，并运用到赛车领域，通过设置合理的结构，影响气流的走向来使空气流场产生对赛车行驶有利的因素。本文使用大学生方程式赛车底盘建立了车身的UG模型，采用k-湍流标准模型对车身进行流场仿真，在前翼、尾翼、扩散器部位分析了气动升力及气动阻力，计算结果显示空气动力套件达到了预期的效果，在竖直方向上得到了0.3倍整车质量的负升力，但是这个数值远没有达到空气动力的极限，此套设计方案趋于简单，只是在比较浅显的层次上进行一些改进，理论水平还有待进一步加强。此次课题也是在前人的研究基础上，把空气动力学和计算流体力学的相关内容结合大学生方程式做了一些探讨，结果虽然不算丰硕，但是为我校的FSAE比赛开了一条道路，为以后的设计抛砖引玉，希望