開輪式類F1賽車氣動(dòng)特性的數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、空氣動(dòng)力學(xué)特性已經(jīng)成為汽車設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素，特別是對(duì)于類一級(jí)方程式賽車，空氣動(dòng)力學(xué)特性已成為決定比賽成敗的關(guān)鍵因素。雖然賽車的氣動(dòng)性能研究已經(jīng)逐漸展開，并被諸如Ferrari，McLaren，Williams，Sauber這些汽車隊(duì)伍大力發(fā)展，但是，這些研究成果并未見于任何公開發(fā)表的文獻(xiàn)資源中，究其原因是不同賽車團(tuán)隊(duì)之間存在的競爭關(guān)系。因此，這篇文章的目的就是利用實(shí)驗(yàn)和CFD技術(shù)，分析討論類一級(jí)方程式賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能。
　

2、　汽車風(fēng)洞試驗(yàn)是研究汽車氣動(dòng)性能最直接、最準(zhǔn)確的方法，本文試驗(yàn)在湖南大學(xué)HD-2風(fēng)洞中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)使用的是1∶3開輪式賽車縮比模型，基于類一級(jí)方程式賽車的尺寸大小，保證氣流的雷諾數(shù)為3.11*10e6。本文對(duì)賽車的阻力系數(shù)及升力系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，阻力系數(shù)的測量結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)吻合較好，升力系數(shù)的測量結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)有一定的偏差，究其原因是升力系數(shù)更容易受到模型在風(fēng)洞中安裝的不確定性或者風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的影響。抽吸系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉也對(duì)升力與阻力有較大

3、影響。風(fēng)速為30m/s時(shí)，關(guān)閉抽吸系統(tǒng)，測得阻力系數(shù)為0.828，升力系數(shù)為-0.1105。開啟抽吸系統(tǒng)后，測得阻力系數(shù)為0.852，升力系數(shù)為-0.150。同時(shí)，利用粒子圖形成像技術(shù)(PIV)對(duì)類F1賽車周邊的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究討論，具體包括表面靜壓、風(fēng)速大小以及風(fēng)速流線等。
　　鑒于輪胎的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)賽車周邊流場的巨大影響，本文對(duì)輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)賽車周邊的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析討論。為保證仿真與實(shí)驗(yàn)的可對(duì)比性，仿真相對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?∶1。

4、鑒于網(wǎng)格的質(zhì)量，湍流模型，邊界條件均會(huì)對(duì)賽車的氣動(dòng)特性產(chǎn)生影響，本文對(duì)其進(jìn)行了探討。通過對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)測得的風(fēng)阻系數(shù)及其他常用湍流模型的計(jì)算結(jié)果，確定Realizable k-ε為最佳求解模型。輪胎靜止時(shí)，基于Realizable k-ε計(jì)算得到的阻力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)吻合較好。輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)，尾部縱對(duì)稱面的流場結(jié)構(gòu)比輪胎靜止時(shí)的尾流結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。本文基于MRF方法，結(jié)合Realizable k-ε湍流模型，對(duì)輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)的工況進(jìn)行了研究。通過對(duì)比表面

5、靜壓分布，分離點(diǎn)及停滯點(diǎn)的位置，分析下壓力及氣動(dòng)阻力減小的原因。
　　一級(jí)方程式賽車具備卓越動(dòng)力性能，對(duì)于牽引力以及輪胎和路面間的粘性摩擦力的需求較為顯著，簡單并行之有效的解決方案即是對(duì)負(fù)升力翼進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化賽車受到的下壓力及氣動(dòng)阻力。本文基于CFD方法和Isight軟件改進(jìn)尾翼攻角，進(jìn)而優(yōu)化賽車的受力情況。利用Kriging模型近似模擬50組樣本點(diǎn)（受力角度），并進(jìn)行驗(yàn)證，以確定Kriging模型的準(zhǔn)確性。然后通過NSGA-Ⅱ基

6、因算法優(yōu)化翼型攻角。優(yōu)化后，機(jī)翼的氣動(dòng)特性得到了較大提升，并在最小氣動(dòng)阻力的情況下，得到了最大下壓力。這將大大提升賽車在比賽中得競爭力，為賽車尾翼設(shè)計(jì)提供了重要參考。
　　比賽時(shí)，賽車不僅沿直線行駛，而且經(jīng)常會(huì)遇到各種彎道。經(jīng)過這些彎道時(shí)，分布在賽車上的壓力和速度不斷變化。通過研究賽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的氣動(dòng)特性，有助于提高其最大速度和穩(wěn)定性，從而提高比賽的競爭力。因此，本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，結(jié)合用戶自定義函數(shù)(UDF)對(duì)開輪