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FSC 賽車翼型的選擇與二維流場分析論文
1 翼型的選擇及設(shè)計
在賽車領(lǐng)域空氣動力學(xué)的應(yīng)用是很廣泛的，空氣動力學(xué)在賽車領(lǐng)域的應(yīng)用是非常廣泛的，我們將此應(yīng)用于FSAE 的賽車上面，給賽車加裝空氣動力學(xué)套件，使其的操縱性能得以提升。這里所言空氣動力并不是要把空氣變成賽車的動力，而是讓空氣在賽車高速行駛過程中氣體的高速相對流動而產(chǎn)生的氣壓變成對賽車有利的力量。在空氣動力學(xué)套件又包括前翼、尾翼、底部擴(kuò)散器，本文將對前翼、尾翼翼型的選擇進(jìn)行介紹.
翼型的主要影響參數(shù)有前緣半徑、相對厚度、相對彎度及雷諾數(shù)(Re)，其中前緣半徑和相對彎度增大，最大升力系數(shù)增加;當(dāng)相對厚度較大時，升力線斜率也將隨相對厚度增大而增加。綜合以上因素，再考慮到加工的難易程度，我們選取了GOE226、GOE430、GOE441、GOE502 這四種翼型進(jìn)行進(jìn)一步的分析。
在雷諾數(shù)(Re)的影響因素上，由于大學(xué)生方程式汽車大賽的規(guī)則限制，在比賽場地中放置多個樁桶，使得賽道彎道較多，在耐久賽時平均速度為20m/s 左右，因此文章選取低Re 數(shù)的翼型。雷諾數(shù)，是應(yīng)用最廣泛的無維參數(shù)之一，公式為Re=pVL/μ。其中，p 為流體密度，V 為來流速度，L 為物體特征長度，μ 為流體粘度。粘性流的流動狀態(tài)對實驗結(jié)果的影響很大，通常利用雷諾數(shù)來判定流動狀態(tài)是層流還是湍流。對于圓管流動，當(dāng)Re 小于2300 時，管內(nèi)一定為層流;當(dāng)Re 大于8000-12000 時，管內(nèi)一定為湍流。根據(jù)經(jīng)驗，在做翼片研究中，我們可以認(rèn)為流過翼片的氣流是層流。此外在空氣動力學(xué)研究中，常把L 看作是翼片弦長，由于受到前翼不可以超出前胎前端762mm，尾翼不可以超出后胎后端305mm，兩者不可以比前胎外側(cè)或者后胎外側(cè)二者之中最寬的更寬這幾條規(guī)則的限制，這里我們選取弦長為400mm 進(jìn)行分析。
在同一升力系數(shù)下，GOE430、GOE441 有較低的阻力系數(shù)，在選用時能夠降低空氣阻力對賽車行駛的影響，提高單圈圈速，因此選擇GOE430 和GOE441 作為尾翼的翼型。
2 翼型攻角的確定
在選擇好翼型之后要確定翼型的攻角，理論上講攻角越大產(chǎn)生的升力也就越大。然而在現(xiàn)實中，當(dāng)攻角過大，氣流將與翼面表面發(fā)生分離，引發(fā)失速，從而使升力減少。為此，就需要得出避免失速的最大攻角，文章使用ANSYS FLUENT 模塊進(jìn)行二維流場分析，分析過程如下。
2.1 模型建立
將翼型的數(shù)據(jù)以坐標(biāo)的形式保存為excel 格式，并通過宏命令直接在CATIA 里面生成相應(yīng)的翼型截面。
2.2 計算域的確定
汽車實際的外流場是無窮大的，但是這樣的計算域是沒法計算的，參考一些論文，本文將計算域設(shè)成長方體，設(shè)定計算域的長度是10 倍車長20000mm， 前面3 倍車長6000mm， 后面6 倍車長12000mm，高度是4 倍車高6000mm，寬度是7 倍車寬10500mm，左右側(cè)各為3 倍車寬4500mm，在這樣大小的計算域，可以得到比較準(zhǔn)確的計算結(jié)果，并且可以提高計算速度。
2.3 網(wǎng)格的劃分
使用ICEM-CFD 劃分四面體網(wǎng)格，四面體網(wǎng)格可以適應(yīng)復(fù)雜的曲面，這樣劃分出來的網(wǎng)格質(zhì)量可以得到保證，而且四面體網(wǎng)格較其他網(wǎng)格劃分起來更為容易，使得網(wǎng)格劃分的時間大大縮短。在一些較小的曲面對網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，這樣劃分的網(wǎng)格質(zhì)量才會更高，從而避免的計算不收斂的問題。
2.4 邊界條件的確定
(1)湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型。
(2)水力直徑：D=4× (W×H)/(2×(W+H))
W 和H 分別為計算域入口的寬度和高度。W=10.5m，H=6m。
D=4×(6×10.5)÷(2×16.5)=7.64
(3)湍流強度：
為氣流平均速度，Re 為雷諾數(shù)，μ 為動力粘性系數(shù)。Uavg=20m/s，Re=1.398e7，μ=1.81e-5ns/m2，I=0.02設(shè)置好參數(shù)后開始迭代分析，得出了翼片的升力系數(shù)(cl)以及阻力系數(shù)(cd)。改變翼片的攻角得出不同的升力系數(shù)(cl)和阻力系數(shù)(cd)。從而可以得出翼片在最大升阻比時所對應(yīng)的攻角。經(jīng)過分摘要：在設(shè)計FSC 賽車空氣動力學(xué)套件時翼型的選擇十分重要，合適的翼型能夠在產(chǎn)生較小阻力的前提下大幅度提高賽車的負(fù)升力，從而提高賽車的操縱性。文章借助prifili 翼型軟件選擇合適的翼型，再根FLUENT 得出最大攻角以及翼片的相對位置，從而設(shè)計出符合自己要求的空氣動力學(xué)套件。
同Re 數(shù)下不同翼型的升力系數(shù)(cl)與阻力系數(shù)(cd)的關(guān)系曲線析得出了GOE430 的最大攻角為5°。GOE441 的最大攻角為16°。在確定了主翼和襟翼的攻角后，要確定兩者的相對位置，不同的相對位置對于最后產(chǎn)生的升力也有顯著的影響。
首先是襟翼距離主翼的高度對升力的影響。通過改變襟翼距離主翼的高度，得出不同的升力阻力，以及升阻比。見表2。結(jié)論：根據(jù)這一組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，間隙較小的時候，主翼的負(fù)升力比較大，而襟翼的負(fù)升力比較小，間隙較大的時候，主翼的負(fù)升力有減小的趨勢，而襟翼的負(fù)升力會增大，我們選擇30mm 作為主翼和襟翼的間隙，這個數(shù)據(jù)的總負(fù)升力較大，且cl/cd 最大。
然后在30mm 的高度下橫向比較，即把襟翼沿著x 方向向前或者向后平移。通過改變主翼和襟翼水平方向的距離得出了相對應(yīng)的升力、阻力、升阻比。
結(jié)論：由這一組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在相對于原來位置沿著正方向移動，負(fù)升力會減小，在相對于初始位置-5mm 及以后的位置總的負(fù)升力比較大，我們橫向位置選擇-15mm，這個位置的負(fù)升力比較大。通過這兩組數(shù)據(jù)的分析比較，我們優(yōu)化后的位置相對于原位置向上平移了30mm，向后平移了15mm，這個位置的負(fù)升力是90.13N，比原位置61.27N 增加了28.86N 的下壓力。
3 結(jié)束語
通過以上分析，我們選擇GOE430 和GOE441 這兩種低Re 數(shù)翼型作為FSC 賽車的翼型，經(jīng)過FLUENT 的分析，得出了兩者的最大攻角分別為5°、16°。經(jīng)過進(jìn)一步的仿真分析，得出了兩者的相對位置關(guān)系，主翼與襟翼的豎直間距為30mm，水平間距為15mm。
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