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采用主动翼概念的赛车空气动力学分析

2022-01-16 16:03:02·  来源：AutoAero  
　
摘要在高速赛车中，空气动力学是决定赛车性能和稳定性的一个重要方面，主要受前后翼的影响。主动空气动力学包括任何类型的可移动机翼元件，可以根据车辆的操作条
摘要
在高速赛车中，空气动力学是决定赛车性能和稳定性的一个重要方面，主要受前后翼的影响。主动空气动力学包括任何类型的可移动机翼元件，可以根据车辆的操作条件改变其位置，以获得更好的性能和操纵性能。本工作主要针对赛车原型车的前后翼进行设计。前、后翼的设计采用了高下压力翼型。利用CFD工具，在没有机翼的基准模型上进行了一次气动分析。为了进行研究，考虑的参数是在60、80、100和120公里/小时的不同测试速度下，前、后翼的迎角在0-18°范围内。利用ANSYS Fluent软件进行了仿真。仿真结果表明，车辆性能和操纵参数均有明显改善。为了验证结果，制作了一个比例模型原型，并在风洞中进行了试验。
关键词
主动空气动力学，机翼，迎角，赛车
绪论
在赛车中，空气动力学一直是一个很有影响力的课题，它的目的是在不增加实际质量的情况下，最大化车辆的下压力以增加牵引力。最初的赛车主要是为了达到最高速度而设计的，其基本目标是减少空气阻力。然而，在高速行驶时，车辆会产生升力。为了提高操控性和稳定性，安装了能产生负升力的倒置机翼，即下压力。赛车一直在不断的进化，通过几种不同的方式来提高赛车的空气动力学性能。这项工作特别涉及赛车的主动翼概念。根据车速条件，以减小阻力、增加下压力为目标，进行数值分析，找出最佳的前后翼迎角组合。
数值分析
车辆的选择与建模
本研究选择一辆Formula SAE SUPRA赛车。所有车辆的数据规格已收集为开发的前翼和后翼。该模型经过几何清理，以简化复杂的结构和汽车的小细节，如叉骨，发动机等。以无翼赛车的气动力为基准条件
表 1 汽车的外形尺寸
为了进行简单的流动分析，我们考虑了以下几点:
•忽略了汽车的小细节和挤压部件。
•驾驶员身体和发动机舱室已经简化。
•假设汽车以恒定的速度行驶。
•道路、墙是固定的。
•忽略车轮运动的影响
图 1 三维CAD基准模型和机翼模型
三维CAD模型采用SOLIDWORKS工具进行建模。不同的机翼配置被建模并组装在主基线车身上。在本研究中，使用了单元件的前、后翼。在60、80、100和120公里/小时的不同测试速度下，前、后翼迎角在0-18°范围内变化3°每级。倒置NACA4412型因其高下压力特性而广泛应用于赛车机翼。考虑到机翼外形、执行包装约束的竞赛规则和汽车的气动力平衡，计算了机翼组件的跨度和弦长。
图 2 机翼尺寸

仿真模拟
利用ANSYSWorkbench工具进行仿真。考虑0.7纵横比和4%堵塞比，选择22米长× 8.3米宽× 5.8米高的计算流体域尺寸，如图3所示。采用ANSYS网格分析软件对汽车外壳进行网格生成。选择接近型网格。网格的细化采用了本体尺寸和表面尺寸特征。此外，箱体的细化也用于车身附近，以精细捕捉汽车附近的气流流动。对模型生成非结构四面体网格，如图4所示。模拟时，所采用的边界条件如表2所示。
图 3 计算域尺寸
图 4 计算域网格和车体体网格
表 2 Fluent的设置和边界条件
1
速度入口
60/80/100/120 kmph
2
压力出口
大气压
3
空气密度
1.225kg/m^3
4
湍流模型
可实现的k-ɛ标准墙功能
5
湍流强度
5%
6
湍流粘度比
10
结果和讨论
基准模型分析
利用ANSYS的CFD后处理模块，对汽车周围的流动特性进行了分析。如图5所示，不同车段的压力和速度等值线有助于识别高压力点和尾迹区域的范围。当空气在前方与车辆接触时，速度变为零，因此，产生的压力很高。这一点被认为是驻点。随着空气进一步流过前鼻翼部分，气流仍然附着在驾驶舱的开始部分。座舱后几何形状的突然改变导致了气流的分离。流量被驾驶人员和周围结构阻碍，导致回流很小。尾流区在紧靠主环箍的后面形成。空气从尾流区域的车顶和车底涌出，形成小漩涡。车轮产生压力阻力，因为他们阻塞了相当大的流量。在四个车轮上均观察到车轮前侧的滞止点和车轮后的尾迹区。叉骨连杆由于其较小的正面尺寸，对阻力的贡献较小。在80 km / h时，阻力系数和升力系数分别为0.370和0.044。
图 5 80km/h基准模型对称面压力和速度等值线图
带翼轿车分析
在进一步的CFD分析中，将前翼和后翼添加到基准汽车模型中。在60、80、100和120公里/小时的不同测试速度下，前、后翼迎角在0-18°范围内变化3°每级。阻力和升力系数计算，分别对前和后翼的每个速度进行机选。
整车阻力分析结果表明，对于较低的前后翼AOA，其Cd值低于基准模型。随着AOA的增大，Cd值也随之增大，最高可达0.546。在高AOA时，由于前缘投影面积的增加，机翼产生的阻力贡献增大。因此，也得到了较高的下压力值。因此，Cd值和Cl值之间有一定的关联性。然而，在合并了前翼和后翼后，总负升力是在汽车上方获得的。与无机翼的基准模型相比，倒置机翼在各种AOA和速度组合下都能提供下压力。倒翼是唯一负责下压力的部件。对于高下压力，汽车也必须承受高阻力。然而，一个最佳的组合是可以降低Cd并且提供高下压力。
为了表示Cd相对于AOA参数的性质，将Cd相对于前AOA和后AOA的图形绘制成如图6所示的3D图形。
流动的本质上的机翼模型几乎是类似的基线模型上的前鼻翼截面和驾驶舱区域。压力和速度等值线图如图7所示。然而，与基准模型不同的是，来自前翼的空气首先打击前翼。在前翼的帮助下，空气流动被引导到整个汽车的上方。因此，前方的AOA在决定整辆车的阻力方面起着重要的作用。尾翼被放置在主箍后面的区域。撞击后翼后的气流在发动机室上方的主要尾流区被改变方向。端板有助于引导机翼上方的空气，并将叶尖损失降至最低。主环箍后的再循环区域与基准模型相似。
图 6 Cd与AOA在60公里/小时的三维表示
图 7 对称处的压力和速度轮廓
讨论分析
比较了不同速度下基准模型和机翼模型的Cd值。可以观察到，在60公里每小时的速度下，8.64%的Cd降低是通过使用表3中提到的机翼组合实现的。同样，80公里/小时的速度降低了8.85%，100公里/小时的速度降低了11.94%，Cd降低了9.23%。
表 3 前后翼迎角筛选后结果
在不同的速度下，对于AOA高达180的机翼，负升力系数可高达0.68。此外，阻力系数值可高达0.55的高AOA。因此，Cd与Cl始终是一种权衡。
表 4 Cd值的比较
实验检验
采用1:30比例的基准模型和机翼模型(12°前AOA和9°后AOA)进行风洞试验，比较仿真结果。3D打印技术用于快速成型。采用尼龙2200材料的选择性激光烧结(SLS)技术进行3D打印模型。
图 8 基准模型和机翼模型的比例模型
风洞测试
试验在开式风洞上进行，试验截面尺寸为300mm × 300mm，长度为1000mm。风洞有3.0马力的感应电机。最大风速可达30米/秒。风洞试验是在80公里/小时的模型上进行的。风洞试验得到的阻力系数值为0.380。
结论
采用前后翼相结合的方法对赛车进行了气动分析。此外，汽车上方气流的性质被可视化和研究。与基线模型相比，采用仿真方法的机翼模型由单元素的前、后机翼组成，Cd降低了约10%。约-0.35的升力系数为实现后合并车翼。研制了主动系统理想翼面AOA角参考表。按比例模型进行风洞试验，结果表明相关性在10%以内
定义
AOA-攻角 Cd-阻力系数 Cl-升力系数
文章来源：P Bhanushali, P., Agrewale, M.R., and Vora, K.,“Aerodynamic Analysis of Race Car Using Active Wing Concept,”SAE Technical Paper 2019-28-2395, 2019,doi:10.4271/2019-28-2395.
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