基于CFD标准马自达赛车的车翼界面特性的研究英文翻译.doc

外文文献译文基于CFD标准马自达赛车的车翼截面特性的研究W.Kieffer，S.Moujaes，N.Armbya摘要有关参加过主要赛事的赛车的空气动力学的特征，国际对此已做过大量的研究。因为赛车运动的竞争性，这方面研究常常推陈出新。经营小联盟赛车运动的队伍没有主要赛事的筹资渠道来筹集资金去做空气动力学的研究。为了尽力提供给参加小联盟的标准马自达赛车运动的队伍，这项研究的进行是使用Star-CD、CFD技术，对标准马自达赛车不同攻角时前翼和尾翼处气流，以及前翼处地面影响进行湍流仿真（使用k-模型）。实验仿真结果以图片给出，显示了压力和速度分布，以及不同情况下的上升系数Cl和牵引系数Cd。这些图片数据表明地面对Cl有显著的影响，攻角对上升系数和水平系数有重要的影响，也表明水平角度时，则出现阻碍现象。可以得出结论：根据试验有效性这个信息对提高改善标准马自达赛车的操纵是值得的。关键词:CFD，翼型，马自达赛车， k-湍流模型1序言图1 标准马自达赛车空气动力学的的发展，源自于在赛车运动的高度竞争环境下的研究，被作为赛车团队或生产厂家的竞争优势。任何拥有这一优势的团队，都不愿意同他们的竞争者分享。因此，工业或者运动方面的多数研究都不会公布，而被公布的研究要么是普通的类型，要么是由于规则改变或者其他技术的发展而不再有竞争力的交通工具。文献【1】的成果包括对二维车翼截面绕流的理论基础和三维理论的应用，文献【2】调查了低于声速条件下的升降机机翼的设计与影响。Liebeck也调查盖尼式襟翼的影响，即位于机翼边缘正弦线上的平板，并对机翼附近流体的力学特征有影响3,也扩充了Abbott出于种种目的而发展出他自己的一系列机翼。一部分他的工作涉及升降机翼型，而且在低雷诺数条件下4. 他在兰利式水管进行测试不同盖尼式襟翼构造的车翼直观的观察盖尼式襟翼附近的流场。可以发现Liebeck理论建立的流场通常被文献【5】所考虑的不同盖尼式襟翼的几何尺寸证实。Liebeck的研究调查了两辆同时行驶的一般赛车的车翼/车身的相互作用。他们当时结合三维计算机仿真技术同风洞实验中赛车空气动力学发展（1994）6，对二维的机翼在地面效应进行实验和计算研究7，并且在卫奇塔州立大学榉木纪念馆对各种的翼型构造进行低速风洞实验。正如上述文献回顾，已经公布的赛车业的研究是基于一般的形状或陈旧设备。研究的是那些参加国际重要赛事的赛车，而从研究中获得了非常大的价值回报。这项研究的意义在于它为当前合法经营业余和小联盟赛车且缺乏这方面信息的这一特殊群体，提供了空气动力学特性的信息。本论文的题目是标准马自达赛车的车翼截面特征的研究。研究两个车翼（前翼和尾翼）剖面，攻角，以及车翼上升和水平特性。本文研究大雷诺数湍流，采用k-模型对标准马自达赛车进行数值模拟，研究前翼和尾翼不同攻角时的空气动力学影响。考虑前翼的地面效应，赛车前翼将会有新的结果。2标准马自达的基本描述 图2 前翼的横截面图3 尾翼的横截面标准马自达赛车是低成本低水平的设计，强调驾驶员的发展。因此，机壳，车身和发动机的设计是禁止改变。图1展示的是一辆标准马自达赛车。这辆特别的赛车属于加利福尼亚的子弹赛车圣克利门蒂团队。它只有一个单座，车轮裸露，且配备赛跑圆滑胎。一个稍微修改的马自达13Brotary 发动机与一个5速的拥有明确齿轮啮合率的变速驱动桥连接。冷却空气沿着水油冷却器指定管径大小的管道进出。车身是一个无地面效应的平板，平板上有前后翼。美国赛车俱乐部公司2002年规定，限制车翼计划表和横截面图，而这些应该由制造商提供。攻角可取最大为16度，攻角的测量是从车翼中心部分的顶端端到后缘的顶端。这是背离常规的，实际参考的空气动力学攻角是从前缘的中心到后缘中心。美国赛车俱乐部公司使用的方法测量起来更加简单快速，可以在赛车道上使用简单工具，确保遵守规则。本研究采用美国赛车俱乐部公司的测量方法，所以结果可以直接应用到赛车上。3车翼的物理特性一个标准马自达的前翼是单个单元组态，包括两个部分，玻璃纤维鼻两边各一个。每个车翼剖面的固定端有攻角调节器，外侧端有泄漏板。前翼的翼长为15英寸。它被安装距前沿中心地面以上5.5英寸，在有地面效应的距离之内。模拟考虑了攻角，赛车前翼处地面对上升和牵引的影响，以及后翼攻角的影响。前翼的剖面图如图2所示。图中角尺寸不同于美国赛车俱乐部公司和标准空气动力学所规定的攻角。根据前翼的角尺寸和标准空气特性，前翼在速度80Miles/h时雷诺数为，在速度130Miles/h时雷诺数为。尾翼剖面图如图3所示。它是单个单元设计，在中心有两个支持支柱，在末端有泄漏板。用攻角调节器作为提供支持的部件。尾翼的翼长为17.75英寸（美国赛车俱乐部公司）。尾翼安装在机壳上，可以认为是在自由空气中。图中尺寸角是不同于美国赛车俱乐部公司和标准空气动力学所规定的攻角。根据尾翼的角尺寸和标准空气特性，尾翼在速度80Miles/h时雷诺数为，在速度130Miles/h时雷诺数为。4物理模型图4 前翼受地面影响的网格模型图5 尾翼网格模型图6 数值问题的网格独立性测试这个问题可以作为一个二维的问题来验证概念，确定将来工作所需要的计算量。另一方面，赛车车翼通常深度有限，因此对此主要抓住车翼的主要几何特征以及重要参数的影响，例如攻角，前翼的地面效应。文献【1】描述把二维风洞试验结果应用到三维的有限长度的机翼上。文献【8】、【9】把它扩展到赛车的运用，车翼附近气体的流动受到地面和车身的交互影响。由于这交互影响，只有车翼的小部分可以在二维的条件下模拟。忽略这些局限性，二维的方法可以适用这类问题，因为使用同种翼型，这类问题在不同条件下进行比较。车翼被倒置产生下压力而不是升力。因此攻角的命名与应用于飞机的空气动力学规定相反。正攻角是指前缘低于后缘。前翼和尾翼分别以攻角-、和建模。由于美国赛车俱乐部公司的规定，被选择作为研究的最大攻角。因为车翼安装在赛车上时车翼具有调节极限，-攻角被选择作为范围的又一临界值。为了观察自由空气中前翼的影响，本文建立攻角为、的两个模型进行研究。5计算机模型数学模型建立及运行使用Star-CD计算流体动力学（CFD）技术。由于等温且无热交换的假设，能量方程就不介绍了。这可以根据能量方程中的粘性耗散项没有影响来判断，或者根据车翼如图1所示，它是用浅色或者白色画的，能够反射阳光，保持车翼表面附近的温度条件。这两方面的结合会使通过边界层大的温度变动最小化，因此否定了温度函数变量的热性能满足动量和能量方程的必要性。连续性和动量方程有待解决。湍流模型选择k-模型。各个方程和这种湍流模型相关的默认值在文献【10】中有更多的细节，这里就不再讨论了。前翼基本上附属在赛车车身两边，而后翼作为支撑附在赛车车身。这些通常是介绍对车翼绕流的三维影响。尽管如预计一样，二维模拟的结果是受到结构细节均匀影响的。然而相关结果和不同模拟的趋势可以预测具有一致性。由于赛车车身前部形状的原因使流动管道变窄，在车翼顶部的空气流速变得更快，所以前翼的附着模式将最有可能使负升力略有下降，而由于车翼周围气体速度的增加，牵引力也会略有增加。而对于尾翼来说，升力将可能有极小的改变，因为支撑的横截面相对于车翼来说比较小，同时牵引系数也会有很小的增加，因为支撑附近的车翼的流域的截面积减少，使当地速度增加。由于相对较小雷诺数的流动，任何车翼的最终影响可以假设很小，例如涡流的形成。Ranzenbach在文献【6】中建议了计算网格的尺寸，把距前缘1.75倍弦长的上游作为入口，距尾缘3倍弦长下游作为出口。车翼上下网格的建议距离是2.56倍弦长。这些尺寸可用于这个问题。因为后翼弦长45.05厘米(17.75英寸)，则入口和前缘距离是77.5厘米（31.0英寸），距尾缘135.25厘米（53.25英寸），翼型的顶部和底部距离114.3厘米（45英寸）。数字进行四舍五入得到尾翼的计算网格为。车翼的前缘距入口设置为90.0厘米（36英寸），意味着出口距尾缘设置为137.16厘米（54英寸）。顶部和底部默认对称性边界，即正常速度和所有其他变量的正常梯度为零。这是Star-CD提供的最适合的边界条件。对于有地面效应的前翼，前缘到模拟地面的网格的高度通过边界墙来进行修正。前翼的计算网格划分出1764个单元。图4所示的是地面效应的前翼划分的网格。图5所示的是尾翼的网格模型，共有10968个单元。前翼网格独立性的测试需要合适的划分尺寸。选择三节点单元划分时的节点密度分别有2208，4416，8832个节点。图6和表1给出不同网格密度验证的结果。图6显示了车翼前缘到下游（水平方向）12.7厘米处竖直方向上的速度分布。该线跨越了车翼顶部到水平地面这顿距离。表1也总结了作用在翼型上集中压力Fy的值。两者的这些结果都表明这些节点密度的速度分布没什么不同之处，而计算出的正压力也只有很小的差异 (1.0%)，工程计算中认为这也是准确的。 表1 附加净压力的网格独立性计算划分尺寸 节点数 压力Fy（N）粗糙 2208 961.54细 4416 955.41最细 8832 954.498表2 翼型在自由空气和地面效应实验比较自由空气 地面效应攻角 压力（N） 攻角 压力（N）0 642.08 0 808.924 848.02 4 961.546结果和讨论计算机模拟的结果绘图表示。速度图显示了流场不同点处的空气流速的大小。速度分布把当地速度与自由来流速度标准化，其得到的弦长的结果值作为通过弦长的速度分布。同样的方法，压力系数根据标准弦长衍生出压力分布。61前翼(翼型)图7 前翼在自由空气中的速度分布（攻角为）图8 前翼受地面影响的速度分布（攻角为）图9 自由空气/地面效应的速度分布（攻角为）图10 自由空气/地面效应的压力分布（攻角为）图7和图8显示前翼分别在无阻碍气流和距离地面（有地面效应）13.97厘米（英寸）前缘中心处的速度分布。随着翼型靠近地面，上表面的速度比在自由空气中的速度小。车翼的下表面，根据连续性原理保持车翼上游和下游同样的流动，地面效应下的速度比自由空气中大。下面的两个图，图9和图10显示了地面效应下的翼型产生比在自由空气中产生更大的压力。两者也显示出地面效应比自由空气翼型上下表面压力差更大。两翼上表面的速度和压力只有一点变化。两翼最大的不同之处在于下表面。表2给出和攻角翼型在地面效应和自由空气中的比较。图11 不同攻角的时前翼的速度分布图12 不同攻角时前翼的压力分布（对于图片中不同颜色的参考解释，读者可以参考这篇文章的网络版本）图13 攻角时前翼的速度分布图14 前翼的系数Cd和系数Cl随攻角变化的关系曲线图11和图12总结了不同攻角下地面效应的前翼的运行结果。攻角时高速区域在翼型表面尾缘处发生分离。这表明翼型将接近失速。攻角时，半弦长处发生分离。这可以从这些图片中的速度和压力分布确定。令人感兴趣的是攻角时车翼在x/c=0.4处速度发生突降。这是分离现象的结果。还可以观察出这是攻角时翼型下游涡的存在的结果（图12灰色和蓝色部分）。x是从车翼尖端开始的水平尺寸变量，而c是从车翼尾部到上游尖端，车翼水平方向上的弦长。图9和图10中竖轴分别是无量纲u/U和压力系数Cp。u是车翼附近水平速度，U是进入计算域的水平来流速度。各攻角下上表面的速度和压力分布相似。不同的是下表面的速度和压力分布。通常情况下增加攻角会增加压力。压力图显示车翼的绝大部分低压表面都靠近地面。空气通过车翼和地面之间时加速，形成低压区。靠近地面的低压部分越大，低压面积越大，因此产生的压力就越大。图13显示了攻角的速度分布，表示靠近地面速度相当高，而不是车翼上面，在车翼尾缘的速度相当低。它也显示了之后的区域出现流动逆转。CFD技术能计算车翼上的组合升力和牵引力，图14显示了地面效应中上升系数Cd和牵引系数Cl随攻角的变化关系。攻角时产生最大压力。这表明如何判断失速条件。Cd是规范（由速度头分）和集成作用在车翼的水平力，而Cl是规范（由速度头分）和集成车翼区竖直方向力。6.2 尾翼对于尾翼，因为车翼远离地面，只有自由独立的车翼可以模拟，因此本论文模拟尾翼不考虑地面效应。图15显示的是攻角时尾翼的速度分布，表示倒置车翼则车翼底部表面速度更大。对不同攻角模型进行模拟，结果绘图，并和攻角时比较。图16和图17分别描绘了攻角时的速度变化和压力分布。倒置车翼则负压区位于车翼的下表面，正压区位于车翼的上表面。图18和图19分别显示的是尾翼在和攻角下压力和速度图的轮廓。图20和图21显示的是不同攻角时速度和压力分布的总结。攻角时在x/c=0.5处，攻角时在x/c=0.2处，下表面速度有大幅度下转。压力图显示车翼的攻角时在x/c=0.42处有大的倾角。可以清楚的观察到失速的出现。攻角大于时尾翼就会出现失速现象。图15 攻角时尾翼在自由空气中的速度分布图16 攻角时自由空气/地面效应的尾翼速度分布图17 攻角时自由空气/地面效应的尾翼压力分布图18 攻角时尾翼的压力分布图19 攻角时尾翼的速度分布图20 不同攻角时尾翼的速度分布图21 不同攻角时尾翼的压力分布图21显示压力概况，归纳出不同车翼位置处的压力系数。图中在0.0-0.8之间下表面观察的数值有些是负值，这表明和预计的一样，正确的预测车翼产生负升力从而更好地帮助保持车辆在轨道上。然而，随着尾缘低压区的增加，牵引力也增加。攻角由增加到，上表面的高压区也增加，但是同时也向前移动。攻角时，高速区开始和车翼表面发生分离（看图20）。这表示车翼开始接近失速条件。观察攻角时的速度图，分离点可以看出前移了。像攻角时前翼一样，从详细的向量图中可以观察出在尾缘的后面出现了涡。图22 尾翼的阻力系数，Cd和Cl随攻角变化曲线图22绘制的是尾翼的上升系数Cd和牵引系数Cl随攻角变化的关系曲线。攻角时出现最大压力。这表示失速的临界条件。7.讨论与结论对标准马自达赛车的前翼（地面效应/无地面效应）和尾翼（自由独立）的翼型轮廓进行不同攻角的二维CFD研究详细的沿着翼型表面的速度和压力分布图已经给出。和怀疑的一样，前翼的性能会受到近地的影响。当流动考虑地面效应进行模拟，前翼会产生更大的压力（负升力）。这可以从图10受地面效应影响负升力有明显的增加看出。之前给出的表2显示了攻角和的压力受地面的影响。计算结果清楚地表明当前翼考虑地面效应时力增加13到20。这个增长可以归因于车翼下面预计速度的增加，它反过来减少了下面的压力。图14总结考虑地面效应时系数的结果，也显示了系数Cl从攻角到增加了20。另外，Cl有明显的增加，增加了45，这表明在攻角和之间车翼有一个失速的可能性。前翼的Cd一直到攻角都有稳定的增长，可增长50，之后系数值趋于一常数。可以预测牵引力和升力会增加直到失速。考虑尾翼时，图22表明尾翼和前翼有相同的影响，显示随着攻角接近的明显变化。之后，数值降低了10，表明了怀疑的失速条件。于此类似，随着攻角的增加，预期中翼型的Cd显著地单调增加为设计目的，这些结果表明，为标准马自达赛车的稳定性和操控的适当整体考虑，前翼要考虑地面效应。对于这两个翼型，车翼的水动力性能明显受到攻角的影响，还要考虑赛车的整体操作性。这些数值，以及实验验证和对作用在这些赛车的特别指导机制的整体分析，可以提高这些车辆的最佳操控。建议将来多做前翼的各种地面间隙参数研究，方便查看上述系数的影响。此外，赛车周围的热温度梯度和通过这些系数条件下空气密度的影响也应该研究。参考文献1 Ira H. Abbott, Albert E. Von Doenhoff, Theory of Wing Sections, Dover Publications, Inc., New York, 1959.2 Robert Liebeck, Design of subsonic airfoils for high lift, AIAA Journal of Aircraft 15 (9) (1978) 547561.3 Richard Eppler, Airfoil Design and Data, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, Germany, 1990.4 Dan H. Neuhart, Odis C. Pendergraft Jr., A Water Tunnel Study of Gurney Flaps, National Aeronautics and Space Administration, NASATechnical Memorandum 4071, 1988.5 Joseph Katz, Lee Dykstra, Effect of Wing/Body Interaction on the Aerodynamics of Two Generic Racing Cars, Society of AutomotiveEngineer