基于FSEC方程式赛车的整车压力分布测定及尾翼优化设计

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1、基于FSEC方程式赛车的尾翼优化设计及整车压力分布测定1-实验目标:(1)通过CFD模拟不同尾翼在流场的性能进行对比优化。(2)通过Fluent进行整车计算，得到压力云图与迹线图进行分析。2.实验原理：FSEC是中国大学生电动方程式大赛的简称，是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学牛组队参加的汽车设计与制造比赛；各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操纵性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车。本实验基于2017年上海工程技术大学锐狮电动方程式赛车，在攻角优化完成

2、的情况下对于其尾翼进行对比再优化和整车流体分析。一般而言，方程式赛车的气动阻力系数在0.7-1.0之间，是目前乘用车的二至四倍。其中一方面因为赛规限制(车轮外露)，另一方面是因为方程式赛车的下压力通常比阻力重要。因此在方程式赛车空气动力学方面则需要良好的处理压力与阻力的关系和气流的流动方向，进而使赛车更有竞争力。通常在方程式赛车行驶过程中，气流最先达到前翼，前翼控制着空气在赛车其余部位的流动，同时起到提供下压力和减小前轮气动阻力及引流的的作用；侧翼则控制着侧车身气流方向，使整车在结构上更加紧凑，同时减小了后轮的气动阻

3、力，增加了重心处的下压力，使赛车操纵更加平稳；尾翼为赛车后部提供下压力，它占全部下压力的20%-25%0相对于前翼与侧翼的各种要求，尾翼的用途只有一个，即在尽可能减小气动阻力的情况下提供下压力。对于尾翼来说，想要获得较高气动压力的途径有：增加升力翼表面积；增加升力翼弧度；通过翼型开缝延迟气流分离。对于方程式赛车，通常采用组合翼的形式。通过翼型叠加能够获得更大的翼型攻角，升力系数也随之增加，这是因为气流经过两翼间缝隙时，通过前方翼型尾部的导流作用，使气流方向能够更加贴合后方翼型，因此后方翼型可以获得比前方翼型更大的攻角

4、而不产生气流分离。在尾翼设计中除了攻角的确定，其次便是翼片的组合与端板的设计；本实验在攻角确定的基础上，分别在CATIA中完成三翼板、双翼板、百叶三翼板的建模，对比不同翼数的性能比与同翼数下是否添加百叶结构的性能比，得到尾翼最终设计方案。由于赛车车速一般在100km/h,空气密度变化不大，可以近似看成是常数,因此尾翼周围空气为不可压缩流体，根据雷诺理论，流动属于湍流。因而赛车空气动力学套件气动力的模拟属于求解湍流流动问题，采用的控制方程为三维不可压缩的雷诺平均连续方程字雷诺平均N-S方程，即第+岛(P⑷)=0售(p”

5、i)+訂(P吟⑷)=-瓷+鬻+島(-P”;u'j)其中吗表示略去平均符号的雷诺平均速度分量，P为密度，P为压强，山为脉动速度，6了为应力张量分量。I湍流模型采用Realizablek-e模型，该模型有利于代表各种不同尺度涡间能量谱的传递，可以有效的用于不同类型的流动模拟，该模型包括湍流动能方程和湍流耗散率方程。湍流动能方程为：讐+弩严=醫［（“+羽劉湍流耗散方程为：atdxj2£+PZ一呻齐预+Cls^Gb+S外dxj・湍流模型选择剪切应力运输k-3模型，即SSTk-3模型：专(pk)+召(pkui)=嘉(厂k筹)+

6、Gk-Yk+Ska—(pco)+——(pu)ui)=——(厂3—)+Goo—丫3+Do)+Sox'atoxidxjdxj/gj.=Cap亍式中，G/c为湍动能k的生成项，G3为耗散率3的生成项；『k和『3分别为k和3的有效扩散系数；Yk和丫3为由于紊流引起的k和3的耗散；D3为交叉扩散项；Sk和S3为自定义源项。该模型综合了k-3模型在近壁区计算的优点和k-£模型在远场计算的优点，将k-3和标准k-e模型都乘以一个混合函数后再相加就得到这个模型。在近壁区，混合函数的数值等于1,因此在近壁区等价于k-3。在远离近壁面

7、的区域混合值函数等于0,因此自动转化为标准k-£模型。与标准k-3相比，SSTk-3模型中增加了横向耗散导数项，同时在湍流粘度定义中考虑了湍流剪切应力的运输过程，模型中使用的湍流常数也有所不同。这些特点使得SSTk-3模型的适用范围更加广泛，适用于翼型计算等。模拟中对尾翼附近的流动特征、尾翼的下压力和升阻比进行分析，在完成尾翼计优化的基础上，进行整合计算，得到整车分析数据。并II将最终优化方案用于实车制造并进行了实车性能测试。3.实验步骤：1.在尾翼攻角优化完成的基础上，在CATIA中进行不同尾翼形式建模，分别建立双

8、层三板翼（攻角2。、34°54°）,附加百叶结构双层三板翼（攻角同上），二板翼（攻角2。、34°）,导入ICEM中进行网格划分，采用非结构网格。2.网格划分完成后导入Fluent进行分析，选择湍流模型为k・co,SST模型，材料选择为空气，边界条件:压力出口边界，湍流强度:0・5%,湍流速率：炉计算域面积/计算域周长，速度入口边界，速度20m/