FSC賽車翼型的選擇與二維流場分析

摘 要：在設計FSC賽車空氣動力學套件時翼型的選擇十分重要，合適的翼型能夠在產生較小阻力的前提下大幅度提高賽車的負升力，從而提高賽車的操縱性。文章借助prifili翼型軟件選擇合適的翼型，再根據FLUENT得出最大攻角以及翼片的相對位置，從而設計出符合自己要求的空氣動力學套件。

關鍵詞：翼型；FLUENT；流場分析

1 翼型的選擇及設計

在賽車領域空氣動力學的應用是很廣泛的，空氣動力學在賽車領域的應用是非常廣泛的，我們將此應用于FSAE的賽車上面，給賽車加裝空氣動力學套件，使其的操縱性能得以提升。這里所言空氣動力并不是要把空氣變成賽車的動力，而是讓空氣在賽車高速行駛過程中氣體的高速相對流動而產生的氣壓變成對賽車有利的力量。在空氣動力學套件又包括前翼、尾翼、底部擴散器，本文將對前翼、尾翼翼型的選擇進行介紹，翼型的幾何參數如圖1所示：

翼型的主要影響參數有前緣半徑、相對厚度、相對彎度及雷諾數（Re），其中前緣半徑和相對彎度增大，最大升力系數增加；當相對厚度較大時，升力線斜率也將隨相對厚度增大而增加。綜合以上因素，再考慮到加工的難易程度，我們選取了GOE226、GOE430、GOE441、GOE502這四種翼型進行進一步的分析。四種翼型的參數如表1所示：

在雷諾數（Re）的影響因素上，由于大學生方程式汽車大賽的規則限制，在比賽場地中放置多個樁桶，使得賽道彎道較多，在耐久賽時平均速度為20m/s左右，因此文章選取低Re數的翼型。雷諾數，是應用最廣泛的無維參數之一，公式為Re=pVL/μ。其中，p為流體密度，V為來流速度，L為物體特征長度，μ為流體粘度。粘性流的流動狀態對實驗結果的影響很大，通常利用雷諾數來判定流動狀態是層流還是湍流。對于圓管流動，當Re小于2300時，管內一定為層流；當Re大于8000-12000時，管內一定為湍流。根據經驗，在做翼片研究中，我們可以認為流過翼片的氣流是層流。此外在空氣動力學研究中，常把L看作是翼片弦長，由于受到前翼不可以超出前胎前端762mm，尾翼不可以超出后胎后端305mm，兩者不可以比前胎外側或者后胎外側二者之中最寬的更寬這幾條規則的限制，這里我們選取弦長為400mm進行分析。通過使用翼型分析軟件Profili，我們得出了如圖2所示的曲線。

由曲線可知，在同一升力系數下，GOE430、GOE441有較低的阻力系數，在選用時能夠降低空氣阻力對賽車行駛的影響，提高單圈圈速，因此選擇GOE430和GOE441作為尾翼的翼型。

2 翼型攻角的確定

在選擇好翼型之后要確定翼型的攻角，理論上講攻角越大產生的升力也就越大。然而在現實中，當攻角過大，氣流將與翼面表面發生分離，引發失速，從而使升力減少。為此，就需要得出避免失速的最大攻角，文章使用ANSYS FLUENT模塊進行二維流場分析，分析過程如下。

2.1 模型建立

將翼型的數據以坐標的形式保存為excel格式，并通過宏命令直接在CATIA里面生成相應的翼型截面。

2.2 計算域的確定

汽車實際的外流場是無窮大的，但是這樣的計算域是沒法計算的，參考一些論文，本文將計算域設成長方體，設定計算域的長度是10倍車長20000mm，前面3倍車長6000mm，后面6倍車長12000mm，高度是4倍車高6000mm，寬度是7倍車寬10500mm，左右側各為3倍車寬4500mm，在這樣大小的計算域，可以得到比較準確的計算結果，并且可以提高計算速度。

2.3 網格的劃分

使用ICEM-CFD劃分四面體網格，四面體網格可以適應復雜的曲面，這樣劃分出來的網格質量可以得到保證，而且四面體網格較其他網格劃分起來更為容易，使得網格劃分的時間大大縮短。在一些較小的曲面對網格進行局部加密，這樣劃分的網格質量才會更高，從而避免的計算不收斂的問題。

2.4 邊界條件的確定

（1）湍流模型選用標準k-ε模型。

（2）水力直徑：D=4×■

W和H分別為計算域入口的寬度和高度。W=10.5m，H=6m。

D=4×（6×10.5）÷（2×16.5）=7.64

（3）湍流強度：I=■？艿0.16（ReDH）-1/8

其中uavg為氣流平均速度，Re為雷諾數，μ為動力粘性系數。

Uavg=20m/s，Re=1.398e7，μ=1.81e-5ns/m2，I=0.02

設置好參數后開始迭代分析，得出了翼片的升力系數（cl）以及阻力系數（cd）。改變翼片的攻角得出不同的升力系數（cl）和阻力系數（cd）。從而可以得出翼片在最大升阻比時所對應的攻角。經過分析得出了GOE430的最大攻角為5°。GOE441的最大攻角為16°。

在確定了主翼和襟翼的攻角后，要確定兩者的相對位置，不同的相對位置對于最后產生的升力也有顯著的影響。

首先是襟翼距離主翼的高度對升力的影響。通過改變襟翼距離主翼的高度，得出不同的升力阻力，以及升阻比。見表2。

結論：根據這一組數據可以發現，間隙較小的時候，主翼的負升力比較大，而襟翼的負升力比較小，間隙較大的時候，主翼的負升力有減小的趨勢，而襟翼的負升力會增大，我們選擇30mm作為主翼和襟翼的間隙，這個數據的總負升力較大，且cl/cd最大。

然后在30mm的高度下橫向比較，即把襟翼沿著x方向向前或者向后平移。通過改變主翼和襟翼水平方向的距離得出了相對應的升力、阻力、升阻比，見表3。

結論：由這一組數據可以發現，在相對于原來位置沿著正方向移動，負升力會減小，在相對于初始位置-5mm及以后的位置總的負升力比較大，我們橫向位置選擇-15mm，這個位置的負升力比較大。

通過這兩組數據的分析比較，我們優化后的位置相對于原位置向上平移了30mm，向后平移了15mm，這個位置的負升力是90.13N，比原位置61.27N增加了28.86N的下壓力。

3 結束語

通過以上分析，我們選擇GOE430和GOE441這兩種低Re數翼型作為FSC賽車的翼型，經過FLUENT的分析，得出了兩者的最大攻角分別為5°、16°。經過進一步的仿真分析，得出了兩者的相對位置關系，主翼與襟翼的豎直間距為30mm，水平間距為15mm。

參考文獻

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