【文章內(nèi)容簡介】 ， CL值不再增加，甚至開始下降。如圖 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。 圖 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，如圖 所示。這是因?yàn)楦蟮暮裣冶饶苁股σ慝@得更大的失速迎角，所以氣動升力系數(shù)最大值也河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 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。 圖 升力翼厚弦比與最大升力系數(shù)關(guān)系示意圖 前負(fù)升力翼 前負(fù)升力翼可以產(chǎn)生一定的負(fù)升力 ，增大賽車車輪的地面附著力，提高賽車高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向能力，此外后負(fù)升力翼引起的車頭上仰的力矩可以由前負(fù)升力翼產(chǎn)生的下壓力抵消掉一部分。同時(shí)在 F1 賽車中，前負(fù)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 。 圖 F1 賽車上復(fù)雜的前翼造型 前負(fù)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。河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 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 。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 。這兩種狀況均會降低賽車的操縱穩(wěn)定性。 賽車轉(zhuǎn)向過度 賽車轉(zhuǎn)向不足 后負(fù)升力翼 后負(fù)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(jī)的效率。 后負(fù)升力翼和車身表面之間的距離和后負(fù)升力翼離地高度是兩個(gè)很重要的參數(shù)。圖 表示了后負(fù)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(fù)壓，從而減弱負(fù)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(fù)升力翼支架太長，賽車高速行駛時(shí)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 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??；當(dāng) h/c≥ 1 后，升力系數(shù)值基本不變。 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 圖 后負(fù)升力翼與車身的距離 對 賽車 CL、 Cd 的影響 圖 后負(fù)升力翼離地高度對 CL 的影響 流體數(shù)值模擬的 理論基礎(chǔ) CFD 的基本思想是指把原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)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(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(shí)際上就是離散化和代數(shù)化 [14]。 與傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)相比， CFD 技術(shù)不需要制造出真實(shí)部件，就能運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)測出比較接近實(shí)際的效果，有利于節(jié)省研究費(fèi)用和研發(fā)時(shí)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(jì)算機(jī)輔助造型技術(shù)相結(jié)合，可以更加經(jīng)濟(jì)、迅速、實(shí)用地應(yīng)用于汽車造型的設(shè)計(jì)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(xué)模型，將無法運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，而且數(shù)值模擬在計(jì)算精度方面還有待提高。所以試驗(yàn)并不能完全由數(shù)值計(jì)算所替代，試驗(yàn)河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 對于校正和檢驗(yàn) CFD 結(jié)果是非常必要的 [15]。 CFD 的求解計(jì)算可以分為三個(gè)環(huán)節(jié)：前處理、求解、后處理，整個(gè)流程如圖 所示： 圖 CFD 計(jì)算流程圖 湍流模型 計(jì)算流動是非常復(fù)雜的，所以計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算湍流運(yùn)動時(shí)，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(yīng)力模型（ RSM） 、 大渦模擬模型（ LES） [16]。 計(jì)算湍流運(yùn)動時(shí)要視不同的情況而選擇不同的模型， 湍流模型的選取準(zhǔn)則是 ：流體可壓 縮性問題 、可行 性 問題、精度的要求 問題 、計(jì)算機(jī)的能力 問題和 時(shí)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 。 考慮到賽車車車速通常低于 100 公里 /小時(shí)，即 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(yuǎn)遠(yuǎn)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?yàn)槠嚨倪\(yùn)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(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 kε模型。 標(biāo)準(zhǔn) kε模型是最常用的湍流模型之一，它是半經(jīng)驗(yàn)公式。需要求解湍動能和耗散率方程兩個(gè)值：湍流動能方程 —— k 方程是 一個(gè)精確方程，而湍流耗散率方程 —— ε方程是一個(gè)由經(jīng)驗(yàn)得到的方程。如果考慮自定義的源項(xiàng)，標(biāo)準(zhǔn)模型方程如下所示 [18]。 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 湍動動能 k 方程： ????? ????????? ?????????? ???? bkiktliGGxkxDtDkρ 湍動能耗散率 ε ： ? ? kCGCGkCxx bklitli223DtD ????????????? ??????????????????? ???? 其中 l? —— 層流黏性系數(shù)； t? —— 湍流黏性系數(shù)， ????2kCt ?； kG —— 由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能； bG —— 由浮力產(chǎn)生的湍流動能； ?1C 、 ?2C 、 ?3C 、 k? 和 ?? —— 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)； ?C —— 湍流常數(shù)。 有效的黏性系數(shù)： lt ??? ?? 。 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(biāo)準(zhǔn) 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(yàn)而得來的， FLUENT 軟件一般取值為 ?1C =， ?2C =， ?C =， k? =， ?? =。 數(shù)值計(jì)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(jì)算方法。本文所采用的方法是有限體積法來進(jìn)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(xiàng)式擬合法、控制體體積積分法與控制體體積平衡法[19]。控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(jìn)行積分，從而導(dǎo)出離散方程的一種方法。它的特點(diǎn)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河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 以得到滿足。該方法擁有有限差分法的優(yōu)點(diǎn) ，得到的離散方程組可以用迭代法求解，每次只需計(jì)算一個(gè)變量，然后依次轉(zhuǎn)換直至得到收斂解。 目前國外汽車領(lǐng)域采用的計(jì)算流體力學(xué)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(jì)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(diǎn)溢出，還會大大延長計(jì)算時(shí)間，所以為了使分析計(jì)算順利進(jìn)行，要對車身進(jìn)行簡化。 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； 2) 添加駕駛員模型，圓球位置是駕駛員實(shí)際坐 在 駕駛艙時(shí)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(jī)艙基本上處在湍流渦區(qū)，可認(rèn)為發(fā)動機(jī)艙中零部件的結(jié)構(gòu)對計(jì)算結(jié)果影響不大，因此將發(fā)動機(jī)艙簡化為一個(gè)箱形結(jié)構(gòu)，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(shí)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(shí)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 。 由于 FLUENT 分析時(shí)不能分析曲面， 所以還 需要對 賽車 車身進(jìn)行 全 封閉 處理。處理后賽車模型如圖 所示。 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 圖 簡化后車身模型 處理完成 后 ， 輸出 為 通用格式，為導(dǎo)入 ICEM 劃分網(wǎng)格 做準(zhǔn)備。 按照 經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)出為 parasolid、 stp、 igs 格式均可 ， 現(xiàn)導(dǎo)出為 stp 格式。 劃分網(wǎng)格 賽車 模型文件導(dǎo)出， 然后 就要對曲面及車身 四周 區(qū)域進(jìn)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。 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(gè)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 57 倍車長，寬度應(yīng)為 35 倍車寬，高度應(yīng)為 35 倍車高 [20]?，F(xiàn)取長 25m，約為車長的 倍；寬8 米，約為車寬的 倍；高 4 米，約為車高的 5 倍。車體 外面的空氣，即長方體和車身的 之間 部分的體積是需要劃分網(wǎng)格的 區(qū)域 。 由于 整個(gè)計(jì)算域比較大，如果網(wǎng)格都劃分得很小后期計(jì)算會很耗費(fèi)時(shí)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(jì)算時(shí)間，又保證計(jì)算精度，在車身周圍和車尾后部湍流強(qiáng)烈的區(qū)域創(chuàng)建網(wǎng) 格加密區(qū)， 即圖 中橘色方塊區(qū)域 。 圖 流體計(jì)算域示意圖 河北工業(yè)