【文章內(nèi)容簡介】 公式可以得出，當(dāng)輪 距、重 心 高 度的改變受到制約，汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)輪胎的附 著 系 數(shù)即將用盡時(shí)，氣 動(dòng) 負(fù) 升 力對(duì)高速轉(zhuǎn) 彎 性 能起著十分重要的作用。 空氣動(dòng)力學(xué)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(kuò)散器。擴(kuò)散器主要是利用地面效應(yīng)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(jié)構(gòu)有不同的空氣動(dòng)力學(xué)特性。因此，升力翼設(shè)計(jì)的好壞直接決定了賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能。1）升力翼的結(jié)構(gòu) ，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(duì)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(dòng)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(dòng)升力的因素影響升力翼氣動(dòng)升力的因素有很多，總的來說，有如下幾個(gè)結(jié)論：（1）， 翼型氣動(dòng)升力系數(shù)隨攻角增大而增大，且呈線性關(guān)系；并且在攻角相同的情況下，彎曲翼型氣動(dòng)升力系數(shù)比對(duì)稱翼型大。 攻角與翼型升力系數(shù)（2） 氣流與升力翼分離會(huì)造成失速現(xiàn)象，會(huì)大大降低升力翼的空氣動(dòng)力學(xué)性能。由結(jié)論1可知，隨著升力翼攻角增加，氣動(dòng)升力系數(shù)CL也隨之增加，但是攻角達(dá)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(dǎo)致喪失一部分氣動(dòng)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(huì)消耗大量的能量，從而增大氣動(dòng)阻力。 氣流的附著與分離（3） 升力翼厚弦比增加，氣動(dòng)升力系數(shù)最大值增大。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(dòng)升力系數(shù)最大值也相應(yīng)增加。但厚弦比值大致在 12%之后，氣動(dòng)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(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(duì)F1賽車來說是十分重要的。 F1賽車上復(fù)雜的前翼造型前負(fù)升力翼對(duì)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(huì)相對(duì)比較靠后，這樣會(huì)使賽車前部有向上翹的趨勢(shì)。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(duì)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。這兩種狀況均會(huì)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(dòng)輪的附著性能，以提高賽車發(fā)動(dòng)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)。、升力系數(shù)的關(guān)系：如果距離較小，車身上表面可能會(huì)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(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，過于劇烈的振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致支架的斷裂。：離地高度越大，其升力系數(shù)值越?。划?dāng) h/c≥1 后，升力系數(shù)值基本不變。 后負(fù)升力翼與車身的距離對(duì)賽車CL、Cd的影響 后負(fù)升力翼離地高度對(duì)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(chǎng)，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(chǎng)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(cè)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(chǎng)的氣動(dòng)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(duì)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)對(duì)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，： CFD計(jì)算流程圖 湍流模型計(jì)算流動(dòng)是非常復(fù)雜的，所以計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算湍流運(yùn)動(dòng)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(dòng)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?？紤]到賽車車車速通常低于100公里/小時(shí)。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(dòng)可以看作是對(duì)空氣平順流動(dòng)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(chǎng)十分復(fù)雜，氣流的方向和流速都會(huì)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(dòng)能和耗散率方程兩個(gè)值：湍流動(dòng)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]。湍動(dòng)動(dòng)能k方程： 湍動(dòng)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(dòng)能； ——由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能； 、和——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)； ——湍流常數(shù)。 有效的黏性系數(shù)：。kε模型假定流場(chǎng)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(duì)完全湍流的流場(chǎng)有效[18]。模型的常量是對(duì)空氣、水的基本湍流試驗(yàn)而得來的，F(xiàn)LUENT軟件一般取值為=，=，=，=，=。 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(jí)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]?？刂企w體積積分法又稱有限體積法，它是將控制方程對(duì)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(dòng)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(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(chǎng)分析 賽車車身模型的建立及簡化對(duì)于網(wǎng)格劃分及流場(chǎng)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(huì)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(huì)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(duì)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(duì)流場(chǎng)干擾相對(duì)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(dòng)機(jī)艙基本上處在湍流渦區(qū)，可認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)艙中零部件的結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，因此將發(fā)動(dòng)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