FSC赛车翼型的选择与二维流场分析

摘 要：在设计FSC赛车空气动力学套件时翼型的选择十分重要，合适的翼型能够在产生较小阻力的前提下大幅度提高赛车的负升力，从而提高赛车的操纵性。文章借助prifili翼型软件选择合适的翼型，再根据FLUENT得出最大攻角以及翼片的相对位置，从而设计出符合自己要求的空气动力学套件。

关键词：翼型；FLUENT；流场分析

1 翼型的选择及设计

在赛车领域空气动力学的应用是很广泛的，空气动力学在赛车领域的应用是非常广泛的，我们将此应用于FSAE的赛车上面，给赛车加装空气动力学套件，使其的操纵性能得以提升。这里所言空气动力并不是要把空气变成赛车的动力，而是让空气在赛车高速行驶过程中气体的高速相对流动而产生的气压变成对赛车有利的力量。在空气动力学套件又包括前翼、尾翼、底部扩散器，本文将对前翼、尾翼翼型的选择进行介绍，翼型的几何参数如图1所示：

翼型的主要影响参数有前缘半径、相对厚度、相对弯度及雷诺数（Re），其中前缘半径和相对弯度增大，最大升力系数增加；当相对厚度较大时，升力线斜率也将随相对厚度增大而增加。综合以上因素，再考虑到加工的难易程度，我们选取了GOE226、GOE430、GOE441、GOE502这四种翼型进行进一步的分析。四种翼型的参数如表1所示：

在雷诺数（Re）的影响因素上，由于大学生方程式汽车大赛的规则限制，在比赛场地中放置多个桩桶，使得赛道弯道较多，在耐久赛时平均速度为20m/s左右，因此文章选取低Re数的翼型。雷诺数，是应用最广泛的无维参数之一，公式为Re=pVL/μ。其中，p为流体密度，V为来流速度，L为物体特征长度，μ为流体粘度。粘性流的流动状态对实验结果的影响很大，通常利用雷诺数来判定流动状态是层流还是湍流。对于圆管流动，当Re小于2300时，管内一定为层流；当Re大于8000-12000时，管内一定为湍流。根据经验，在做翼片研究中，我们可以认为流过翼片的气流是层流。此外在空气动力学研究中，常把L看作是翼片弦长，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，两者不可以比前胎外侧或者后胎外侧二者之中最宽的更宽这几条规则的限制，这里我们选取弦长为400mm进行分析。通过使用翼型分析软件Profili，我们得出了如图2所示的曲线。

由曲线可知，在同一升力系数下，GOE430、GOE441有较低的阻力系数，在选用时能够降低空气阻力对赛车行驶的影响，提高单圈圈速，因此选择GOE430和GOE441作为尾翼的翼型。

2 翼型攻角的确定

在选择好翼型之后要确定翼型的攻角，理论上讲攻角越大产生的升力也就越大。然而在现实中，当攻角过大，气流将与翼面表面发生分离，引发失速，从而使升力减少。为此，就需要得出避免失速的最大攻角，文章使用ANSYS FLUENT模块进行二维流场分析，分析过程如下。

2.1 模型建立

将翼型的数据以坐标的形式保存为excel格式，并通过宏命令直接在CATIA里面生成相应的翼型截面。

2.2 计算域的确定

汽车实际的外流场是无穷大的，但是这样的计算域是没法计算的，参考一些论文，本文将计算域设成长方体，设定计算域的长度是10倍车长20000mm，前面3倍车长6000mm，后面6倍车长12000mm，高度是4倍车高6000mm，宽度是7倍车宽10500mm，左右侧各为3倍车宽4500mm，在这样大小的计算域，可以得到比较准确的计算结果，并且可以提高计算速度。

2.3 网格的划分

使用ICEM-CFD划分四面体网格，四面体网格可以适应复杂的曲面，这样划分出来的网格质量可以得到保证，而且四面体网格较其他网格划分起来更为容易，使得网格划分的时间大大缩短。在一些较小的曲面对网格进行局部加密，这样划分的网格质量才会更高，从而避免的计算不收敛的问题。

2.4 边界条件的确定

（1）湍流模型选用标准k-ε模型。

（2）水力直径：D=4×■

W和H分别为计算域入口的宽度和高度。W=10.5m，H=6m。

D=4×（6×10.5）÷（2×16.5）=7.64

（3）湍流强度：I=■？艿0.16（ReDH）-1/8

其中uavg为气流平均速度，Re为雷诺数，μ为动力粘性系数。

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

设置好参数后开始迭代分析，得出了翼片的升力系数（cl）以及阻力系数（cd）。改变翼片的攻角得出不同的升力系数（cl）和阻力系数（cd）。从而可以得出翼片在最大升阻比时所对应的攻角。经过分析得出了GOE430的最大攻角为5°。GOE441的最大攻角为16°。

在确定了主翼和襟翼的攻角后，要确定两者的相对位置，不同的相对位置对于最后产生的升力也有显著的影响。

首先是襟翼距离主翼的高度对升力的影响。通过改变襟翼距离主翼的高度，得出不同的升力阻力，以及升阻比。见表2。

结论：根据这一组数据可以发现，间隙较小的时候，主翼的负升力比较大，而襟翼的负升力比较小，间隙较大的时候，主翼的负升力有减小的趋势，而襟翼的负升力会增大，我们选择30mm作为主翼和襟翼的间隙，这个数据的总负升力较大，且cl/cd最大。

然后在30mm的高度下横向比较，即把襟翼沿着x方向向前或者向后平移。通过改变主翼和襟翼水平方向的距离得出了相对应的升力、阻力、升阻比，见表3。

结论：由这一组数据可以发现，在相对于原来位置沿着正方向移动，负升力会减小，在相对于初始位置-5mm及以后的位置总的负升力比较大，我们横向位置选择-15mm，这个位置的负升力比较大。

通过这两组数据的分析比较，我们优化后的位置相对于原位置向上平移了30mm，向后平移了15mm，这个位置的负升力是90.13N，比原位置61.27N增加了28.86N的下压力。

3 结束语

通过以上分析，我们选择GOE430和GOE441这两种低Re数翼型作为FSC赛车的翼型，经过FLUENT的分析，得出了两者的最大攻角分别为5°、16°。经过进一步的仿真分析，得出了两者的相对位置关系，主翼与襟翼的竖直间距为30mm，水平间距为15mm。

参考文献

[1]付强.轿车尾翼间隙和攻角的数值风洞研究[D].吉林大学，2006.

[2]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2005：120-121.

[3]曾云飞.万德FSC赛车空气动力学特性研究[D].辽宁工业大学，2014.