FSAE赛车空气动力学套件组合设计分析

柏秋阳,　王　辉,　李嘉凡,　郝旭飞

(武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,湖北 武汉　430070)

FSAE赛车空气动力学套件组合设计分析

柏秋阳,王辉,李嘉凡,郝旭飞

(武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,湖北 武汉430070)

摘要:FSAE赛车的空气动力学套件及各套件的交互作用对赛车的设计和性能至关重要。传统空气动力学套件的设计通过对单个组件确定造型,对其分析后修改和优化,造型单一且较少考虑各套件间的交互作用。文章基于雷诺平均湍流方程并结合Realizable k-ε湍流模型,建立三维FSAE赛车外流场计算模型,运用正交实验设计方法,考虑各套件间的交互作用,分析了不同套件组合对赛车空气动力学性能的影响。结果表明:负升力的增加也会伴随空气阻力减小,存在优化设计方案;各组件对整车空气动力学性能的影响程度为定风翼>前鼻翼>扩散器;套件间配合对提高整车空气动力学性能至关重要,应尽量使各套件间气流顺畅过渡。通过实车试验测试,进一步验证了该分析模型及结论的正确性。

关键词:FSAE赛车;空气动力学套件;设计;分析

近年来,随着大学生方程式汽车大赛(FSAE)在世界范围内迅速发展,赛车发动机、底盘等方面的技术日益成熟[1-3]。国内外各个车队都将目光转向了赛车空气动力学的研究上,希望通过高水平空气套件的设计,取得成绩上更高的突破。FSAE空气动力学套件主要包括前鼻翼、定风翼和尾部扩散器3种组件。据统计,赛车大约80% 的抓地力是由下压力产生,剩余20% 由轮胎提供[4]。下压力不足将影响赛车在高速行驶过程中的稳定性。空气动力学套件不仅能改善整车的空气动力学性能,而且可以提供足够的负升力,提高赛车入弯的稳定性和出弯时的较大加速度。目前国内各个车队的空气动力学套件设计,大多在已确定造型的基础上,对设计进行分析优化。文献[4]在相同造型参数下增加翼片数目,提高负升力系数值约12%的同时阻力系数也会增加约10.6%;文献[5]通过改进单一定风翼的攻角,提高了赛车的瞬态响应性能及侧风稳定性,但同时增加了赛车的不足转向特性;文献[6]在前鼻翼造型不变的条件下改变翼片攻角,提高下压力的同时却未改善空气阻力,效果改进有限。这些空气动力学套件的设计是对单个组件确定造型,通过分析对已确定的模型进行修改及优化,造型单一且未考虑各个空气套件之间的交互作用,存在局限。针对这些问题,本文基于三维不可压缩的雷诺平均湍流方程结合，Realizablek-ε湍流模型,在FLUENT中建立三维FSAE赛车外流场计算模型。然后运用ALIAS和CATIA对FSAE赛车前鼻翼、尾部扩散器和定风翼组成的空气动力学套件进行多组造型,通过正交实验设计对多组造型进行组合分析,考虑各套件间的交互作用,分析了各套件组合对赛车空气动力学性能的影响。最后将设计模型采用碳纤维抽真空的加工方法制作成实物,安装在实车上进行测试,进一步验证了本文分析模型及结论的正确性。

1控制方程和湍流模型

赛车空气动力学套件气动力的模拟属于求解湍流流动问题,采用的控制方程为三维不可压缩的雷诺平均连续方程和雷诺平均N-S方程[7-8],即

(1)

(2)

(3)

其中,μt=ρCμk2/ε为湍动黏性系数;Cμ为模型常数;k为湍动能;ε为湍动能耗散率;δij为克罗内克尔函数。湍流模型采用Realizablek-ε模型,该模型有利于代表不同尺度涡间能量谱的传递,可以有效地用于各种不同类型的流动模拟[9],该模型包括湍动能方程和湍动能耗散方程。湍动能方程为：

(4)

湍动能耗散方程为：

(5)

其中,t为时间;σk、σε分别为湍流动能k及其耗散率ε的湍流普朗特数;υ为湍流运动黏性系数；Gk为由平均速度梯度引起的湍流动能产生项;Gb为浮力影响引起的湍流动能;YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响常数;Sk、Sε为用户定义的源项;C1、C2、C1ε、C3ε为常数。

2计算模型

2.1空气动力学套件实体模型的建立

几何模型是进行设计分析的基础,本研究利用ALIAS工业造型设计软件建立了FSAE前鼻翼、尾部扩散器和定风翼的曲面造型。由于ALIAS造型的面很精细,存在较多小的面导致后续分析网格划分质量较差,所以,对ALIAS造型后将结果导入CATIA3D建模软件中,对小的面进行修补调整,便于后续模型分析。

2.1.1前鼻翼

前鼻翼位于赛车的最前部,是最先接触气流的部分,也是决定整车气流流动的重要部分。前鼻翼的设计,不仅要提供足够的下压力,用来平衡扩散器及定风翼所产生的后部下压力,还要通过调节翼面,使气流尽量绕开前轮,减小行驶阻力。二片式的前鼻翼能提供足够的下压力并平顺气流,所以本次设计方案采用二片式前鼻翼,并设计了3种造型,如图1所示。

图1　前鼻翼造型设计图

2.1.2尾部扩散器

扩散器是最有效的空气动力学套件,装载在赛车底部,将底盘下部的气流梳理后快速导出,增加气流的速度,使得扩散器上部的气流气压大于底部的气流压力,从而形成气压差,增大下压力,使轮胎有更好的抓地力[9-10]。扩散器的长度和出口角度与扩散器的效果息息相关,因此设计了3组扩散器造型,如图2所示。

图2　尾部扩散器造型设计图

2.1.3定风翼

定风翼的作用是提供足够的下压力,并能优化尾部气流,减小赛车的气动阻力。定风翼翼片截面与机翼截面相反,其形状是底部拱曲顶部较平,从而使得底部气流流速加快,压强减小,形成上下压差,产生负升力。因此不同的翼型会产生不一样的效果,本次设计选用了目前比较常用的NACA翼型、CH10翼型和GOE翼型截面,且选用3层翼片的设计方式来解决气流分离问题,在翼片攻角和离地间隙都相同的情况下,仅从翼片翼型造型设计方案考虑其对设计结果的影响,如图3所示。

图3　定风翼的造型设计图

2.2整体模型建立与计算区域网格划分

为了更准确地分析空气套件的设计效果及其对FSAE赛车跑动时周围空气流场所造成的扰动影响,需要将设计的空气动力学套件模型装配在FSAE赛车整车上进行模拟仿真。本文根据车身组FSAE赛车车身造型,结合上述设计的空气动力学套件在赛车车身的实际安装位置,建立完整的FSAE赛车模型。

整车模型长为3.061 m,宽为1.367 m,高为1.207 m,其渲染效果如图4a所示。

合并小的面,并且简化细小特征后,同时考虑到赛车车手对气动力的影响,整体模型简化如图4b所示。

在所分析的空气动力学套件外建立一个长7倍、宽3倍、高5倍的长方体外流场,将模型导入ANSYS ICEM中划分网格。

图4　FSAE赛车整体三维模型

由于空气沿表面会产生壁面边界层,流动参数沿壁面法向梯度大,沿流向梯度小,对网格沿壁面法向方向加密。

本文表面采用四面体非结构体网格,运用Quick(Delaunay)方法生成网格。该方法是一种自下而上的网格生成方法,即先生成壳/面网格,然后在此基础上生成体网格,能很好地捕捉模型表面的各个细节[10],以满足赛车壁面黏性边界层的需要。同时,为提高计算效率,依据模型对称性,分析中只对半边模型进行分析计算。网格划分如图5所示,生成的网格节点总数为878 915,单元总数为3 616 342。

图5　外流场网格划分

2.3边界条件与初始条件

将选定的空气动力学套件模型装配在FSAE赛车整车上进行模拟仿真,设定赛车以20 m/s的速度在空气密度为1.225 kg/m3的标准大气压下行驶。计算时设定流体介质为空气,入口边界为速度入口u=20 m/s,出口为压力出口,为大气压。

计算域上壁面和右侧壁面边界设定为自由滑移壁面,左侧壁面为对称边界,地面设定为移动壁面边界,移动速度与来流速度相同,模型表面为固壁无滑移条件。

3方案设计

为科学分析各种空气套件设计对FSAE赛车气动性能的影响及各个空气套件之间的交互作用,本文采用正交实验设计,以前鼻翼、扩散器和定风翼3组空气套件为正交设计变量A、B、C,以各套件的设计方案为因子水平,对各空气套件进行组合分析。

在每组方案分析时,仅更换2.2 建立的整体模型中相应的空气套件,其与设置均保持相同设定,各空气套件相对位置关系采用各组件在FSAE赛车车身上的实际安装位置。

以A、B、C为设计变量,寻求最优的组合,以达到最大的升阻比,即最大的CL/CD值。本文在2.1节对每种空气套件均建立了3种不同的设计方案,即每个因素3水平,因此,本文正交试验设计为3因素、3水平,因此采用正交表L9(33),因素和水平见表1所列。

表1　因素水平表

根据L9(33)正交表,同时对照表1所列因素水平表,得到9组试验变量组合,见表2所列。

表2　试验变量组合

4计算结果与分析

4.1计算公式

风阻系数和升力系数的计算公式分别为[11]:

(6)

(7)

其中,FD为气动阻力;ρ为空气密度;A为车身正投影面积;v∞为车速;FL为上升力。

4.2气动力分析

在Fluent中通过4 000步左右的迭代计算,计算结果收敛,最终得到不同组合造型的计算结果,见表3所列。

利用Minitab软件进行正交试验的直观分析和方差分析,得到均值响应见表4所列,均值主效应如图6所示,方差分析见表5所列。表4中“排秩”的数值即各因子对空气动力学套件最终升阻比影响的排序,“Delta”值的大小及图6中各因子均值的大小反应了各因子对空气动力学套件升阻比的影响程度。表5中“Adj-SS”为处理间偏差平方和,“Adj-MS”为处理间均方,F值的大小可以反应出各因子对响应影响的主次顺序。

表3　组合分析升力、阻力及升阻比

表4　均值响应结果

图6　均值主效应图

从表3可以发现,对于不同的设计组合方案,空气阻力并非是随着负升力的增大而增大的,在保证负升力的情况下,可以通过优化空气套件的设计来尽可能地减少所带来的空气阻力。从表4、表5和图6可以看出,本文所设计的空气动力学套件,在交互作用的影响下,对最终升阻比的影响程度为定风翼>前鼻翼>扩散器。

表5　方差分析结果

根据表4和图6的分析结果,为了在提高下压力的同时有效控制气动阻力,在所设计的方案中A3B2C1组合为最优解,即表3中第8组的空气套件组合,也即选用前鼻翼的方案三,扩散器的方案二和定风翼的方案一。

4.3车身空气流场分析验证

最优组合方案A3B2C1条件下,FSAE赛车车身周围流场分析结果如图7 所示。

从图7a可以看出,安装该组空气套件后,整车周围及车底的气流流动更加顺畅,体现了空气套件起到了导流的作用,减少了乱流的出现。从图 7b、7c可以看出,该组空气动力学套件上下表面存在明显的速度差及压强差,能产生较理想的下压力。

从图7d可以看出,前鼻翼能将赛车前部气流导过前轮,显著减小了前轮受到的空气阻力。最终计算得到的整车最高升阻比为-5.18,显著提高了车身最高升阻比。

图7　FSAE赛车流场分析结果

4.4实验验证

为验证所建立的CFD计算模型和分析结果的正确性,把数值优化设计方案制成实物,测试实际效果。本文的空气动力学套件运用FSAE赛车传统的碳纤维材料,采用抽真空的加工工艺制作,安装实车后如图8所示。

“8”字绕环和高速避障是FSAE大赛中的2个重要的比赛项目,也是空气动力学套件影响较为显著的项目。本文通过安装空气套件后赛车2个项目的完成时间,定性地说明空气动力学套件所起到的关键作用。“8”字绕环成绩测试见表6所列,高速避障成绩测试见表7所列。

图8　FSAE赛车实车图

s

表7　高速避障成绩5次测试结果　s

由表6、表7可以看出,安装所设计的空气动力学套件对FSAE赛车的成绩有很大的影响,在“8”字绕环项目中可以平均提高0.2～0.3 s的成绩,而在高速避障项目中成绩提高更加明显,可以提高2～3 s。同时,通过对车手测试标准差的计算,还发现安装空气动力学套件后,对车手驾驶稳定性方面也有较大的提高。

5结论

在赛车设计中,空气动力学套件对赛车的性能有重要的影响,且各套件之间的相互配合更是决定了整车空气动力学性能。本文通过建立三维FSAE赛车外流场计算模型,对前鼻翼、尾部扩散器和定风翼组成的空气动力学套件运用正交实验设计进行多组造型组合分析,考虑各套件间的交互作用,分析了各套件组合对赛车空气动力学性能的影响。最后通过整车数值分析验证和实车测试的方法检验了本文分析模型及结论的正确性。本文研究结论如下:

(1) 对于不同的空气套件组合设计方案,其负升力增加不一定导致空气阻力增加,也可使空气阻力同时减小。在本文设计案例中,即获得最优升阻比达到-5.18的方案。

(2) 各组件对整车空气动力学性能的影响程度为定风翼>前鼻翼>扩散器。

(3) 各个组件的整体配合对提高整车空气动力学性能至关重要,在设计时应尽量使各套件间气流平稳过度,减少了乱流的出现。

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(责任编辑张镅)

Combinational design and analysis of aerodynamics devices of FSAE racing car

BAI Qiu-yang,WANG Hui,LI Jia-fan,HAO Xu-fei

(Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070, China)

Abstract:The aerodynamics devices of the FSAE racing car and their interaction are very important for the car’s design and performance. In traditional methods, a separate component is usually designed and optimized by analysis, which results in poor design and conventional neglect of the interaction of the aerodynamics devices. In this paper, a 3D FSAE racing car external flow calculation model is established based on the Renault average turbulence equations and Realizable k-ε flow model. Different combinations of the designed models are analyzed according to the orthogonal experimental method, and the interaction between components is also studied. The results show that the air drag force may decrease with the increase of negative lift in different design combinations; the influence of aerodynamics components on the car’s aerodynamic performance is different, and the sequence from high to low is rear wing, front wing and diffuser; the interaction of the components has great impact on the car’s aerodynamic performance, and the air-flow transition should keep fluent. The calculation model and the results are verified by the field test.

Key words:FSAE racing car; aerodynamics devices; design; analysis

收稿日期：2015-05-28；修回日期：2015-09-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51305318)；中国博士后科学基金资助项目(2015M582484)；湖北省自然科学基金资助项目(2015CFB277；2014CFB176)和武汉市科技计划资助项目(2013011803010606-4)

作者简介：柏秋阳(1993-),男,浙江长兴人,武汉理工大学硕士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.05.004

中图分类号:TH122

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)05-0592-07

王辉(1985-),男,湖北武汉人,博士,武汉理工大学讲师,硕士生导师.