開輪式類F1賽車氣動特性的數(shù)值分析及實驗研究.pdf

1、空氣動力學(xué)特性已經(jīng)成為汽車設(shè)計中的一個重要因素，特別是對于類一級方程式賽車，空氣動力學(xué)特性已成為決定比賽成敗的關(guān)鍵因素。雖然賽車的氣動性能研究已經(jīng)逐漸展開，并被諸如Ferrari，McLaren，Williams，Sauber這些汽車隊伍大力發(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隊之間存在的競爭關(guān)系。因此，這篇文章的目的就是利用實驗和CFD技術(shù)，分析討論類一級方程式賽車的空氣動力學(xué)性能。
　

2、　汽車風(fēng)洞試驗是研究汽車氣動性能最直接、最準(zhǔn)確的方法，本文試驗在湖南大學(xué)HD-2風(fēng)洞中進(jìn)行，實驗使用的是1∶3開輪式賽車縮比模型，基于類一級方程式賽車的尺寸大小，保證氣流的雷諾數(shù)為3.11*10e6。本文對賽車的阻力系數(shù)及升力系數(shù)進(jìn)行了實驗測量，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)閉也對升力與阻力有較大

3、影響。風(fēng)速為30m/s時，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，利用粒子圖形成像技術(shù)(PIV)對類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)對賽車周邊流場的巨大影響，本文對輪胎旋轉(zhuǎn)時賽車周邊的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析討論。為保證仿真與實驗的可對比性，仿真相對于實驗?zāi)Ｐ蜑?∶1。

4、鑒于網(wǎng)格的質(zhì)量，湍流模型，邊界條件均會對賽車的氣動特性產(chǎn)生影響，本文對其進(jìn)行了探討。通過對比分析實驗測得的風(fēng)阻系數(shù)及其他常用湍流模型的計算結(jié)果，確定Realizable k-ε為最佳求解模型。輪胎靜止時，基于Realizable k-ε計算得到的阻力系數(shù)與實驗吻合較好。輪胎旋轉(zhuǎn)時，尾部縱對稱面的流場結(jié)構(gòu)比輪胎靜止時的尾流結(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，對輪胎旋轉(zhuǎn)時的工況進(jìn)行了研究。通過對比表面

5、靜壓分布，分離點及停滯點的位置，分析下壓力及氣動阻力減小的原因。
　　一級方程式賽車具備卓越動力性能，對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（受力角度），并進(jìn)行驗證，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，機翼的氣動特性得到了較大提升，并在最小氣動阻力的情況下，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)計提供了重要參考。
　　比賽時，賽車不僅沿直線行駛，而且經(jīng)常會遇到各種彎道。經(jīng)過這些彎道時，分布在賽車上的壓力和速度不斷變化。通過研究賽車轉(zhuǎn)彎時的氣動特性，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，本文利用計算流體力學(xué)軟件Fluent，結(jié)合用戶自定義函數(shù)(UDF)對開輪