FSAE方程式赛车碳纤维车身与后尾翼设计与空气动力学分析-外文翻译

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1、FSAE赛车空气动力学研究SnehHetawala,*,MandarGophaneb,AjayB.K.c,YagnavalkyaMukkamalad摘要：本文对FSAE赛车的设计以及对其CFD分析进行了描述。提出了关于发动机后置的FSAE赛车的数值研究。这项研究的重点是探讨一辆FSAE赛车在有无防火墙通风口、有无前扰流板或者有无前扰流板这三种情况下的空气动力学特性。FSAE是一项每年世界各地的大学生自行设计制造赛车并且通过方程式比赛决出名次的竞赛。印度的FSAE赛事重点是开发一辆简单的、轻量化的、容易操作的开放式赛

2、车。赛车必须完全符合汽车工程学会的规则，同时规则规定了相当一部分的设计目标。研究FSAE赛车的空气动力学是为了减小空气阻力。通过CFD软件进行研究，研究的主要目的是增强车辆的稳定性以及减小空气阻力。随着车辆的空气动力性能的改善，车辆受到的空气阻力将会减小。赛车的全部模型都是通过CFD进行分析。通过ANSYS的Fluent模块模拟分析FSAE赛车表面流过的紊乱气流（使用k-ϵ模型），进行空气动力学分析。分析结果将会通过阻力系数、等速流线以图形化的方式显示。1.介绍FSAE比赛是由学生设计制造一辆方程式赛车，这对他们来

3、说是个挑战。在过去的几十年里，CFD分析在赛车领域扮演着重要的角色。为了获得良好的性能，车辆必须改进空气动力学性能。空气阻力通常来说是阻碍车辆前进的一种副作用力，而下压力则有利于赛车与地面保持良好接触。空气动力学工程师的工作就是在下压力和空气阻力之间找到一个平衡点。首先，对FSAE赛车进行分析并找到空气阻力系数；第二，座位应该有槽以减小空气阻；第三，安装扰流板以增加车辆的稳定性。1.1空气阻力（Cd）当流体流过物体表面的时候，将会阻碍物体的运动，这就是阻力。空气阻力由压差阻力和粘性阻力构成，而压差阻力是主要因素。车

4、体内外空气压力差形成剪切力，从而形成了压差阻力。(1)ρ为空气密度（），A为迎风面积（），v为速度（m/s13）。使用CFD软件分析可以节省大量的时间，它正在变得越来越重要。这里有两种不同的气流：层流和湍流。相邻层流体相互之间的光滑滑动称为层流。而湍流则是混乱的、随机的。它通常是3维的、不稳定且不利的。区分流体是层流还是湍流的标准是雷诺数。在车体表面有一层薄薄的空气存在，这层空气速度的变化取决于车体表面。这一层薄薄的空气层称为边界层。当离车体表面越远，边界层的长度就越长。边界层最开始是层流，但当它距离变远的时候就成

5、为湍流了。当车体表面突然发生变化的时候就会导致气流分离。当上一层的气流致使下一层的气流不在边界层的范围内时，通常就会导致气流分离。气流可用纳维叶-斯托克斯公式表示：(2)式中u为速度，t为时间，x为坐标，p为压力，ρ为密度（）。同样的情况对于后视镜来说也适用。当气流经过后视镜背面的时候，会被后视镜分离。随着气流进一步地运动，就会发生气流分离，同时，在镜子的前面形成大量的尾流。随着尾流规模的减小，特征长度也随之减小，因此雷诺数也会减小。三者减小的量是成比例的。在风洞实验之前首先要完成CFD分析。目前有几种不同方法来计

6、算气流，最普遍的有如下几种：·DNS-解纳维叶-斯托克斯方程。这种方法需要极细的网格尺寸以及较大的计算机内存，它可以计算所有的湍流尺度；·RANS-这种方法给出了求解纳维叶-斯托克斯方程所需要的大概平均时间。由于流速场是不断波动的，所以它并不能计算所有的湍流尺度；·LES-用于解决大尺度紊流运动。模拟需要较长时间。1.方法FSAE赛车的空气动力学研究是通过ANSYS软件的Fluent模块进行的。其主要目的是减少空气阻力并且增加FSAE赛车的过弯平稳性。在Fluent中分析FSAE赛车的基本模型，并找到升力系数和阻力

7、系数较高的一侧。调整基本模型的适当修改并分别分析。设计修改以及其带来的影响将在下一部分讨论。2.1建模13空气动力学研究主要是为了减少FSAE赛车的空气阻力，并增加稳定性。减少FSAE赛车的空气阻力有利于提高其最高速度。这就要求赛车车身符合空气动力学要求，使空气在流过表面时遇到更小的阻碍。在空气动力学研究中赛车的稳定性也是非常重要的，赛车的稳定性主要由鼻翼、尾翼和扩散器提供。本文主要介绍安装鼻翼增加赛车稳定性，主要通过三种不同的实体模型来进行研究。2.2设计修改·第一个实体模型是基于FSAE赛车的实际形状与实际尺寸

8、建立的；·第二个实体模型去除了FSAE赛车的一部分防火墙以减小空气阻力；·第三个实体模型是在第二个实体模型的基础上在赛车上安装鼻翼。鼻翼会增加赛车的下压力，从而减小空气阻力并增加稳定性。第一个模型是FSAE赛车的基本模型。三个模型都是通过SOLIDWORKS2013建立的。图1.模型1图2.模型213图3.模型32.3CFD仿真网格划分为了减少计算时间，只有