FSC賽車翼型的選擇與二維流場分析

摘 要：在設(shè)計(jì)FSC賽車空氣動(dòng)力學(xué)套件時(shí)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，再根據(jù)FLUENT得出最大攻角以及翼片的相對位置，從而設(shè)計(jì)出符合自己要求的空氣動(dòng)力學(xué)套件。

關(guān)鍵詞：翼型；FLUENT；流場分析

1 翼型的選擇及設(shè)計(jì)

在賽車領(lǐng)域空氣動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用是很廣泛的，空氣動(dòng)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(dòng)力學(xué)套件，使其的操縱性能得以提升。這里所言空氣動(dòng)力并不是要把空氣變成賽車的動(dòng)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(dòng)而產(chǎn)生的氣壓變成對賽車有利的力量。在空氣動(dòng)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，翼型的幾何參數(shù)如圖1所示：

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(shí)，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。四種翼型的參數(shù)如表1所示：

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(gè)樁桶，使得賽道彎道較多，在耐久賽時(shí)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(dòng)狀態(tài)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響很大，通常利用雷諾數(shù)來判定流動(dòng)狀態(tài)是層流還是湍流。對于圓管流動(dòng)，當(dāng)Re小于2300時(shí)，管內(nèi)一定為層流；當(dāng)Re大于8000-12000時(shí)，管內(nèi)一定為湍流。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(dòng)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。通過使用翼型分析軟件Profili，我們得出了如圖2所示的曲線。

由曲線可知，在同一升力系數(shù)下，GOE430、GOE441有較低的阻力系數(shù)，在選用時(shí)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(shí)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(jì)算域的確定

汽車實(shí)際的外流場是無窮大的，但是這樣的計(jì)算域是沒法計(jì)算的，參考一些論文，本文將計(jì)算域設(shè)成長方體，設(shè)定計(jì)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(jì)算域，可以得到比較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，并且可以提高計(jì)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(shí)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(huì)更高，從而避免的計(jì)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和H分別為計(jì)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(qiáng)度：I=■？艿0.16（ReDH）-1/8

其中uavg為氣流平均速度，Re為雷諾數(shù)，μ為動(dòng)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(shí)所對應(yīng)的攻角。經(jīng)過分析得出了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(shí)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(shí)候，主翼的負(fù)升力有減小的趨勢，而襟翼的負(fù)升力會(huì)增大，我們選擇30mm作為主翼和襟翼的間隙，這個(gè)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，見表3。

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(dòng)，負(fù)升力會(huì)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(gè)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(gè)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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