畢業(yè)設(shè)計—汽車外流場分析研究

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)</p><p>　　作 者： 學(xué) 號： </p><p>　　學(xué) 院： 機械工程學(xué)院 </p><p>　　系(專業(yè))： 車輛工程

2、 </p><p>　　題 目： 汽車外流場分析研究 </p><p>　　2015 年 6 月 8 日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）中文摘要</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）外文摘要</p><p><b>　　目 錄</

3、b></p><p>　　1 緒論……………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 研究背景及意義……………………………………………………………1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況……………………………………………………………2</p><p>　　1.3 畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容……

4、…………………………………………………4</p><p>　　2 汽車外流場分析的理論基礎(chǔ)…………………………………………………5 </p><p>　　2.1 引言 ………………………………………………………………………5</p><p>　　2.2 氣動力 ……………………………………………………………………5</p><p>

5、　　2.3 負升力產(chǎn)生原理 ……………………………………………………6</p><p>　　2.4 負升力與操縱穩(wěn)定性………………………………………………………7</p><p>　　2.5 空氣動力學(xué)套件……………………………………………………………7</p><p>　　2.6 流體數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)………………………………………………11</p&

6、gt;<p>　　3 賽車外流場分析……………………………………………………………15</p><p>　　3.1 賽車車身模型的建立及簡化………………………………………………15</p><p>　　3.2 劃分網(wǎng)格…………………………………………………………………16</p><p>　　3.3 邊界條件的設(shè)定……………………………………

7、……………………17</p><p>　　3.4 FLUENT計算結(jié)果…………………………………………………………19</p><p>　　3.5 賽車仿真結(jié)果分析…………………………………………………………19</p><p>　　4 空氣動力學(xué)套件方案確定…………………………………………………23</p><p>　　4.1 前翼的

8、設(shè)計………………………………………………………………23</p><p>　　4.2 尾翼的設(shè)計………………………………………………………………26</p><p>　　5 加裝動力學(xué)套件后賽車仿真結(jié)果分析………………………………………29</p><p>　　5.1賽車模型的建立……………………………………………………………29</p><

9、p>　　5.2賽車仿真結(jié)果分析……………………………………………………29</p><p>　　結(jié)論……………………………………………………………………………33</p><p>　　參考文獻…………………………………………………………………………34</p><p>　　致謝………………………………………………………………………………35</p>

10、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 研究背景及意義</p><p>　　隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車的外部造型和氣動特性受到了越來越多的關(guān)注和重視。汽車的性能在很大程度上受汽車氣動力的影響，尤其對于高速行駛的汽車，氣動力對其性能的影響是非常大的，因此汽車高速、安全行駛的必要前提之一就是具有良好的空氣動力性能。因此，在汽車

11、的開發(fā)中，對汽車空氣動力性能的研究越來越得到汽車制造商的重視。</p><p>　　空氣動力是來自于汽車外部的約束，其研究成果不僅直接影響著汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性、穩(wěn)定性、安全性、操縱性、舒適性等，還會間接地影響汽車的外觀及審美的流行趨勢[1]。汽車行駛時所受的空氣作用力可以被分解為阻力、升力、側(cè)向力、橫擺氣動力矩、縱傾氣動力矩、側(cè)傾氣動力矩六個分量[2]。在這六個分量中，汽車空氣阻力所消耗的動力和滾動摩擦所消

12、耗的動力是大小相當(dāng)?shù)?，因此氣動阻力系?shù)就成為了衡量汽車空氣動力性能的最基本的一個參數(shù)，也就是說如何降低汽車的空氣阻力系數(shù)成為汽車空氣動力學(xué)最重要的一項研究內(nèi)容。減小汽車行駛時的空氣阻力最常用的方法包括減少汽車的迎風(fēng)面積和空氣的阻力系數(shù)，通常來說，汽車的體積大小決定了汽車迎風(fēng)面積的大小，車身外部造型決定空氣阻力的大小。因此，將汽車車身緊湊化和流線形化是改善汽車氣動性能最主要的兩種方法。若汽車的氣動造型不合適，在汽車在高速行駛的時候，所受升

13、力的作用可能會使得汽車輪胎的附著力減小而導(dǎo)致打滑，而側(cè)向氣動力還特別容易引起汽車的跑偏，使得汽車的操縱穩(wěn)定性有所下降[3]。不同的氣動造型會給車身帶來不同的氣動力效應(yīng)，從而影響到汽車的各項行駛性能。良好的氣動造型設(shè)計應(yīng)該具有較小</p><p>　　舉一個例子來說，分析氣動阻力的基本組成成份可知，壓差阻力大約占總阻力的85%，其余15%則來自于摩擦阻力。在壓差阻力中，根據(jù)車尾結(jié)構(gòu)的不同前后壓差分配有所不同，但一般

14、而言，其中百分之十來自于車身前端，而高達九成來自車身的尾部。所以說壓差阻力是汽車氣動阻力的主要成分，而汽車尾流的形態(tài)和結(jié)構(gòu)對壓差阻力有非常大的影響。從氣動阻 力的產(chǎn)生機理來看，它是由形 阻和渦阻構(gòu)成，渦阻占40% 左右，主要來自于汽車的尾渦[6]。大量實驗觀測和理論分析結(jié)果表明，在基本流場為定常的情況下，對流動施加一定的擾動，可以使已經(jīng)分離的氣流再附著，從而可以控制尾流[7]。因此，給汽車安裝一個合適的擾流板，就可以改善汽車尾流的結(jié)構(gòu)和

15、形態(tài)，這樣就可以有效地減小汽車的氣動升力和誘導(dǎo)阻力，從而改善汽車的空氣動力特性。</p><p>　　測試氣動阻力系數(shù)的方法主要有三種：風(fēng)洞試驗法、功率平衡法和數(shù)值計算法[8]。由于汽車的風(fēng)洞實驗對車身空氣動力性能有非常好的預(yù)測性，所以風(fēng)洞試驗已經(jīng)是汽車設(shè)計中非常重要的流程之一，但是它也有流程復(fù)雜、費用高、周期長等明顯缺點。近年來，隨著計算機應(yīng)用技術(shù)高速發(fā)展和湍流理論的不斷完善，用計算機來模擬風(fēng)洞試驗已經(jīng)成為了可

16、能，基于CFD的汽車空氣動力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)在汽車造型設(shè)計中開始發(fā)揮越來越重要的作用。由于數(shù)值計算方法具有效率高、成本低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，從而得以迅速地發(fā)展。如今汽車設(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)開始廣泛地運用計算流體力學(xué)即Computational Fluid Dynamics，也就是CFD進行流體的數(shù)值模擬。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況</p><p>　　從二十世紀六十年代以來，歐美

17、等一些發(fā)達國家的CFD技術(shù)得到迅速發(fā)展。最初航空飛行器的設(shè)計方法有費時、造價高、所得信息量有限等不足，CFD的應(yīng)用使得原型機減少，費用降低、周期變短、實驗效果理想，因此CFD的發(fā)展得到了巨大的推動。目前國外用CFD對航空、汽車等領(lǐng)域產(chǎn)品進行設(shè)計、分析、優(yōu)化已經(jīng)成為必經(jīng)的步驟和重要手段[9]。</p><p>　　如今隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，在越來越多的汽車設(shè)計中已經(jīng)實現(xiàn)了計算流體力學(xué)的應(yīng)用。近些年以來，歐洲、美國、

18、日本的一些汽車廠家已經(jīng)開始致力于開發(fā)和利用 CFD 技術(shù)，并且已經(jīng)取得了非常多的科研成果。在八十年代初期，計算流體力學(xué)的應(yīng)用還僅局限于對車身的基本形狀的模擬，但最近隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，包括后視鏡、復(fù)雜地板、車輪等復(fù)雜汽車部件都已經(jīng)實現(xiàn)了計算機模擬仿真。在精度方面，計算精度誤差已經(jīng)可以降到5%以內(nèi)[10]。</p><p>　　可視化技術(shù)已經(jīng)大量地應(yīng)用在計算流體力學(xué)的結(jié)果分析之中，這些可視化技術(shù)可以應(yīng)用和顯示在軟

19、件之中[11]，如圖1.1。因為計算所得到的數(shù)據(jù)是非常龐大的，計算機可以運用可視化技術(shù)將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為圖形或動畫，這十分有利于研究人員對數(shù)據(jù)的分析和理解。</p><p>　　德國大眾汽車公司、德國戴姆勒一奔馳公司、瑞典沃爾沃汽車公司、意大利菲亞特Richerche技術(shù)中心、日本三菱公司等應(yīng)用自編程序或商業(yè)化軟件對汽車外流場卓有成效地進行了數(shù)值模擬分析，總結(jié)了很多計算模擬經(jīng)驗。逐步認識到數(shù)值仿真在汽車車身設(shè)計中的

20、重要性。</p><p>　　圖1.1 CFD可視化技術(shù)</p><p>　　國內(nèi)自行設(shè)計汽車的能力比較低，并且長期以來，一直是在模仿或者直接引進國外的技術(shù)，最開始的時候主要是采用縮尺模型進行風(fēng)洞試驗研究。國內(nèi)對于汽車空氣動力學(xué)數(shù)值模擬的研究則是從上世紀九十年代開始的，許多研究院借鑒以前在航空、造船方面的經(jīng)驗，比較成功地運用二維和三維的方式模擬了汽車的外流場。但是對模型劃分的網(wǎng) 格 數(shù) 目

21、比較少，計算的結(jié)果和精度都只相當(dāng)于國外20世紀80年代初期水平。目前，采用CFD軟件進行日常的設(shè)計和分析已經(jīng)成為許多企業(yè)非常重要的流程之一。并且隨著CFD技術(shù)的快速發(fā)展，我國很多的高校和研究院也對計算流體力學(xué)加大了研究力度。</p><p>　　1.3 畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容</p><p>　　本文以河北工業(yè)大學(xué)AREI賽車為研究對象，通過CATIA建立賽車的三維模型，應(yīng)用ICEM軟件做模

22、型的前處理工作，即進行模型的網(wǎng)格劃分，通過FLUENT進行CFD模擬計算以及后期分析工作。先后對賽車的初始模型和安裝空套的模型進行CFD 數(shù)值計算，研究賽車車身整體的壓力分布、賽車對稱面速度分布、整車外流場情況以及賽車側(cè)艙、前翼、尾翼等局部外流場情況，最后得到賽車的氣動阻力和氣動升力值。將兩次模擬結(jié)果進行對比。具體步驟如下：</p><p>　　運用CATIA建立賽車的三維幾何模型；</p><

23、;p>　　運用ICEM做為前處理軟件，對模型進行網(wǎng)格的劃分；</p><p>　　通過FLUENT進行計算模擬，分析車身外部流場的情況；</p><p>　　設(shè)計符合賽車氣動要求的前翼和尾翼；</p><p>　　把設(shè)計好的前翼和尾翼跟原賽車模型進行裝配；</p><p>　　用同樣的方法對新模型進行計算模擬，分析車身外部流場的情況；&

24、lt;/p><p>　　將兩次的仿真結(jié)果進行對比并得出結(jié)論。</p><p>　　2 汽車外流場分析的理論基礎(chǔ)</p><p><b>　　2.1 引言</b></p><p>　　汽車外流場分析涉及汽車車身造型、空氣動力學(xué)、計算機模擬仿真等領(lǐng)域。主要應(yīng)用的理論包括空氣動力學(xué)和流體數(shù)值模擬理論兩部分。具體包括汽車氣動力、

25、負升力產(chǎn)生原理、負升力對操縱穩(wěn)定性的影響、負升力翼的設(shè)計原理、湍流模型理論及數(shù)值計算方法等。</p><p><b>　　2.2 氣動力</b></p><p>　　如圖2.1所示，作用在賽車上的氣動力可分為氣動阻力、氣動升力、氣動側(cè)向力。氣動阻力的方向是平行于賽車行駛方向指向車后方（x 軸方向）；氣動側(cè)向力是賽車y 軸方向的力；氣動升力是垂直于地面向上的力（z 軸

26、方向），當(dāng)然，下壓力就是-z軸方向的力。賽車在強側(cè)風(fēng)工況中行駛時，氣動側(cè)向力不能忽略，但為了簡化研究，一般都認為賽車車速遠遠大于側(cè)風(fēng)速度，因此可以忽略氣動側(cè)向力帶來的影響。</p><p>　　圖2.1 賽車氣動力示意圖</p><p>　　定義氣動阻力Fd為：</p><p><b>　　2.1</b></p><p>

27、;<b>　　氣動升力Fl為：</b></p><p><b>　　2.2</b></p><p><b>　　氣動側(cè)向力Fy為：</b></p><p><b>　　2.3</b></p><p>　　式中A 是迎風(fēng)面積，V 為車速，ρ為空氣密度，C 分

28、別為阻力系數(shù)、升力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)。由此可見，氣動力跟車速的平方成正比。 </p><p>　　2.3 負升力產(chǎn)生原理</p><p>　　歐拉建立的伯努利方程可以表述為：</p><p><b>　　2.4</b></p><p>　　其中P為壓強，為流體，密度V為流速，C為常數(shù)。從方程可得，流場中某點處壓強隨流速增

29、加而減小，因此可以通過改變障礙外形線來改變障礙物周圍流場的速度分布，進而改變周圍流場的壓力，飛機機翼之所以產(chǎn)生升力就是這個原因。圖2.2是飛機機翼的剖面的示意圖，空氣流過機翼時，氣體在機翼前部分離為上下兩部分，這兩部分空氣最后在翼片的末端重新匯聚到一起。飛機機翼的上表面比下表面更長，從而導(dǎo)致翼片上方的空氣流速要比翼片下方流速快，空氣流速增大，其密度減小，則氣壓減小，從而翼片上下產(chǎn)生了壓差，也就是升力。</p><p&

30、gt;　　圖2.2 負升力產(chǎn)生原理</p><p>　　賽車上的負升力翼與飛機上的機翼的基本原理是相同的，但不同的是，飛機飛行需要的是機翼產(chǎn)生向上抬升的力，而賽車則恰恰相反，賽車需要緊貼地面也就是其負升力翼需要產(chǎn)生向下壓制的力。所以把機翼倒過來放置，就是簡單的負升力翼，氣動效果也相反，產(chǎn)生向下壓的力，即負升力（negative lift)[12]。</p><p>　　2.4 負升力與操

31、縱穩(wěn)定性</p><p>　　圖2.3為賽車過彎時的受力情況，G是賽車的車重，NL、NR分別為左右輪所受地 面的支 持 力，YL、YR分別為左右輪所受地面的側(cè) 向 力，F(xiàn)c是慣 性 離 心 力，G’是氣動組件所受的氣 動 負 升 力，B是賽 車 輪 距、h是賽 車質(zhì) 心 高 度、R是轉(zhuǎn) 彎 半 徑。推導(dǎo)可得賽車不發(fā)生側(cè)滑的條件：，由地面?zhèn)认蚋街?，ε是?cè) 向 附 著 系 數(shù)，所以不發(fā)生側(cè) 滑的轉(zhuǎn) 彎 最 大

32、速 度為：</p><p><b>　　2.5</b></p><p>　　圖2.3 賽車過彎時的受力情況</p><p>　　由公式可以得出，當(dāng)輪 距、重 心 高 度的改變受到制約，汽車轉(zhuǎn)彎時輪胎的附 著 系 數(shù)即將用盡時，氣 動 負 升 力對高速轉(zhuǎn) 彎 性 能起著十分重要的作用。</p><p>　　2.5 空氣動

33、力學(xué)套件</p><p>　　2.5.1 升力翼</p><p>　　賽車行駛過程中產(chǎn)生的下壓力主要來源于前翼、尾翼及擴散器。擴散器主要是利用地面效應(yīng)的原理，而前翼、尾翼完全是靠升力翼來獲得下壓力，而不同的升力翼結(jié)構(gòu)有不同的空氣動力學(xué)特性。因此，升力翼設(shè)計的好壞直接決定了賽車的空氣動力學(xué)性能。</p><p><b>　　1）升力翼的結(jié)構(gòu) </b&

34、gt;</p><p>　　如圖2.4所示，升力翼兩端距離 b 稱為翼展長度；弦線與來流速度的夾角 稱為攻角；升力翼前后端距離 c 稱為弦長；升力翼上下表面最大距離 t 稱為弦厚。圖2.5中，(a)是對稱翼型，(b)是彎曲翼型。一般來說，在不失速的前提下，增大翼型的攻角和弧度能夠得到更多氣動升力。</p><p>　　圖2.4 翼展與攻角示意圖 圖2.5 翼型弦長

35、與厚度示意圖</p><p>　　2）影響升力翼氣動升力的因素</p><p>　　影響升力翼氣動升力的因素有很多，總的來說，有如下幾個結(jié)論：</p><p>　　（1）從圖2.6可以看出， 翼型氣動升力系數(shù)隨攻角增大而增大，且呈線性關(guān)系；并且在攻角相同的情況下，彎曲翼型氣動升力系數(shù)比對稱翼型大。</p><p>　　圖2.6 攻角與翼型升力

36、系數(shù)</p><p>　　氣流與升力翼分離會造成失速現(xiàn)象，會大大降低升力翼的空氣動力學(xué)性能。由結(jié)論1可知，隨著升力翼攻角增加，氣動升力系數(shù)CL也隨之增加，但是攻角達到一定角度之后，CL值不再增加，甚至開始下降。如圖2.7所示，由于攻角過大，氣流在升力翼后方出現(xiàn)分離，導(dǎo)致喪失一部分氣動升力。不僅如此，氣流脫落后在升力翼后方形成漩渦，漩渦生成、旋轉(zhuǎn)、脫落，會消耗大量的能量，從而增大氣動阻力。</p>&

37、lt;p>　　圖2.7 氣流的附著與分離</p><p>　　升力翼厚弦比增加，氣動升力系數(shù)最大值增大，如圖2.8所示。這是因為更大的厚弦比能使升力翼獲得更大的失速迎角，所以氣動升力系數(shù)最大值也相應(yīng)增加。但厚弦比值大致在 12%之后，氣動升力系數(shù)最大值開始下降。從圖中還可發(fā)現(xiàn)，隨雷諾數(shù)增加，曲線整體上移。 </p><p>　　圖2.8 升力翼厚弦比與最大升力系數(shù)關(guān)系示意圖</

38、p><p>　　2.5.2 前負升力翼</p><p>　　前負升力翼可以產(chǎn)生一定的負升力，增大賽車車輪的地面附著力，提高賽車高速行駛時的轉(zhuǎn)向能力，此外后負升力翼引起的車頭上仰的力矩可以由前負升力翼產(chǎn)生的下壓力抵消掉一部分。同時在F1賽車中，前負升力翼能夠提供給賽車的下壓力約占賽車總下壓力的30%，這對F1賽車來說是十分重要的。</p><p>　　圖2.9 F1賽

39、車上復(fù)雜的前翼造型</p><p>　　前負升力翼對賽車轉(zhuǎn)向性能有很大的影響，由于賽車的引擎布置方式是后置后驅(qū)，所以得賽車的質(zhì)心會相對比較靠后，這樣會使賽車前部有向上翹的趨勢。且前輪為轉(zhuǎn)向輪，如果前輪沒有足夠的下壓力，就不能與地面充分地接觸，車手對賽車的操控可能不能完全傳遞到地面，其中最常出現(xiàn)的狀況就是轉(zhuǎn)向不足，如圖2.10。如果后輪附著力不足，則賽車后輪很可能打滑，導(dǎo)致賽車轉(zhuǎn)向過度，如圖2.11。這兩種狀況均會

40、降低賽車的操縱穩(wěn)定性。</p><p>　　2.10 賽車轉(zhuǎn)向過度 2.11 賽車轉(zhuǎn)向不足</p><p>　　2.5.3 后負升力翼</p><p>　　后負升力翼可以為賽車提供后部的下壓力，改善后輪即驅(qū)動輪的附著性能，以提高賽車發(fā)動機的效率。</p><p>　　后負升力翼和車身表面之間的距離和

41、后負升力翼離地高度是兩個很重要的參數(shù)。圖2.12表示了后負升力翼和車身表面之間的距離與阻力系數(shù)、升力系數(shù)的關(guān)系：如果距離較小，車身上表面可能會形成局部的負壓，從而減弱負升力翼的作用；較大的距離雖然可以使賽車上方不受車身氣流干擾而較好地發(fā)揮作用，但是如果后負升力翼支架太長，賽車高速行駛時支架可能會產(chǎn)生劇烈的振動，過于劇烈的振動可能會導(dǎo)致支架的斷裂。圖2.13表示了離地高度對升力系數(shù)的影響：離地高度越大，其升力系數(shù)值越?。划?dāng) h/c≥1 后

42、，升力系數(shù)值基本不變。</p><p>　　圖2.12 后負升力翼與車身的距離對賽車CL、Cd的影響</p><p>　　圖2.13 后負升力翼離地高度對CL的影響</p><p>　　2.6 流體數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)</p><p>　　CFD的基本思想是指把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，用一系列有限個離散點來代替，通過一定的原

43、則和方法建立代數(shù)方程的變量之間的關(guān)系，然后求解一組代數(shù)方程組，獲得場變量的近似值[13]。數(shù)值方法實際上就是離散化和代數(shù)化[14]。與傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗相比，CFD技術(shù)不需要制造出真實部件，就能運用計算機技術(shù)測出比較接近實際的效果，有利于節(jié)省研究費用和研發(fā)時間，而且可以更直觀、更深刻地理解汽車外流場的氣動特性。這種技術(shù)同計算機輔助造型技術(shù)相結(jié)合，可以更加經(jīng)濟、迅速、實用地應(yīng)用于汽車造型的設(shè)計之中。</p><p>　

44、　但是數(shù)值模擬有其不足之處，比如如果沒有完全搞清楚湍流特性，或者對于某些問題還沒有建立出適用的數(shù)學(xué)模型，將無法運用計算機數(shù)值模擬，而且數(shù)值模擬在計算精度方面還有待提高。所以試驗并不能完全由數(shù)值計算所替代，試驗對于校正和檢驗CFD 結(jié)果是非常必要的[15]。</p><p>　　CFD的求解計算可以分為三個環(huán)節(jié)：前處理、求解、后處理，整個流程如圖2.14所示：</p><p>　　圖2.14

45、 CFD計算流程圖</p><p>　　2.6.1 湍流模型</p><p>　　計算流動是非常復(fù)雜的，所以計算機模擬計算湍流運動時，必須要使用湍流方程。比較常用的湍流模型包括：Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型、雷諾應(yīng)力模型（RSM）、大渦模擬模型（LES）[16]。</p><p>　　計算湍流運動時要視不同的情況而選擇不同的模型，

46、湍流模型的選取準則是：流體可壓縮性問題、可行性問題、精度的要求問題、計算機的能力問題和時間的限制等[17]。要根據(jù)不同條件的適用范圍來選擇不同的湍流模型。</p><p>　　考慮到賽車車車速通常低于100公里/小時，即27.78米/秒。即使考慮逆風(fēng)行駛的情況，作用在汽車車身表面的空氣流速也是遠遠低于音速的。因此我們可以不用考慮氣體的壓縮性，將其看作是不可壓縮流體來處理。因為汽車的運動可以看作是對空氣平順流動的一

47、種破壞，所以說車輛外表面與氣流的相互作用使得車身周圍的流場十分復(fù)雜，氣流的方向和流速都會有較大的變化，因此這里的湍流模型采用k-ε模型。</p><p>　　標準k-ε模型是最常用的湍流模型之一，它是半經(jīng)驗公式。需要求解湍動能和耗散率方程兩個值：湍流動能方程——k方程是一個精確方程，而湍流耗散率方程——ε方程是一個由經(jīng)驗得到的方程。如果考慮自定義的源項，標準模型方程如下所示[17]。</p><

48、;p><b>　　湍動動能k方程：</b></p><p><b>　　2.6</b></p><p><b>　　湍動能耗散率ε：</b></p><p><b>　　2.7</b></p><p>　　其中——層流黏性系數(shù)；</p>

49、<p>　　——湍流黏性系數(shù)，；</p><p>　　——由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；</p><p>　　——由浮力產(chǎn)生的湍流動能；</p><p>　　、、、和——經(jīng)驗常數(shù)；</p><p><b>　　——湍流常數(shù)。</b></p><p><b>　　有效的黏性系數(shù)

50、：。</b></p><p>　　k-ε模型假定流場完全是湍流，分子間的黏性可以忽略。因此，標準k-ε模型只對完全湍流的流場有效[18]。</p><p>　　模型的常量是對空氣、水的基本湍流試驗而得來的，F(xiàn)LUENT軟件一般取值為=1.44，=1.92，=0.09，=1.0，=1.3。</p><p>　　2.6.2 數(shù)值計算方法</p>

51、<p>　　有限差分法、有限元法和有限體積法是目前比較常用的三種數(shù)值計算方法。本文所采用的方法是有限體積法來進行數(shù)值求解。</p><p>　　有限體積法（Finite Volume Method，記為 FVM）是 S.V.Patanker 提出的一種有限差分離散方法，它屬于有限差分法的范疇。離散方程的有四種常用方法分別是：泰勒級數(shù)展開法、多項式擬合法、控制體體積積分法與控制體體積平衡法[19]?？?/p>

52、制體體積積分法又稱有限體積法，它是將控制方程對有限大小的控制體積進行積分，從而導(dǎo)出離散方程的一種方法。它的特點是：該法得到的結(jié)果在任何一組控制體積內(nèi)，如質(zhì)量、動量等一些滿足守恒律的物理量的積分守恒性都可以得到滿足。該方法擁有有限差分法的優(yōu)點，得到的離散方程組可以用迭代法求解，每次只需計算一個變量，然后依次轉(zhuǎn)換直至得到收斂解。</p><p>　　目前國外汽車領(lǐng)域采用的計算流體力學(xué)的商用軟件如PHOENICS、ST

53、AR-CD、CFX、FLUENT 等大都采用有限體積法。</p><p>　　3 賽車外流場分析</p><p>　　3.1 賽車車身模型的建立及簡化</p><p>　　對于網(wǎng)格劃分及流場計算，原車1:1的模型由于曲面過多和某些小角度的存在，會給網(wǎng)格劃分帶來較大的困難，容易產(chǎn)生不合格的網(wǎng)格，或者浮點溢出，還會大大延長計算時間，所以為了使分析計算順利進行，要對車

54、身進行簡化。</p><p>　　1) 去掉后懸架雙橫臂桿、轉(zhuǎn)向橫拉桿等對流場干擾相對較小的桿件；</p><p>　　2) 添加駕駛員模型，圓球位置是駕駛員實際坐在駕駛艙時頭部的位置，圓球尺寸跟駕駛員頭盔尺寸一致。</p><p>　　3) 由于后部的發(fā)動機艙基本上處在湍流渦區(qū)，可認為發(fā)動機艙中零部件的結(jié)構(gòu)對計算結(jié)果影響不大，因此將發(fā)動機艙簡化為一個箱形結(jié)構(gòu)，尺寸

55、參照車架后部尺寸。</p><p>　　4) 將輪胎簡化為圓柱型，尺寸參照實際輪胎尺寸。為了避免輪胎型線與地面相切形成尖角而使這部分網(wǎng)格質(zhì)量變差，同時也為了模擬輪胎跟地面接觸變形，在在輪胎與地面接觸的部分創(chuàng)建小凸臺。凸臺既模擬了賽車輪胎的承重變形，又改善了車輪與地面處相接處的網(wǎng)格質(zhì)量。</p><p>　　由于FLUENT分析時不能分析曲面，所以還需要對賽車車身進行全封閉處理。處理后賽車模

56、型如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 簡化后車身模型</p><p>　　處理完成后，輸出為通用格式，為導(dǎo)入ICEM劃分網(wǎng)格做準備。按照經(jīng)驗，導(dǎo)出為parasolid、stp、igs格式均可，現(xiàn)導(dǎo)出為stp格式。</p><p><b>　　3.2 劃分網(wǎng)格</b></p><p>　　賽車模型文件導(dǎo)出，然

57、后就要對曲面及車身四周區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。使用FLUENT專用前處理軟件ICEM，導(dǎo)入之前的stp文件。</p><p>　　由于分析的是流經(jīng)車身表面的氣流的狀態(tài)，因此需要建立一個空氣場用以模擬賽車風(fēng)洞，常見模型為長方體空間。該長方體模型長度應(yīng)為5-7倍車長，寬度應(yīng)為3-5倍車寬，高度應(yīng)為3-5倍車高[20]。現(xiàn)取長25m，約為車長的8.9倍；寬8米，約為車寬的5.3倍；高4米，約為車高的5倍。車體外面的空氣，即長

58、方體和車身的之間部分的體積是需要劃分網(wǎng)格的區(qū)域。</p><p>　　由于整個計算域比較大，如果網(wǎng)格都劃分得很小后期計算會很耗費時間，所以采用的方法是網(wǎng)格由車身向周圍環(huán)境逐漸稀疏。為了節(jié)省計算時間，又保證計算精度，在車身周圍和車尾后部湍流強烈的區(qū)域創(chuàng)建網(wǎng)格加密區(qū)，即圖3.2中橘色方塊區(qū)域。</p><p>　　圖3.2 流體計算域示意圖</p><p>　　首先在車

59、身表面設(shè)置面網(wǎng)格，面網(wǎng)格最大尺寸為32，在輪胎底部等細小部位和狹小縫隙處的面網(wǎng)格最大尺寸按情況分別取8或16；然后設(shè)置邊界層，車身表面邊界層設(shè)置3層，比例為1.2，總高2.64mm；最后設(shè)置體網(wǎng)格，加密區(qū)體網(wǎng)格尺寸取128，非加密區(qū)取1024。</p><p>　　最后總共生成1247951個體網(wǎng)格單元。車身對稱面網(wǎng)格如圖3.3所示，可以清晰看出加密區(qū)網(wǎng)格情況。生成網(wǎng)格的質(zhì)量如圖3.4所示，只有6個網(wǎng)格質(zhì)量小于0

60、.1，對結(jié)果影響不大，絕大多數(shù)網(wǎng)格質(zhì)量大于0.17，該網(wǎng)格可以用于FLUENT進行進一步數(shù)值運算。</p><p>　　圖3.3 車身對稱面的網(wǎng)格分布情況</p><p>　　圖3.4 網(wǎng)格質(zhì)量示意圖</p><p>　　3.3 FLUENT數(shù)值仿真求解</p><p>　　在FLUENT中進行仿真的求解過程主要包括：設(shè)置求解器、選取湍流模

61、型、設(shè)置邊界條件、計算機迭代，具體流程如圖3.5所示。</p><p>　　3.3.1設(shè)置求解器</p><p>　　FLUENT中包括兩種求解器，壓力基求解器和密度基求解器，一般來說，低壓不可壓縮流體用壓力基來處理，而高速可壓縮流體用密度基求解器，本文所研究賽車車車速是遠遠低于音速的，因此我們可以不用考慮氣體的壓縮性，將其看作不可壓縮流體處理。所以我們選擇壓力基求解器，選用FLUENT中

62、默認的SIMPLE算法。</p><p>　　3.3.2選取湍流模型</p><p>　　綜合考慮流體的可壓縮性、計算精度要求、計算機能力、時間限制等因素，本次FLUENT仿真選取k-ε模型，該模型是半經(jīng)驗公式，穩(wěn)定性好、適用范圍廣、精度合理經(jīng)濟。</p><p>　　圖3.5 FLUENT求解過程概覽</p><p>　　3.3.3 邊

63、界條件的設(shè)定</p><p>　　由于仿真模型雷諾數(shù)小，因此選擇常用的標準 k-epsilon 湍流模型。采用標準k-epsilon 湍流模型使計算比較容易收斂，但對流場擾動很大的情況模擬結(jié)果并不好，不能捕捉到一些關(guān)鍵區(qū)域的渦流，導(dǎo)致計算產(chǎn)生誤差。 </p><p>　　現(xiàn)實中賽車行駛是賽車在動，空氣靜止，而在仿真過程中恰恰相反，一般設(shè)置賽車是靜止狀態(tài)，即固定壁面，空氣相對賽車運動，流速等

64、于車速。確認好工況后進行邊界條件設(shè)置。 </p><p>　　入口邊界：速度入口（Velocity Inlet），速度值為車速20m/s，湍流脈動5%，湍流尺度0.028m； </p><p>　　出口邊界：壓力出口（Pressure Outlet），壓力值標準大氣壓，湍流脈動0. 5%，湍流尺度0.028m； </p><p>　　地面：選擇壁面（wall）邊界條

65、件，指定為無滑移（no slip）邊界條件，以模擬移動地面；</p><p>　　車身：選擇壁面（wall）邊界條件，設(shè)置為無滑移（no slip）邊界條件；</p><p>　　頂部與側(cè)面：設(shè)置為對稱（symmetry）邊界條件。</p><p>　　3.3.4計算機迭代</p><p>　　按照以上參數(shù)設(shè)置，設(shè)置迭代步數(shù)為2000步，經(jīng)過

66、6小時計算，得到結(jié)果以及殘差曲線圖，殘差曲線如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 殘差曲線圖</p><p>　　3.4 賽車仿真結(jié)果分析</p><p>　　通過FLUENT的分析計算，得到賽車車身的升力和阻力數(shù)據(jù)以及壓力云圖、速度云圖、速度矢量圖等圖像用于分析賽車的氣動力、流速分布、空氣流動狀態(tài)等情況。</p><p>　　3

67、.4.1 氣動力分析</p><p>　　表4.1顯示了賽車的阻力和升力，賽車在20m/s工況下所受阻力為86.129N，阻力系數(shù)為0.398；所受升力為151.641N，升力系數(shù)為0.703。</p><p>　　賽車的阻力系數(shù)在0.4以內(nèi)，賽開放式賽車中屬于中等水平。但升力為正值且數(shù)值較大，隨著車速增大，升力還會進一步加大，這會使賽車喪失部分抓地力，不利于賽車的操縱穩(wěn)定性。</

68、p><p>　　表4.1 賽車的阻力和升力數(shù)據(jù)</p><p>　　通過軟件后處理圖像了解車身表面壓力分布如圖3.7所示。賽車正向較大的壓力主要分布在前后輪胎、鼻錐前部、駕駛員頭盔等部位。它們是賽車產(chǎn)生阻力的主要來源。</p><p>　　圖3.7 賽車表面壓力分布云圖</p><p>　　其中由于氣流直接沖擊前輪，導(dǎo)致前輪阻力在總阻力中占了很大

69、的比重，所以在前負升力翼設(shè)計中，如何引導(dǎo)氣流繞過前輪是一個重要的設(shè)計因素。駕駛員頭部若受到很大的正向壓力，會導(dǎo)致駕駛員頭部及頸部的不適，影響駕駛員的舒適性，甚至導(dǎo)致駕駛員受傷。因此，在車身上部設(shè)置導(dǎo)流板以引導(dǎo)氣流繞過駕駛員頭部是很有必要的。</p><p>　　3.4.2 外流場分布分析</p><p>　　根據(jù)賽車對稱面速度分布云圖3.8和速度分布矢量圖3.9，分析氣流在賽車對稱面的運

70、動情況。</p><p>　　氣流在車頭處分離，車身上部氣流沿著車身上表面加速流動，由于駕駛室的凹槽影響，氣流與車身分離形成小范圍渦流。之后氣流到達駕駛員頭盔并沿著頭盔表面加速流動，在頭盔后部再次分離并在頭盔和發(fā)動機廂之間再次形成小型渦流。之后氣流到達發(fā)動機廂頂部，達到最大速度，并馬上與廂體表面分離，產(chǎn)成最大的渦流。</p><p>　　圖3.8 賽車對稱面速度分布云圖</p>

71、<p>　　圖3.9 賽車對稱面速度矢量圖</p><p>　　賽車前輪后部的側(cè)艙是放發(fā)動機散熱水箱的位置，所以保證側(cè)艙有充足的空氣流過非常重要。現(xiàn)取距地面50mm截面局部速度矢量圖分析前輪和側(cè)箱處氣流情況，如圖3.10。</p><p>　　圖3.10 前輪及側(cè)艙處速度矢量圖</p><p>　　氣流受到前輪阻擋流向兩側(cè)，在車輪兩側(cè)高速流動，但由于受

72、到沿車身側(cè)壁面氣流影響，車輪與側(cè)壁之間的氣流大部分流向側(cè)箱外部，只有少部分流入側(cè)箱且形成渦流低速流動，形成的渦流進一步阻擋了外部氣流的進入。所以預(yù)測發(fā)動機水箱會有較差的散熱情況。</p><p>　　3.4.3 賽車后部湍動能圖</p><p>　　在賽車后部取六個截面，分別距車尾50mm、500mm、1000mm、1500mm、2500mm，3500mm以此來觀察賽車后部能量耗散情況，

73、如圖3.11。</p><p>　　圖3.11 湍流截面示意圖</p><p>　　在圖3.12中可以看出，距車尾較近處，氣流運動非?；钴S，湍動能較大，這說明該處氣動阻力較大。隨著距離增大，氣流運動強度越來越弱，湍動能強度逐漸減小。到距車尾3500mm處氣流基本趨于穩(wěn)定。</p><p>　　圖3.12 賽車后部湍動能圖</p><p>　　

74、4 空氣動力學(xué)套件方案的確定</p><p>　　空氣動力學(xué)套件是方程式賽車中重要的部件，包括前翼、后翼和擴散器，這里我們只設(shè)計前翼和后翼。</p><p>　　4.1 前翼的設(shè)計</p><p>　　前翼是氣流最先接觸到的部位，首先它起著引導(dǎo)氣流作用，控制氣流在賽車其他部位的流動，其次前翼擋在前輪的前面，避免了氣流對前輪的直接沖擊，極大的減小了前輪阻力，最后前

75、翼還能為賽車提供一定的下壓力，同時平衡尾翼為賽車提供的后部下壓力。</p><p>　　如圖4.1所示，本次前翼設(shè)計采用兩片式設(shè)計。兩片式設(shè)計能提供較大的下壓力和更高的效率，且兩片翼片之間的縫隙能有效得防止氣流的分離；前翼寬度略大于前輪，高度略小于前輪，可以有效得起到導(dǎo)流作用，降低前輪的Cd值，同時不會影響到貼近車身側(cè)壁面的空氣的流動，使這部分空氣順利地流進側(cè)艙進行散熱；翼片兩側(cè)的隔板可以有效地分開干凈氣流和干擾

76、氣流，同時避免產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力。</p><p>　　圖4.1 前翼示意圖</p><p>　　前翼的攻角設(shè)計有兩個方案，方案一的前翼攻角25°，襟翼攻角40°。方案二的前翼攻角20°，襟翼攻角35°。對兩方案前翼分別進行CFD數(shù)值模擬分析后擇優(yōu)取之。</p><p>　　表4.1 兩方案前翼氣動力對比</p>&l

77、t;p>　　表4.1顯示了兩個方案前翼所受氣動力的對比。由于方案一攻角較大，所以其提供的升力較大，同時阻力也相應(yīng)更大。所以具體要根據(jù)尾翼所提供下壓力大小來進行前翼的匹配。</p><p>　　圖4.2兩方案前翼對稱面壓力云圖對比</p><p>　　圖4.2是兩方案前翼處速度云圖對比，由圖可知，在方案一中，前翼上方高壓區(qū)壓強可達到2.45Pa，且高壓區(qū)較大，分布較為均勻，提供了可觀的

78、下壓力；而方案二中高壓區(qū)壓強最高可達2.42Pa,高壓區(qū)僅存在于翼片前端，面積較小，并且襟翼的高壓區(qū)主要形成了正面的壓差，即阻力，產(chǎn)生的下壓力有限。</p><p>　　圖4.3兩方案前翼空氣流線圖對比</p><p>　　圖4.3是兩方案前翼處的空氣流線圖對比，由圖可知，在方案一中，前翼下方的空氣迅速上揚，該部分空氣能較為順利地繞過前輪，避免了與前輪的直接沖擊；而方案二中前翼下方氣體上升

79、較緩，一部分氣體可能會與前輪發(fā)生正面接觸，從而增大前輪的阻力；同時氣體繞過前輪有利于后方氣流的梳理，避免了空氣與旋轉(zhuǎn)車輪接觸形成亂流。</p><p>　　綜上所述，方案一設(shè)計的前翼能提供的下壓力較大，雖然阻力也相應(yīng)較大，但方案一可以更為有效的引導(dǎo)氣流繞過前輪，減小前輪的阻力，從而間接地減小了整車的阻力，所以選擇方案一的前翼設(shè)計。</p><p>　　4.2 尾翼的設(shè)計</p>

80、;<p>　　尾翼最重要的作用是提供下壓力，同時盡可能地減少下壓力所帶來的氣動阻力。前文中已經(jīng)提到，尾翼的布置位置越高，它所受到的車身干擾氣流越少，能更好得發(fā)揮提供下壓力的作用，但考慮安全因素尾翼又不宜布置過高。所以尾翼設(shè)計采用兩片式設(shè)計，如圖4.4。底層翼主要起導(dǎo)流作用，采用較小攻角使氣流與翼面不發(fā)生分離；兩翼片之間采用合適的縫隙，使氣流得到加速；頂層翼離地較高，氣流質(zhì)量高且流速快，能產(chǎn)生較大的下壓力。</p>

81、;<p>　　圖4.4 尾翼示意圖</p><p>　　尾翼的攻角設(shè)計同樣有兩種方案，方案一底層翼攻角10°，頂層翼攻角19°；方案二底層翼攻角12°，頂層翼攻角21°。對兩方案前翼分別進行CFD數(shù)值模擬分析后擇優(yōu)取之。</p><p>　　表4.2 兩方案尾翼氣動力對比</p><p>　　表4.2顯示了兩個方

82、案尾翼所受氣動力的對比。由于方案二攻角較大，所以其提供的升力較大，同時阻力也相應(yīng)更大。在F1賽車上，前后定風(fēng)翼的下壓力分別占總下壓力的25%和33%，由于前翼已經(jīng)選擇了導(dǎo)流效果更好的方案一，那么兩個前翼可以在賽車前部共同創(chuàng)造129.948N的下壓力，根據(jù)比例，方案二尾翼較為接近最佳下壓力的值。</p><p>　　圖4.5壓力云圖對比</p><p>　　由圖4.5可知，兩個方案的尾翼高壓

83、區(qū)均在頂層翼上面，而低壓區(qū)均在底層翼下面；方案一高壓區(qū)最高壓強可達2.08Pa，低壓區(qū)最低壓強為-3.49Pa；方案二高壓區(qū)最高壓強可達2.25Pa，低壓區(qū)最低壓強為-4.19Pa；方案一高壓區(qū)影響的空氣范圍較大，而方案二低壓區(qū)影響范圍較大，這說明，方案一對上方空氣流速的減緩作用較強，方案二則更好地加快了底部空氣的流通。</p><p>　　圖4.6的速度矢量圖則很好地驗證了以上分析，方案二底層翼下方空氣流速明顯

84、快于方案一，高速流動的空氣有助于快速整理尾流；方案一兩翼片尾部下方均出現(xiàn)了小范圍低速區(qū)，說明這里出現(xiàn)了氣體的分離，不僅會喪失部分氣動升力，還會損失能量，增大氣動阻力。</p><p>　　圖4.6速度矢量圖對比</p><p>　　綜上所述，方案二提供的下壓力更大，且能與前翼下壓力匹配，同時能更好地加速尾流，有利于空氣在賽車后部快速匯合，所以選擇方案二的尾翼設(shè)計。</p>&

85、lt;p>　　5 改進后賽車仿真結(jié)果分析</p><p>　　5.1賽車模型的建立</p><p>　　將選好的前翼和尾翼與原始車身進行裝配后，前翼離地間隙為70mm，尾翼離地間隙為780mm，得到的賽車模型如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1 裝配空套的賽車模型</p><p>　　然后再用同樣的方法，用FLUENT進行整

86、體的分析計算，得到賽車的升力和阻力數(shù)據(jù)以及壓力云圖、速度云圖、速度矢量圖等圖像用于分析賽車的氣動力、流速分布、空氣流動狀態(tài)等情況。</p><p>　　5.2賽車仿真結(jié)果分析</p><p>　　表5.1分別顯示了裝有空氣動力學(xué)套件的賽車在20m/s工況下，車身、前翼、尾翼以及整車的受力情況。其中賽車所受總阻力為152.606N，阻力系數(shù)為0.533；所受總升力為-75.709N，升力系數(shù)

87、為-0.265。</p><p>　　阻力較原車有所增加，但阻力系數(shù)在開放式賽車中仍屬于中等水平?？偵樨撝?，利于賽車的操縱穩(wěn)定性。前翼和尾翼是下壓力的主要來源，且尾翼產(chǎn)生的下壓力最大，約占總下壓力的70%?？傮w來說，前翼和尾翼有較好的氣動特性。</p><p>　　表5.1 賽車阻力壓力數(shù)值示意圖</p><p>　　賽車車身壓力分布云圖如圖5.2所示，前翼和尾

88、翼都是高壓區(qū)域，由于前翼的導(dǎo)流作用，前輪正向壓力明顯減小。前翼和尾翼都很好得發(fā)揮了作用。但是鼻錐前部，駕駛員頭盔處高壓區(qū)沒有得到緩解，前翼的導(dǎo)流作用使后輪高壓區(qū)增大，這些問題仍有待解決。</p><p>　　圖5.2 賽車車身壓力分布云圖</p><p>　　圖5.3和圖5.4顯示了前翼、前輪和側(cè)箱處速度矢量圖。由于前翼的導(dǎo)流作用，從前方流入的空氣基本完全繞過了前輪，前輪對貼近車身壁面的氣

89、流影響很小，因此這部分空氣比較順利地流入側(cè)艙，水箱的散熱效果將有所改善。但前翼和前輪之間形成了一個低壓區(qū)域，產(chǎn)生了渦流，減小前翼和前輪之間的距離可能會改善此問題。</p><p>　　圖5.3 前翼、前輪和側(cè)箱處速度矢量圖</p><p>　　如圖5.4所示，前翼的速度矢量圖顯示了前翼空氣的流動狀態(tài)。翼片上側(cè)空氣流速較慢，翼片下側(cè)和兩翼片之間的流速較快，氣流在翼片底部附著良好，空氣基本未發(fā)

90、生分離和產(chǎn)生渦流。因此前翼設(shè)計基本符合要求。</p><p>　　圖5.4 前翼速度矢量圖</p><p>　　如圖5.5 所示，尾翼處的速度矢量圖顯示了尾翼處空氣的流動狀態(tài)。翼片上側(cè)空氣流速較慢，上下翼片之間的空氣流速最快，因而頂部翼片產(chǎn)生了大部分的下壓力。但是由于車身對氣流的影響，吹向尾翼的氣流并不是完全從正面吹來，所以尾翼處外流場與原來單獨分析尾翼的結(jié)果有一些區(qū)別，底部翼片的底面與氣

91、流產(chǎn)生了分離現(xiàn)象，氣流附著性較差，產(chǎn)生了湍流渦。尾翼的設(shè)計完成了提供下壓力的功能，但是翼型的不合理導(dǎo)致渦流產(chǎn)生，改變尾翼翼型或者適當(dāng)?shù)靥岣呶惨淼牟贾梦恢每赡軙鉀Q該問題。</p><p>　　圖5.5 尾翼速度矢量圖</p><p>　　圖5.6 有無尾翼賽車速度云圖對比</p><p>　　圖5.6顯示了尾翼對賽車尾流的影響。無尾翼賽車氣流在發(fā)動機廂后部產(chǎn)生了明顯

92、的分離，上下氣流不能平穩(wěn)地匯合，底盤與發(fā)動機廂之間的區(qū)域產(chǎn)生嚴重的渦流，進而增大了壓差阻力。而有尾翼賽車的尾部氣流在尾翼的引導(dǎo)下迅速匯合，有效地消除了部分的氣流分離，在發(fā)動機廂后部區(qū)域的渦流有所減弱。這說明尾翼除了提供下壓力以外起到了良好的導(dǎo)流作用。</p><p>　　圖5.7是賽車后部分別距車尾50mm、500mm、1000mm、1500mm、2500mm，3500mm處截面的湍動能圖。由于尾翼的整流作用，賽

93、車后部的湍動能圖與之前的湍動能圖也有著完全不同的形態(tài)，湍流范圍大幅減小，湍流主要集中在賽車寬度以內(nèi)；但車尾活躍氣流的湍動能強度與之前相當(dāng)，同樣是隨著距離加大而逐漸減弱，直至趨于平穩(wěn)。</p><p>　　圖5.7 賽車后部湍動能圖</p><p>　　總的來說，裝有前翼和尾翼的賽車與未安裝前翼和尾翼的賽車相比氣動特性有所提高，其中最重要的是前翼和尾翼提供的下壓力，這極大的改善了賽車高速行駛

94、的平穩(wěn)性和轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本文以河北工業(yè)大學(xué)AREI賽車為原型，利用CFD軟件FLUENT對其進行初步的空氣動力學(xué)分析和外流場分析。并針對其外流場特點為其設(shè)計了包括前翼尾翼的空氣動力學(xué)套件來改善賽車的氣動性能。全文工作得到的結(jié)論如下：</p><p>　　未安裝空氣動力學(xué)套件的賽車具

95、有氣動升力，并且會隨著車速增大而增大，從而使賽車抓地力減小，嚴重影響賽車的加速性能和操縱穩(wěn)定性。</p><p>　　安裝空氣動力學(xué)套件后，賽車的氣動升力由正值151.641N變?yōu)樨撝?75.709N。這說明安裝前翼和尾翼對賽車產(chǎn)生的下壓效果十分明顯，極大地改善了賽車的氣動性能。</p><p>　　尾翼是產(chǎn)生下壓力最多的部件，約占總下壓力的70%。前翼提供的下壓力約占30%。</p

96、><p>　　除了提供下壓力以外，合適的前翼造型能有效地減小前輪阻力和改善側(cè)艙氣流狀況，從而改善水箱的散熱。</p><p>　　除了提供下壓力以外，合適的尾翼造型能起到控制尾流的作用，減小尾流湍動能，減小渦阻。</p><p>　　整個研究過程對賽車氣動特性的改善有一定作用，但由于作者思維的局限性和理論知識的不足，使整體設(shè)計比較簡單，只是在淺顯的理論基礎(chǔ)上進行一定的改

97、進，仍有很多不足之處。希望今后能在此基礎(chǔ)之上有所進展，是賽車得到更加優(yōu)秀的氣動性能。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　黃天澤，黃金陵．汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M] ．北京：機械工業(yè)出版社，1996： 84-85</p><p>　　鄭春雷,胡壽根,陳康民.基于CDF的三維轎車車身流場的數(shù)值計算與應(yīng)用分析.2000&

98、lt;/p><p>　　郭軍朝,谷正氣.理想車身氣動造型研究與F1賽車空氣動力學(xué).湖南大學(xué)，2007</p><p>　　劉全有,趙福全,楊安志,金吉剛.翟洪軍淺析汽車風(fēng)阻系數(shù).浙江吉利汽車研究院有限公司,2012</p><p>　　江濤,谷正氣.汽車車身氣動造型設(shè)計優(yōu)化研究.湖南大學(xué)，2011</p><p>　　吳軍.汽車外流場湍流模型與菱

99、形新概念車氣動特性研究[D].湖南大學(xué),2005</p><p>　　傅立敏.汽車空氣動力學(xué)數(shù)值計算[M].北京理工大學(xué)出版杜,2000,78-133</p><p>　　谷正氣，姜樂華，吳軍等.轎車外流場的三維計算模擬[J].汽車工程,2000</p><p>　　吳軍.汽車車身虛擬氣動造型的研究[D].湖南大學(xué)碩士論文,1999</p><p

100、>　　黃偉，羅虹.汽車空氣動力特性的計算機輔助分析.重慶大學(xué)，2005</p><p>　　林鐵平，楊小龍.汽車外流場DES模擬研究.湖南大學(xué)，2010</p><p>　　郭朝軍.理想車身氣動造型研究與 F1 賽車氣動特性初探[D]. 湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2007</p><p>　　許志寶.汽車外流場CFD模擬.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版2007(

101、30)162-164</p><p>　　張云,楊永全.混合k-ε模型研究.水動力學(xué)研究與進展(增刊),1992</p><p>　　胡韓飛,陳景秋.小轎車繞流場的 CFD 模擬.重慶大學(xué)，2004</p><p>　　魏中磊,董宇飛,蔣小勤.湍流和大渦擬序結(jié)構(gòu)的現(xiàn)在未來及在工程上的應(yīng)用,第五界全國風(fēng)工程及工業(yè)空氣動力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集,1998,318-223<

102、;/p><p>　　A.J. Scibor Rylski. Road Vehicle Aero dynamics. Pentechpress, 1975, 12-210</p><p>　　李鈴,李玉梁.應(yīng)用基于RNG&-s方法的湍流模型數(shù)值模擬鈍體繞流的湍流流動.水科學(xué)進展,2000.11(4): 357-361</p><p>　　梁在潮.工程湍流[M].華

103、中理工大學(xué)出版社,1999</p><p>　　郭建成.基于CFD的汽車氣動力高精度計算及優(yōu)化.長沙:湖南大學(xué).2012</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本論文是在**大學(xué)機械工程學(xué)院車輛工程系**老師的悉心指導(dǎo)下完成的。**老師是一名十分優(yōu)秀的教師，具有豐富的汽車專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗。在完成課題研究和論文寫作的過