汽車外流場分析研究畢業(yè)設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 公式可以得出，當輪 距、重 心 高 度的改變受到制約，汽車轉彎時輪胎的附 著 系 數(shù)即將用盡時，氣 動 負 升 力對高速轉 彎 性 能起著十分重要的作用。 空氣動力學套件 升力翼賽車行駛過程中產(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，而不同的升力翼結構有不同的空氣動力學特性。因此，升力翼設計的好壞直接決定了賽車的空氣動力學性能。1）升力翼的結構 ，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。，(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。 翼展與攻角示意圖 翼型弦長與厚度示意圖2）影響升力翼氣動升力的因素影響升力翼氣動升力的因素有很多，總的來說，有如下幾個結論：（1）， 翼型氣動升力系數(shù)隨攻角增大而增大，且呈線性關系；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。 攻角與翼型升力系數(shù)（2） 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性能。由結論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。，由于攻角過大，氣流在升力翼后方出現(xiàn)分離，導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、脫落，會消耗大量的能量，從而增大氣動阻力。 氣流的附著與分離（3） 升力翼厚弦比增加，氣動升力系數(shù)最大值增大。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。 升力翼厚弦比與最大升力系數(shù)關系示意圖 前負升力翼前負升力翼可以產(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。 F1賽車上復雜的前翼造型前負升力翼對賽車轉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)的狀況就是轉向不足。如果后輪附著力不足，則賽車后輪很可能打滑，導致賽車轉向過度。這兩種狀況均會降低賽車的操縱穩(wěn)定性。 賽車轉向過度 賽車轉向不足 后負升力翼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。后負升力翼和車身表面之間的距離和后負升力翼離地高度是兩個很重要的參數(shù)。、升力系數(shù)的關系：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致支架的斷裂。：離地高度越大，其升力系數(shù)值越?。划?h/c≥1 后，升力系數(shù)值基本不變。 后負升力翼與車身的距離對賽車CL、Cd的影響 后負升力翼離地高度對CL的影響 流體數(shù)值模擬的理論基礎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，通過一定的原則和方法建立代數(shù)方程的變量之間的關系，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)的風洞試驗相比，CFD技術不需要制造出真實部件，就能運用計算機技術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。這種技術同計算機輔助造型技術相結合，可以更加經(jīng)濟、迅速、實用地應用于汽車造型的設計之中。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 結果是非常必要的[15]。CFD的求解計算可以分為三個環(huán)節(jié)：前處理、求解、后處理，： CFD計算流程圖 湍流模型計算流動是非常復雜的，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：SpalartAllmaras模型、kε模型、kω模型、雷諾應力模型（RSM）、大渦模擬模型（LES）[16]。計算湍流運動時要視不同的情況而選擇不同的模型，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?？紤]到賽車車車速通常低于100公里/小時。即使考慮逆風行駛的情況，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kε模型。標準kε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[18]。湍動動能k方程： 湍動能耗散率ε： 其中——層流黏性系數(shù)； ——湍流黏性系數(shù)，； ——由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能； ——由浮力產(chǎn)生的湍流動能； 、和——經(jīng)驗常數(shù)； ——湍流常數(shù)。 有效的黏性系數(shù)：。kε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kε模型只對完全湍流的流場有效[18]。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=，=，=，=，=。 數(shù)值計算方法有限差分法、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。有限體積法（Finite Volume Method，記為 FVM）是 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]?？刂企w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，從而導出離散方程的一種方法。它的特點是：該法得到的結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，然后依次轉換直至得到收斂解。目前國外汽車領域采用的計算流體力學的商用軟件如PHOENICS、STARCD、CFX、FLUENT 等大都采用有限體積法。3 賽車外流場分析 賽車車身模型的建立及簡化對于網(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，要對車身進行簡化。1) 去掉后懸架雙橫臂桿、轉向橫拉桿等對流場干擾相對較小的桿件；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。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構對計算結果影響不大，因此將發(fā)動機艙簡化為一個箱形結構，尺寸參照車架后部尺寸。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