FSAE车身空气动力学

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FSAE赛车悬架的优化设计及分析

FSAE赛车悬架的优化设计及分析

2、阻尼:阻尼的大小直接影响赛车的反弹速度和行驶平顺性。阻尼过大, 赛车反弹过快,会影响赛车的操控性和稳定性;阻尼过小,则会导致赛车行驶平 顺性降低。
3、几何形状:悬架的几何形状决定了赛车在不同行驶状态下的性能表现。 例如,多连杆悬架可以提供更好的操控性和稳定性,但需要更高的技术要求和更 复杂的结构设计。
二、大学生方程式赛车悬架的设 计
1、确定悬架类型:大学生方程式赛车通常采用麦弗逊式独立悬架,这种悬 架具有结构简单、重量轻、占用空间小等优点。
2、选择合适的材料:考虑到赛车的轻量化和刚度需求,通常会选择高强度 铝合金作为悬架的主要材料。
3、确定弹簧刚度和阻尼:弹簧刚度需要根据赛车重量和赛道特性进行选择, 而阻尼则需根据驾驶风格和赛道条件进行调整。
1、按照设计图纸进行前期准备
在制造阶段,首先要按照设计图纸进行前期准备,包括加工制造、组装等。 要确保各个零部件的尺寸和性能符合设计要求,同时要对材料和加工工艺进行严 格把关,确保赛车制造的质量。Biblioteka 2、安装动力装置和其他附件
在制造过程中,要安装发动机、变速器等动力装置,并连接相关管路和附件。 在这个过程中,要保证各个零部件之间的连接牢固可靠,同时要确保管路和线路 的布置合理,不会影响赛车的性能和安全性。
二、FSAE赛车悬架设计
FSAE赛车的悬架设计需要充分考虑赛车性能的要求和实际行驶情况。一般来 说,FSAE赛车的悬架设计需要考虑以下几个方面:
1、刚度:悬架的刚度是决定赛车操控性和舒适性的关键因素。刚度过高会 导致赛车过于僵硬,操控性虽然好,但舒适性会降低;刚度过低则会导致赛车过 于软弱,操控性降低,同时也会影响赛车的稳定性。
2、性能测试与评估:在完成悬架设计后,需要进行实际的性能测试和评估。 这包括在实验室进行振动测试、刚度测试等,以及在赛道上进行实际的驾驶测试。 根据测试结果对设计进行相应的调整和优化。

空气动力学套件的设计要点

空气动力学套件的设计要点

空气动力学套件的设计要点在近几年的FASE的比赛中,空气动力学套件在国内车队中得到越来越多的应用,从我个人的观察来看,14年中国赛使用空气动力学套件的车队至少达到70%以上。

那么,空气动力学套件的设计要考虑那几点呢?我就以我两年在HRT车队做空套的经验,简单地和大家交流一下。

空气动力学套件的设计重点应放在三个方面:升阻比、导流、风压中心。

首先从升阻比来讲吧,我把这一部分分为三个方面来讲,如何选择翼型,如何进行翼型的组合,以及整车下压力及阻力的取舍。

第一点,如何选择翼型。

这对一个刚开始做空套的车队来说花较多的时间选择一个好的翼型是非常有必要的。

那么如何才能算是一个好的翼型呢?第一,好的翼型需要一个较大的升阻比;第二,要保证翼型在大攻角下不失速;第三,翼型要有足够的厚度,以保证可加工性及刚度。

我们车队目前所用的翼型是13年选的,我们使用的翼型是NACA四位数字翼型,我们从3系列到9系列中选出大概10几种翼型,分析他们在不同攻角下的下压力、阻力及升阻比。

但如果只关注这些数据就大错特错了,最重要的是找到从3系列到9系列的这几个数据的变化趋势。

通过变化趋势,分析变化趋势的原因,并进而指导下一组更小范围的对比实验。

总之选翼型是个重复再重复的过程,但选出了一个好的翼型之后,会对以后的设计来了极大的方便,也可以一直沿用下去。

第二点,如何进行翼型的组合。

众所周知,主翼加襟翼的组合式翼型可以保证翼型在大攻角下不失速,极大地提高升力系数。

但是,主翼和襟翼的不同相对位置自然也会有不同的升阻比,所以,主翼与襟翼的相对位置的确定又成为了一个繁琐但不得不进行的工作。

翼型组合的确定的最大问题是要找到变量是什么。

如图所示,我们车队使用的是三片式组合翼型,如果从翼型的侧面看的话,三片翼都有极大的活动空间。

因此,三片翼是位置应该怎么调,调的梯度是什么,这一系列的问题都需要考虑。

影响翼型的升阻比的一个重要因素就是总攻角,但同一总攻角下,不同翼型的组合又会带来不同的升阻比,而调节翼型相对位置的时候又很难保证总攻角不变。

FSAE赛车车身与空气动力学套件设计及其仿真

FSAE赛车车身与空气动力学套件设计及其仿真

10.16638/ki.1671-7988.2019.13.045FSAE赛车车身与空气动力学套件设计及其仿真段磊,刘绍娜,黄炯炯,杨耀祖(盐城工学院,江苏盐城224001)摘要:为了提高赛车的成绩,FSAE赛车上通常会引入空气动力学套件来提高整车的操纵性。

文章通过CFD对定风翼翼型、迎角、翼片布置等因素进行分析,确定了具备良好气动特性的定风翼设计方案;通过调整风压中心的位置影响车辆的实际轴荷分配,进而影响整车的转向特性;对赛车车身及涂装渲染的设计;通过CFD分析,整车升阻比达到2.9,整车具有较好的气动特性。

关键词:中国大学生方程式赛车;空气动力学;CFD中图分类号:U463.4 文献标识码:A 文章编号:1671-7988(2019)13-134-03Design and Simulation of Body and Aerodynamics Suite for FSAE Racing CarDuan Lei, Liu Shaona, Huang Jiongjiong, Yang Yaozu( Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224001 )Abstract: In order to improve the performance of the car, the FSAE car usually introduces an aerodynamic package to improve the handling of the vehicle. In this paper, CFD is used to analyze the factors such as the fixed-air wing type, Angle of attack, and wing layout, so as to determine the Design scheme of the fixed-air wing with good aerodynamic characteristics. By adjusting the position of the wind pressure center to affect the actual axle load distribution of the vehicle, and then affect the steering characteristics of the vehicle, the design of the car body and painting rendering, through CFD analysis, the lift-to-drag radio of the vehicle reaches 2.9, and the vehicle has good aerodynamic characteristics.Keywords: Chinese College Students Formula; Aerodynamics; CFDCLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)13-134-03前言空气动力学套件可以增大作用于车轮的垂直载荷可以有效提高车轮的侧偏刚度[1],而通过空气动力学手段可以在不增加赛车附重的情况下增加整车的下压力,特别是在弯道时可以增加了轮胎的抓地力,提高了过弯速度,增强了整车的行驶稳定性。

方程式赛车动力系统设计(本科毕业设计)

方程式赛车动力系统设计(本科毕业设计)

一、设计步骤设计背景:本文基于扬州大学力行车队的方程式赛车进行研究,阐述 FSAE赛车动力系统匹配现状与发展的相关问题。

通过对方程式赛车的电机参数、传动比、电池组容量进行匹配设计,借以寻找一种有效的动力系统优化思路。

在保证赛车动力系统运行水平的基础上,持续改进系统功能及其运行策略,最终进一步提高FSAE 赛车动力系统的运行能力,使得所设计以及制造的方程式赛车能够满足FSAE赛事比赛的要求。

主要内容如下:(1)参考对比国内高校方程式赛车电动汽车的整车布置方式,设计本文所要求设计的扬州大学电动方程式赛车的布置方式;(2)以本校电动赛车基本参数和设计目标为基础进行动力系统参数设计,对电机、传动装置及能源系统进行结构设计和总体性能计算;(3)使用CATIA软件进行系统建模,对电机、电池、控制器以及驱动桥的位置进行合理布置,做好动力系统的总布置图;(4)按照设计任务书中对赛车的动力性和经济性的要求,对赛车的动力系统进行参数匹配,最终确定整车动力系统组成部分的选型。

在Optimum Lap软件中建立赛道模型,通过软件分析方程式赛车的比赛工况;(5)基于CRUISE软件进行赛车的性能仿真,对影响赛车的经济性与动力性的几个因素进行分析,验证所设计的动力系统各部分参数的准确性;二、设计思路图1-3 整体设计技术路线三、设计内容赛车的设计是从赛车的总布置开始,涉及车架、车身、底盘、传动、转动、可靠性和稳定性测试等多方面内容[13]。

纯电动赛车与传统的燃油赛车相比,由于动力源的差异,所以纯电动赛车没有发动机和油箱,代之以动力电池系统以及电机驱动系统。

FSEC纯电动方程式赛车是本着对传统车辆的加速、制动和操纵性能进行创新设计,赛车的总布置是一个穿插赛车设计始末的过程,总布置的确定对赛车的性能有着重要的影响。

三、系统布置整个赛车的组成结构如图2-2所示,主要有驱动系统、能源系统、车架车身、底盘系统等基本结构要素。

图 2-2 整车部分系统布置四、控制系统由于FSAE赛车实质上就是一辆纯电动汽车,因此赛车的动力系统也与纯电动汽车相似,都是由电机和电机控制器组成。

基于FSAE车身空气动力学分析

基于FSAE车身空气动力学分析
图(5)
图(6)
有、无扰流板气动力对比:
阻力
升力
车身和轮胎(无扰流板)
前扰流板
后扰流板
车身和轮胎
(有扰流板)
47.6582N
4.3198N
5.4186N
52.7605N
33.4756N
-28.1606N
-52.4263N
37.8581N
可以得到车身和轮胎造成了赛车的绝大部分阻力和正升力,在增加了扰流板后由于气流的改变,车身和轮胎的阻力和正升力均有所增加;后扰流板提供了赛车的65%的负升力,为了降低车身和轮胎造成的阻力和升力只能对车身进行流线型的优化,也可以通过增加前扰流板的攻角来减小轮胎的阻力和升力,为了增加赛车的下压力可以通过优化后扰流板的攻角来实现。当赛车尾翼中主翼攻角增加到10°,副翼攻角增加到18°后
(2)
——流速的矢量;
——压力的矢量。
式(1)为Newron-Strokes方程,式(2)为连续方程, 为加速度, 为拉普拉斯算子,则 (3)
(4)
式中 —— 的 的方向的分量。
赛车的气动阻力表达式为: (5)
气动阻力系数的表达式为:
赛车的气动升力的表达式为:
气动阻力系数的表达式为:
风洞模型的建立:
根据文献SST湍流模型在汽车绕流仿真中的应用采用SST 模型。SST 模型是通过标准 模型和变形 联立变形而来。
κ-ω模型能够预测自由剪切流动传播速率,如尾流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射,广泛应用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。SST 模型和 模型相似,但SST 模型比标准 模型在广泛的流动领域中有更高的精度和可信度。
结果分析:
1、无扰流板时气动力分析
下图(3)为车身表面的静压图,最大压强为133pa,最大压强主要集中在车身前部尖端、前轮前端和车手胸部。来流在这些部位速度将为零,全部动压变为静压,压强达到最大值。图(4)为车身对称面的速度矢量图,最大的速度为23.8m/s,最大速度出现在车手头部的后方。根据计算结果车身的和轮胎的阻力为47.6582N,可以计算得出车身的阻力系数为0.51375;在不考虑轮胎只考虑车身的情况下其阻力为23.4416N,可以计算的赛车的车身的阻力系数为0.385,考湖南大学的车身分析结果及文献F1赛车气动特性的CFD仿真和试验研究,车身的阻力系数0.35左右,而在包含轮胎的情况下,赛车的阻力系数将达到0.5以上,可以确定此时的计算结果接近实际情况,可信度较高。由图(4)可知车身后部出现了大尺寸的涡流,产生了很大的负压,这是车身阻力产生的主要原因,为了减少车身的阻力可以考虑用覆盖件将车身后部的发动机覆盖,但是由于发动机舱的布置比较复杂,且需要经常拆卸,覆盖以后不利于拆卸,同时也不利于发动机的散热,综合考虑决定不采用覆盖件将发动机舱覆盖。

FSAE赛车车身外流场优化设计与数值模拟

FSAE赛车车身外流场优化设计与数值模拟
第35卷 第1期
文 章 编 号 :1006—9348(2018)01—0126—06
计 算 机 仿 真
2018年1月
FSAE赛 车 车 身 外 流 场 优 化 设 计 与 数 值 模 拟
南 琼 ,应 保 胜 ,伍 俊 杰 。谢 磊
(武汉科 技大学 汽车与交通工程学 院,湖北 武汉 430081)
ABSTRACT :In the paper,the aerodynamic shape design and optimization of outf low are researched for a certain type of Form ula SAE ,and body surface of racing car was preliminary designed with 3 D modeling sof tware CATIA. The method of body shape optimization design was sum marized, and the body,frame, wheels, suspension, cabin, 95% percentile of human model,engine assembly and transmission system were modeled and assembled.The simpli— fled original model and four kinds of relative optimization body partial modif ication schemes were built.The f luid a— nalysis software Fluent integrated in ANSYS W orkbench was adopted to simulate or iginal and modif ication program , and the aerodynamic performance effect of whole vehicle was compared with the or iginal and modif ication models.Fi— nally,the pressure and velocity distributions for the outflow of racing car body and surrounding were obtained. The results show that the aerodynamic lift of original ear is slightly larger and turbulence exists in local outflow ,and the m odified four schemes can im prove the vehicle aerodynamic per for m ance of drag and lif t in different degree, which has important significance in improvement of handling stability and secur ity of the racing ear. KEYW ORDS:Aerodynamics;Numerical simulation; Outf low f ield;Car body desig n ;Scheme selection;Aerody— namic perform ance

基于FSEC方程式赛车的整车压力分布测定及尾翼优化设计

基于FSEC方程式赛车的整车压力分布测定及尾翼优化设计

基于FSEC方程式赛车的尾翼优化设计及整车压力分布测定1.实验目标:(1)通过CFD模拟不同尾翼在流场的性能进行对比优化。

(2)通过Fluent进行整车计算,得到压力云图与迹线图进行分析。

2.实验原理:FSEC是中国大学生电动方程式大赛的简称,是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛;各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准,在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操纵性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车。

本实验基于2017年上海工程技术大学锐狮电动方程式赛车,在攻角优化完成的情况下对于其尾翼进行对比再优化和整车流体分析。

一般而言,方程式赛车的气动阻力系数在0.7-1.0之间,是目前乘用车的二至四倍。

其中一方面因为赛规限制(车轮外露),另一方面是因为方程式赛车的下压力通常比阻力重要。

因此在方程式赛车空气动力学方面则需要良好的处理压力与阻力的关系和气流的流动方向,进而使赛车更有竞争力。

通常在方程式赛车行驶过程中,气流最先达到前翼,前翼控制着空气在赛车其余部位的流动,同时起到提供下压力和减小前轮气动阻力及引流的的作用;侧翼则控制着侧车身气流方向,使整车在结构上更加紧凑,同时减小了后轮的气动阻力,增加了重心处的下压力,使赛车操纵更加平稳;尾翼为赛车后部提供下压力,它占全部下压力的20%-25%。

相对于前翼与侧翼的各种要求,尾翼的用途只有一个,即在尽可能减小气动阻力的情况下提供下压力。

对于尾翼来说,想要获得较高气动压力的途径有:增加升力翼表面积;增加升力翼弧度;通过翼型开缝延迟气流分离。

对于方程式赛车,通常采用组合翼的形式。

通过翼型叠加能够获得更大的翼型攻角,升力系数也随之增加,这是因为气流经过两翼间缝隙时,通过前方翼型尾部的导流作用,使气流方向能够更加贴合后方翼型,因此后方翼型可以获得比前方翼型更大的攻角而不产生气流分离。

在尾翼设计中除了攻角的确定,其次便是翼片的组合与端板的设计;本实验在攻角确定的基础上,分别在CATIA中完成三翼板、双翼板、百叶三翼板的建模,对比不同翼数的性能比与同翼数下是否添加百叶结构的性能比,得到尾翼最终设计方案。

fsae空气动力学分析

fsae空气动力学分析

PART II GFR赛车实例分析/ E: i% a# M/ _* U& G3 ^& I+ A' ]8 t9 E" H& p 下载(86.27 KB)2011-8-11 23:49! H( i) L* w9 VGFR的前、后定风翼设计中规中矩,并且没有针对翼缘的诱导阻力进行优化,但是通过其定风翼面积以及外侧定位螺钉的角度来看,其双层定风翼已经接近其最大负升力位置——对于一只卫冕车队,如果没有做好相当程度的理论工作,是不能贸然采用这种设定的,而这正说明GFR在定风翼设计上已经做了足够的功课。

G+ B, V- d2 |+ h: k- U, F$ a1 \/ s# M- ?; D! Z6 n, d, E* r而当我们把目光转向底部扩散器时,我只能说两个字:亮了,至少以我的FSAE阅历是没有见过如此长的扩散器。

9 s! `! z4 G" c) n$ c! b/ T 下载(85.34 KB)2011-8-11 23:500 U; V# g3 c) [$ u% c r# N) K5 @: ?% t3 O4 f: z/ B+ ^/ x( q) B. i; a2 k这看上去或许有些笨拙,但事实上,由于此时扩散器底部负压区面积增大,而且后部不受悬架制约,上扬的角度可以进一步增大,根据现有研究成果(如图所示),更大的扩散角能够实现更大的负升力。

! L+ D4 W; j9 E0 r" V下载(16.27 KB)2011-8-11 23:509 y* |4 ], R( k" x4 s1 B0 X& }% [- R6 F! T' I% Z( I j7 ?/ p( L; L! G3 i9 z4 `! C% k+ P } `* y J) N% [, \* g; l. l# _% l1 `不仅如此,我们可以看到其扩散器底板紧贴着后轮前下方。

FSAE大学生方程式赛车发动机缸盖及配气机构设计

FSAE大学生方程式赛车发动机缸盖及配气机构设计

FSAE大学生方程式赛车发动机缸盖及配气机构设计摘要以FSAE大学生方程式赛车中最常用的HONDA CBR600-F4i发动机为例,探讨了该型号发动机中缸盖及配气机构的结构,并计算缸盖总体尺寸,凸轮型线方程式,并校核气门弹簧力。

气缸盖是提高整机性能的重要结构件之一,是发动机技术竞争的焦点。

气缸盖的气门排列方式与气道结构形式影响进气充量和气流在气缸内的运动,从而影响了燃烧效率,对整机的动力性、经济性以及排放都有直接的影响;配气机构的形式影响充气系数和整机噪声等;缸盖燃烧室决定了影响整机动力性能的压缩比ε,影响HC排放的F/V和对挤流起决定性作用的挤气面积以及挤气间隙,所以燃烧室对整机动力性、经济性、排放等都有重要的影响;气缸盖是整机热负荷与热应力最大的部件之一,热负荷过高将不利于发动机寿命以及可靠性的提高。

在实际中要特别防止发动机的局部过热,因而对缸盖必须要有充分的冷却。

关键词FSAE;发动机;缸盖;气门AbstractIn this paper, Formula in FSAE college students the most commonly used HONDA CBR600 - F4i engine as an example, discusses the model of Cylinder head and gas distribution agencies, and calculate overall size of cylinder head, equation of CAM contour line, and check valve spring force. Cylinder head is one of the core parts that affect the performance of the engine. It is the the focus of the competition. The disposal of the valves and intake manifold structure not only affect fresh air charge but airflow in the cylinder, which immediately affect combustion efficiency and the performance of dynamic, economic and emission. The structure of the air distributing institution has influence on charging efficiency and the noise of engine. The combustion chamber affects compression scale which has great influence on dynamical performance; F/V which affects the exhaust of HC; Squash area and clearance which have great influence on the intensity of squash. So, combustion chamber has great influence on dynamical performance, economical performance, emission and so on. Cylinder head is one of the highest temperature parts. Higher heat stress will lower the engine’s useful life and security. In practical, it is important to avoid local overheating. To full cool to cylinder head is necessary.Key words:FSAE; Engine; Cylinder head; The valve目录摘要 (1)Abstract (1)1 绪论 (1)1.1 FSAE大学生方程式大赛 (1)1.1.1 赛事起源 (1)1.1.2 赛事简介 (1)1.1.3 FSAE大赛的意义 (2)1.2 论文的研究背景及意义 (2)1.3 论文研究的主要内容 (3)2 发动机 (3)2.1 发动机的发展历程 (3)2.2 我国发动机发展现状 (4)2.3 提高发动机动力性的途径 (6)2.3.1 涡轮增压技术 (6)2.3.2 燃油直喷技术 (6)2.3.3 分层燃烧技术 (8)2.3.4 连续可变气门正时机构 (8)3 气缸盖 (8)3.1 气缸盖的工况及设计要求 (8)3.2 气缸盖的材料 (9)3.3 气缸盖结构形式的选择 (9)3.4 进排气道的布置 (10)3.5 气缸盖螺栓的布置 (11)4 气缸盖罩4.1进气门室罩4.2排气门室罩4.3盖板5配气机构 (13)5.1 配气机构的作用及要求 (13)5.1.1 配气机构的功用 (13)5.1.2 配气机构的要求 (13)5.2 配气机构采用的新技术 (14)5.2.1 顶置凸轮轴技术 (14)5.2.2 多气门技术 (14)5.2.3 可变气门正时配气机构(VV A) (15)5.3 总布置设计 (15)5.3.1 气门的布置形式 (15)5.3.1.1 气门顶置式配气机构 (15)5.3.1.2 凸轮轴的布置形式 (15)5.3.1.3 凸轮轴的传动方式 (16)5.3.1.4 每缸气门数及其排列方式 (16)5.3.1.5 气门间隙 (16)5.3.2 配气定时工作原理 (16)6配气机构的零件和组件 (17)6.1 气门 (17)6.2 凸轮型线设计 (19)6.2.1 简介 (19)6.2.2 缓冲段设计 (19)6.2.3 工作段设计 (20)6.3 气门弹簧设计 (23)6.3.1 气门弹簧特性的确定 (23)6.3.2 气门弹簧基本尺寸的确定 (23)6.3.2 弹簧的疲劳强度校核 (24)6.3.3 弹簧的振动校核 (24)参考文献 (28)设计总结 (28)致谢 (27)附录1附录21 绪论1.1 FSAE大学生方程式大赛1.1.1 赛事起源FSAE方程式(Formula SAE)系列赛源于1978年。

FSAE赛车空气动力学套件优化设计

FSAE赛车空气动力学套件优化设计

文章编号: 1009 − 444X (2021)01 − 0053 − 08FSAE 赛车空气动力学套件优化设计李嘉寅 ,刘宁宁 ,沈钰豪 ,谭博文 ,陈 焕 ,薛雨晴 ,黄碧雄(上海工程技术大学 机械与汽车工程学院,上海 201620)摘要:空气动力学作为赛车的关键领域,很大程度影响着赛车各方面性能. 在满足中国大学生方程式汽车大赛(Formular Student China ,FSC )规则(2019赛季)的前提下,提出一种赛车空气动力学套件的改进优化方案. 使用数值累进法和控制变量法的优化方法,并通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD )进行仿真,设计完成一套性能优异的空气动力学套件.与2018赛季车辆相比,该设计使赛车的负升力和的升阻比分别提高81%和91%,极大提升了整车的动力学性能.关键词:大学生方程式汽车大赛;空气动力学;计算流体动力学中图分类号: TH 122 文献标志码: ADesign and Optimization of AerodynamicsParts on a FSAE VehicleLI Jiayin ,LIU Ningning ,SHEN Yuhao ,TAN Bowen ,CHEN Huan ,XUE Yuqing ,HUANG Bixiong( School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China )Abstract :Aerodynamics, as a significant field of racing car, largely affects all aspects of racing performance.The aerodynamics properties of the new season was redesigned on the premise of meeting the rules of Formula Student China (FSC) in season 2019. By using numerical progressive methods and control variate method to optimize, and carrying computational fluid dynamics (CFD) to simulate, a set of aerodynamics parts with outstanding performance was designed and completed. The results show that compared to the season 2018, the new design not only increases the downforce and lift-to-drag ratio of the racing car respectively by 81% and 91%, but also greatly improves its kinetic performance.Key words :formula society of automotive engineers (FSAE);aerodynamics ;computational fluid dynamics (CFD)大学生方程式赛车大赛(Formula Society of Automotive Engineers ,FSAE) 由国际汽车工程师学会(Society of Automotive Engineers (SAE)International)于1978年开办,在当今世界内被视作大学生的“F1方程式赛车”,该赛事不只是单纯的竞速比赛,更是一项考察车辆性能设计的比赛.参赛者需要根据比赛规则在规定时间内设计制作一辆性能优异的方程式赛车.收稿日期: 2019 − 04 − 18基金项目: 上海市大学生创新创业活动计划资助项目(E3-0800-18-01205)作者简介: 李嘉寅(1998 − ),男,在读本科生,研究方向为车辆工程. E-mail :****************通信作者: 刘宁宁(1987 − ),男,实验师,硕士,研究方向为车辆NVH 测控技术. E-mail :****************第 35 卷 第 1 期上 海 工 程 技 术 大 学 学 报Vol. 35 No. 12021 年 3 月JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY OF ENGINEERING SCIENCEMar. 2021赛车同其他车辆一样,是一种高度复杂的空气动力学装置. 由于其较小的离地间隙,导致周围的气流更加复杂,使得赛车在行驶中产生更多的阻力和紊流. 在悬架、轮胎、动力方面已经改进的情况下,良好的空气动力学套件(以下简称空套)则可以极大提高赛车性能. 其主要目标是在引进较小阻力的前提下提供较高的下压力来增加汽车的抓地力,产生牵引力. 空气动力学下压力作为赛车性能中最重要的因素之一,在制动、转向、加速度等方面有着无可比拟的作用[1].由于气动力不同于惯性力,空套可以在较小质量增加(套件的自重)的条件下,极大增加机械抓地力,从而提高轮胎的工作效率,获得更好的路面附着条件. 目前,国外的空气动力学套件设计已步入研究整车流场平衡的阶段,而国内的相关研究虽起步较早,但近几年发展缓慢,绝大部分对空套的设计研究仍只停留在简单的翼型选择和最大限度榨取总气动负升力(即下压力)上,很少关注气动平衡对车辆动力学以及赛车底盘调教策略产生的影响.上海工程技术大学锐狮电动方程式赛车队于2017年首次引入空气动力学套件,并完成整套设计、加工、装配流程. 本文基于往届赛车的设计基础,对组合翼各翼片攻角进行优化,并将研究重点深化至气动平衡上,在设计之初就将各套件之间的影响考虑在内,以期解决前后下压力的分配不合理、上游套件对下游套件影响过大等问题.1 研究方法赛车空气动力学套件最基础和主要的组成部分是翼型. 翼型参数包括弦长、倾角、攻角、展宽比、前后缘半径等. 考虑设计成本因素,优化攻角远比从数不尽的翼型库中挑选最合适的翼型有效率得多. 良好的攻角设计组合不仅可以提供较大的下压力,而且不会产生过多阻力. FSAE赛车多采用组合翼来提高翼片获取下压力的上限,组合翼中各个翼片存在相对几何关系:主翼攻角、襟翼相对攻角、缝道(Gap)水平距离、缝道竖直距离.然而在实际设计中,这些相对几何关系都较为复杂,与最后产生的下压力并不呈现明确的线性关系,这使得设计变成多变量问题.计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)有限元分析方法能够执行CAD模型的理论测试计算. 虽然其精度比不上风洞试验,但却克服了后者的局限性. 目前,CFD可以分析从层流到湍流、定常到非定常、不可压到可压、无黏到有黏的几乎所有的流动现象[2]. 一般来讲,物体表面流体的未知量包括:流体在X、Y、Z方向上的速度、流体密度、温度和压强. 一般在赛车空气动力学中,密度和温度视为常量. 本质上,CFD通常是计算物体表面流速的改变. 本文将主要对各套件的组合翼攻角等进行优化设计分析,从而获得一套性能优异的空气动力学套件.2 模型建立及前处理2.1 三维模型2018赛季整车CAD模型如图1所示. 本研究在其设计基础上保留优良翼型及整体布置思路,然后在理论研究基础上,对空气动力学套件进行概念设计和优化选型;之后利用CATIA软件进行设计建模,前翼主翼选取升力系数和最大厚度较为均衡的AH 79-100B为翼型,通过宏命令精确导入到CATIA中. 为增大底板气流流量并减少底部能量的损失,主翼采用抬高前翼中部的变截面设计,建模使用多截面曲面功能一次成型. 襟翼的设计尽量在不损失前翼下压力的前提下减小近车身侧的弦长并提升内侧翼型的攻角,以达到将外侧气流抽吸至内侧的目的,在CATIA中同样采用变截面曲面来实现建模. 2019赛季整车CAD模型如图2所示.图 1 2018赛季整车CAD模型Fig. 1 CAD model of whole vehicle in season 2018考虑到CFD分析的时间效率,对车身及车体外部的驾驶员头盔和轮胎进行简化处理. 本文主要针对空气动力学套件进行设计分析,通过对阻· 54 ·上海工程技术大学学报第 35 卷塞比的计算得出计算域的大小:计算域长度为尾翼的10倍,高度为翼面半宽的5倍,以此保证不会出现回流,进而确保分析精度[3].2.2 控制方程和湍流模型结合赛事实际行驶工况,赛车车速一般为60 km/h ,空气密度变化不大,可以近似看成是常数,因此尾翼周围空气为不可压缩流体[4]. 根据雷诺理论,流动属于湍流,因而赛车空气动力学套件气动力的模拟属于求解湍流流动问题,采用的控制方程为三维不可压缩的雷诺平均连续方程和雷诺平均N-S 方程,即u ′i u ′j 式中:u i 为略去平均符号的雷诺平均速度分量;ρ为密度;p 为压强;、为脉动速度;σij 为应力张量分量.湍流模型采用Realizable k -ε模型[5],该模型有利于代表各种不同尺度涡间能量谱的传递,可以有效用于不同类型的流动模拟. 该模型包括湍流动能(k )方程和湍流耗散率(ε)方程. 关于k 的湍流动能方程为关于ε的湍流耗散方程为其中式中:μt 为湍流黏度;v 为运动黏度;ρ为密度;G k 为平均速度梯度引起的湍动能的生成项;G b 为浮力引起的湍动能的生成项;Y M 为可压缩湍流对总体耗散率的脉动膨胀的贡献项;C 2、C 1ε和C 3ε为常数;σk 与σε为关于k 与ε的湍流普朗特数;S k 与S ε为CFD 用户自定义源项;S 为平均应变率张量模量. 由于Realizable k -ε在湍流黏度计算中引入旋转和曲率有关的内容,并且ε方程的第3项不具有奇异性,这与Standard k -ε模型和RNG k -ε模型有很大区别[6].在CFD 模拟中对尾翼,前翼等空气动力学套件附近的流动特征、下压力和升阻比进行分析. 然后在完成优化的基础上进行整合计算,得到整车分析数据. 根据整车分析结果确定最终方案,并且将最终优化方案用于实车制造并进行实车性能测试.2.3 模型前处理使用STAR-CCM+完成计算域和网格的绘制,分析尾翼的计算域网格如图3所示.图 2 2019赛季整车CAD 模型Fig. 2 CAD model of whole vehicle in season 2019(a) 外部YZ X图 3 计算域网格Fig. 3 Computational domain grid第 1 期李嘉寅 等:FSAE 赛车空气动力学套件优化设计· 55 ·网格大小的计算根据边界层计算器输入Y+=30,得出雷诺数Re=1×106. 下边界层总厚度d为0.021 6 m,计算得到外部体网格的单元格目标大小约为0.1 m. 由于不同的流动问题数值解法不同,需要的网格形式有一定的区别,但生成网格的方法基本一致. 网格可以分为结构网格(Structured Grid)和非结构网格(Unstructured Grid)两大类. 结构网格在空间上比较规范,网格往往是成行成列分布的,行线和列线明显;而非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线. 外流场计算常用的体网格类型有四面体网格(Tetrahedral Mesh)、Trimmed网格、多面体网格(Polyhedral Mesh)和边界层网格(Prism Mesh)[6].考虑到赛车造型复杂,使用非结构性网格,网格中的每个元素都可以是二维多边形或者三维多面体,其中最常见的是二维三角形以及三维四面体. 这里使用STAR-CCM+中多面体网格,其结合了四面体网格划分速度快和六面体网格精度高的特点,单个网格可同时与相邻的12或14个网格进行交互,这也极大减少了网格的数量,加快了计算效率,通常多面体网格的收敛速度比四面体要快接近一倍,比六面体也要快40%.2.4 边界条件参考文献[7],边界类型有进口(Inlet),出口(Outlet)、对称面(Symmetry)和壁面(Wall). 进口设置为速度进口(Velocity inlet),速度进口湍流强度为0.5%,湍流速率=4×计算域面积/计算域周长,流速u为16.67 m / s,出口设置为压力出口(Pressure outlet),压力出口的湍流强度设置为0.5%,湍流速率=4×计算域面积/计算域周长. 为使仿真更贴近实际,地面设置为滑移壁面,滑移速度为16.67 m / s,车轮设置为旋转壁面,在地面上做纯滚动. 介质设定为空气.3 CFD优化分析3.1 前翼优化设计前翼是安装于赛车前部的空气动力学装置,为赛车前部提供下压力. 同时,前翼能够很大程度上影响前轮的升阻系数,其能够引导赛车前方的气流绕过前轮从而减少前轮大量的阻力.由于FSAE赛规中有前翼外侧离地250 mm的限制,从赛车的正投影面来看,前翼并无法完全遮挡前轮,所以需要特殊的设计来尽量引导气流绕过前轮. 就整车流场的层面而言,前翼所产生的升流会影响下游组件的工作效率,而前翼作为产生下压力的组件,这种影响不可避免,故设计中应在不过多减少下压力的情况下尽可能减小前翼的升流,前翼的下压力分配对于拥有不同转向特性的赛车也有所不同.2019年的新赛车采用前翼主要起引流作用并减少对下游组件干扰从而使侧翼下压力最大化的设计思路,同时通过尽可能多的外洗气流减少前轮迎风阻力并增加前翼的效能,设计效果如图4所示. 通过对变截面翼型的利用,减小前翼近车身侧的弦长和攻角从而减少前翼的上升气流对于下游组件的影响[6]. 该翼型还能有效增加前翼的外洗效应,减小轮胎的阻力.图 4 2019赛季赛车前翼Fig. 4 Front wing of season 2019前翼部分迹线图如图5所示. 图中深蓝色区域为前翼下翼面的低压区,由于三维流场中水平方向也存在压力流动,即翼尖涡效应,所以低压区并没有遍布整个下翼面. 为降低前翼对尾翼的影响,其攻角和弦长的减小必然会造成前翼下压力的减小,为弥补下压力的损失,主翼上安装竖直的旗翼,同时竖直旗翼能够进一步强化前翼端板对于该整体区域的气流外洗,起到减少前轮阻力,增强前翼的抽吸能力,从而在不改变弦长和攻角的情况下起到进一步提高前翼升力系数的作用.设计中为尽可能减小前翼对下游组件的影响,前翼中央采用负攻角并上抬翼面以减小前翼中部静压的大小,改善前翼对下游气流的损耗. 赛车前翼压力云图如图6所示. 从图中可以看出,中部静压明显小于侧边. 在CFD软件中,将迎风速度设置为16.67 m / s,得到2个版本赛车前翼的相关结果见表1. 与2018年赛车相比,2019年赛车前翼的下压力和对前轮的影响有相当程度的提高.· 56 ·上海工程技术大学学报第 35 卷1.713X Y Z7.44513.17818.91124.64330.376−1 200−868−536−204128460速度 / (m·s −1)压力系数图 5 赛车前翼部分迹线图Fig. 5 Part of track diagram of front wingXY Z −1 200−868−536−204128460压力系数图 6 赛车前翼压力云图Fig. 6 Pressure contour of front wing表 1 前翼分析数据表Table 1 Front wing analysis data table赛车版本负升力 / N 前轮迎风阻力 / N2018年120902019年210153.2 侧翼及扩散器优化设计侧面扩散器和尾部扩散器现已成为FSAE 赛车产生较大下压力的关键元素,其本身产生的阻力较小,在地面效应的影响下对整车的下压力提升有着至关重要的作用,且这部分设计在FSAE 中有很多应用前景,侧翼的添加,减少了扩散器壁面上气流的分离,提升临界扩散角的大小,能够有效提升侧面扩散器产生下压力的能力. 侧翼及扩散器的设计效果如图7所示. 侧翼最大程度上利用侧面空间,最大化扩散角的值,同时尽可能扩大扩散器入口的大小以获得更多气流的加速. 同时后轮附近的侧翼能够有效抑制后轮生成的乱流,减少后轮的阻力.3.3 尾翼优化设计尾翼一般使用组合翼的设计方案,通过各翼之间的引流可以让襟翼在较大的攻角下不会轻易失速,同时组合翼之间的位置调整也可以减少能量损失. 2019赛季赛车尾翼主要以获得最大的下压力作为主要目的,并具有对其他部件影响不敏感的特性. 因此通STAR-CCM+仿真试验了不同的翼型,相对攻角及间隙来确定组合翼之间的最优相对位置[8],同时在分析中加入头枕及头盔模型使其更加接近尾翼真实的工况. 最终设计效果如图8所示.图 8 2019赛季尾翼Fig. 8 Rear wing in season 2019在尾翼翼型方面,主翼选取弯度较大且升力系数在低速时较大的CH10. 襟翼在弯度不同的翼型中通过控制变量试验得到;出于对节省计算资源的考虑,且尾翼试验流动复杂程度低,故使用1/2尾翼模型完成CFD 仿真,实际下压力为表格数据的2倍,仿真数据见表2.表 2 翼型分析数据表Table 2 Airfoil analysis data table翼型负升力(相同攻角和来流速度) / NS1223278.8Clark-Y132.8综上选用S1223作为襟翼的翼型. 考虑到CFD 分析效率及问题导向,在保证复合实际工况的条图 7 侧翼及扩散器Fig. 7 Sidepods and diffuser第 1 期李嘉寅 等:FSAE 赛车空气动力学套件优化设计· 57 ·件下对分析对象进行简化,即取含头盔、座枕在内的尾翼区域局部模型进行分析,分析结果如图9和图10所示. 从图9可见,端板的保压效果非常可观,也从侧面反映了上下翼面的压力分布.−1 350−980−610−204130500压力系数XYZ图 9 尾翼局域分析压力云图Fig. 9 Local analysis pressure contour of rear wingX YZ −1 200−880−560−24080400压力系数图 10 压力云图截面图Fig. 10 Cross section of pressure contour同理,选取最佳的相对攻角. 假设主翼与第1片襟翼的相对攻角为∠1,第1片与第2片襟翼的相对攻角为∠2,仿真数据见表3. 使用1/2尾翼作为仿真对象,从表中可见,负升力为实际的一半.表 3 组合攻角分析数据表Table 3 Angle of attack analysis data ofmultiple-element wings序号∠1 / (°)∠2 / (°)负升力 / N 13236139.623336140.233436141.443437142.253438142.863439142.0由分析结果,最后选用34°、38°的相对攻角,1/2组合翼的负升力达到142.8 N ,即整体在16.67 m / s迎风速度下压力为285.6 N. 为增加扩散器的抽吸能力,提升扩散角的大小,在端板底端安装梁翼(Beam wing ),将尾翼整体的环量下移,在尽量不影响组合翼本身下压力的前提下,加强尾翼与扩散器的互相作用,提升整车的空气动力学效应. 本文中梁翼由于尺寸过小,并未起到较大的作用. 若想获得更好的效果,可以设计弦长更大的梁翼,但仍要考虑其对尾翼主翼下翼面压力分布的影响.从图10可知,驾驶员的头盔与头枕也对尾翼产生了些许影响,主翼前缘下部的低压区域呈现不自然的向后扭曲. 由于头枕位置和人机由总布置所定,并不能做太大变化,只能通过对尾翼的调整来尽可能地减小影响. 结合图10及空气动力学湍流理论可知,流体绕一定攻角的翼型流动时,会在翼型前缘背风面某处脱体,形成顺时针旋转的前缘涡,同时在后部尖缘处形成逆时针旋转的后缘涡,前缘涡与后缘涡之间存在剪切层. 随着前缘涡与后缘涡的发展和相互作用,翼体绕流的流态呈周期性变化,这一点在尾翼表现尤为明显. 为避免边界层分离,可以在后期引进被动流动控制技术,例如涡流发生器改善局部的流体状态.3.4 端板优化设计端板作为赛车中不可或缺的一部分,不只是用来隐藏翼型轮廓或作为赞助商标牌. 它最重要的一点是可以确保翼片不会出现较大的负升力损失,同时减少阻力. 如果没有端板,由于上翼型上下表面压差,空气会从高压侧迁移到低压侧造成压力损失[9]. 在端板布置方面,由于翼型上方静压升高比翼型下方静压降低要小得多,因此,机翼的影响在其下方比在其上方延伸得更远,这意味着需要在翼片的下方有更大的端板面积.前翼端板首要的目的是为了稳定压差进行保压,由于前翼安装位置的特殊性,其受到地面效应影响,所以端板保压作用好坏直接决定了前翼升力系数的大小,因此端板上安置有不同种类的保压条. 由前翼的CFD 仿真可得,在无保压组件的情况下,前翼负升力为189 N ;在有保压组件的情况下,前翼负升力为210 N ,提高将近11.11%的负升力. 同时前翼端板除了稳定压差外还需要拥有良好的引流特性,引导流向前轮的气流使其偏转到外侧或底部,从而达到减小前轮阻力的效果.尾翼端板同样可以通过一些附加组件或细节修改来加强其性能,2019与2018赛季赛车尾翼端· 58 ·上 海 工 程 技 术 大 学 学 报第 35 卷板都加装了前缘缺口,如图11所示. 与前翼端板类似,尾翼端板的作用之一便是保压,而前缘缺口削减了端板的面积,从而降低了保压效果,并使得下压力小幅减少;但在侧风偏航车况下,前缘开口能成为来流进入尾翼的通道,缓解此工况下尾翼下压力由于来流不足而降低的问题,减小其空气动力学敏感度,增强了稳定性.X YZ−1 200−880−560−24080400压力系数图 11 2019赛季赛车尾翼端板压力云图Fig. 11 Pressure contour of rear wing’send plate in season 2019扩展来讲,理想的尾翼板大小取决于翼型的下压力水平,下压力较低的尾翼组合产生较小的压力变化,故对周围空气压力影响延伸的距离较小,可以使用较小的端板,反之亦然. 故2019年赛车的尾翼端板长度相较2018年的尾翼端板延长约30%.4 整车结果分析与对比图12为整车迹线图,由图可知,整车流线型良好,仅在车轮后方及车身尾部形成较大涡流. 前翼有明显外洗,中部上洗较少,符合预期设计,可有效降低前轮产生的紊流并增强前翼的抽吸作用,保证侧面扩散器有更多高能气流进入,且可看出相比尾翼影响不大. 3层尾翼的设计使气流能够更加贴合后方翼型,长端板保证了尾翼的保压效果,做到了先期预期能达到的最大下压力.2019年赛车在装配优化设计的空气动力学套件后,空气动力学指标都有较大提升,见表4. 首先负升力升高至原来的181%,增加明显,但是2019年赛车的阻力系数也增加33.66%,这是由于负升力的升高会导致压差阻力的升高,也可以说是获取下压力的代价之一. 升阻比是反映赛车空气动力学效率的一个重要指标,通过比较2版赛车可以发现,2019年赛车拥有更高效率的空气动力学套件,迎风面积的骤减也是其获得高效率的原因之一. 通过对赛车总布置以及造型的优化,相比2018年赛车,2019年赛车可有效减少过去只增加外形阻力的“无用”区域,并将它们转变为带有翼的空套部件区域.表 4 整车分析数据表Table 4 Vehicle analysis data sheet赛车版本负升力 / N阻力系数升阻比迎风面积 / m2 2018年380.1 1.01 1.45 1.3122019年686.5 1.35 2.77 1.046在气动平衡方面,2018年赛车未做出相关优化,风压中心(前后气动力平衡轴)相比重心位置(车长45∶55位置处)严重靠前,即前翼下压力占比过大. 2019年赛车对此进行了考量,最终的设计方案中,通过CFD软件去计算整车相对于过重心点水平轴气动力矩(C m)来判断风压中心距离重心的远近,最终经过软件计算所得气动力矩仅为10 N·m,可将其视为与重心基本重合.由此可见,通过正确的优化方法和设计思路来引导设计,最终能收获一套高性能的大学生方程式赛车的空套优化方案.5 结语本文分别对各空气动力学套件进行优化设计,并最终通过整车分析进行方案的验证. 结果表明:2019年赛车在负升力和升阻比的设计上进一XYZ6.11212.22418.53724.44930.561−1 000−750−500−2500250速度 / (m·s−1)压力系数图 12 整车迹线图Fig. 12 Full vehicle track diagram第 1 期李嘉寅等:FSAE赛车空气动力学套件优化设计· 59 ·步优化,负升力提升达到2018年的181%;前翼的外洗效应可以有效减少前轮紊流,并且能够显著提升前翼的升阻比和下压力;尾翼端板、相对攻角和间隙是影响其下压力的3个显著要素;侧翼和扩散器能对赛车的下压力提升起很大的作用,并同时提升前翼和尾翼的工作效率.2019年赛车的空气动力学套件的优化使得负升力和升阻比相比2018年赛车有较大的进步,对赛车性能有显著的提升,对赛车后续的设计优化具有指导实践意义.参考文献:MCBEATH S. Competition car aerodynamics [M ] . 3rdEdition. England: Veloce Publishing Limited, 2017: 8.[1]傅立敏. 汽车设计与空气动力学[M ] . 北京. 机械工业出[2]版社, 2010: 1−25;.吕立坤. 扰流板对轿车气动特性改善的数值仿真[D ] . 长春: 吉林大学, 2006.[3]王福军. 计算流体动力学分析[M ] . 北京: 清华大学出版社, 2004: 185−253.[4]WILCOX D C. Turbulence modeling for CFD [M ] . 2ndEdition. La Canada: DCW Industries, 1998: 174.[5]孙文. 基于CFD 的低速赛车前后翼设计[D ] . 长沙: 湖南大学, 2016.[6]杨炜, 谢睿轩, 曹子浩, 等. 大学生方程式赛车空气动力学套件改进[J ] . 中国科技论文,2018,13(17):2050 − 2054.[7]邓召文, 王兵. 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车辆空气动力学

车辆空气动力学

车辆空气动力学车辆空气动力学是研究车辆在空气中行驶时所受到的力学现象的学科。

它主要涉及到车辆在高速行驶时所面临的空气阻力、升力以及操纵性等问题。

这些因素对于车辆的燃油经济性、安全性以及性能都有着重要的影响。

一、空气阻力空气阻力是车辆在行驶过程中所要克服的主要力之一。

当车辆行驶在高速情况下,空气分子对车辆运动的阻碍会导致空气阻力的产生。

空气阻力的大小与车辆的形状、车身的前后端流线型以及车速等因素有关。

一般来说,车辆的空气阻力随着速度的增加而增大。

为了减小空气阻力,车辆的外形设计通常会采用流线型的设计,使得空气在车辆表面上的流动更为顺畅。

二、升力除了空气阻力外,车辆行驶中还会受到升力的作用。

升力是指车辆在行驶过程中由于车身产生的气流而受到的上升力。

当车辆的速度较高时,车身底部的气流由于速度较快而产生低压区域,而车顶部的气流则相对较慢,形成高压区域。

这种气流的不对称性会使得车辆产生一个向上的升力。

升力的大小与车辆的速度、车身的形状以及空气的密度等因素有关。

为了减小升力的影响,车辆的设计通常会采用一些辅助性的装置,如扰流板、车顶尾翼等来改善车身的气流分布。

三、操纵性车辆的操纵性也是车辆空气动力学中一个重要的问题。

当车辆行驶时,空气动力学力对车辆的操纵性有着直接的影响。

空气动力学力会改变车辆的稳定性、制动性以及悬挂系统的工作状态。

例如,在高速行驶时,空气动力学力对车辆的稳定性有着重要的影响。

车辆的稳定性是指车辆在行驶过程中保持平衡的能力,这直接关系到行车的安全性。

因此,在车辆设计中,需要考虑空气动力学因素对车辆操纵性的影响,并采取相应的措施来提高车辆的操纵性能。

综上所述,车辆空气动力学是一个重要的学科,它研究了车辆在空气中行驶时所面临的阻力、升力以及操纵性等问题。

这些问题对车辆的性能和安全性有着重要的影响。

因此,在车辆设计和制造过程中,需要充分考虑车辆空气动力学因素,以提高车辆的性能和安全性。

大学生方程式赛车空气动力学套件设计

大学生方程式赛车空气动力学套件设计

大学生方程式赛车空气动力学套件设计胡溧;罗世敏;杨啟梁;杨胜【摘要】The aerodynamic kit was designed for the FSC racing car from Wuhan University of Science and Technology.First,the fixed wing and the diffuser were designed and modeled,and the former was aerodynamically simulated and optimized by using FLUENT software.Secondly,the aerodynam-ic kit was fixed on the racing car,and the full car model was set up for aerodynamic simulation and a-nalysis of the car under the common condition so as to determine the influence of the aerodynamic kit on the high-speed stability and turning performance of the car.The results show that the aerodynamic kit has greatly improved the high-speed stability and turning performance of the car.%针对武汉科技大学FSC 赤骥车队设计的赛车,进行空气动力学套件的设计。

首先进行定风翼及扩散器的设计和建模,并利用FLUENT 软件对定风翼进行空气动力学仿真优化;然后把空气动力学套件安装在赛车上,建立整车模型,进行常用工况下整车的空气动力学仿真,分析加装空气动力学套件对赛车高速稳定性及转弯性能的影响。

大学生方程式赛车(FSAE);空气动力学套件;流体仿真分析

大学生方程式赛车(FSAE);空气动力学套件;流体仿真分析

作者: NULL
作者机构: 1
出版物刊名: 常熟理工学院学报
页码: 6-陈言畅[1];胡顺安[1]页
年卷期: 2022年 第2期
主题词: 根据空气动力学套件的设计,主要对前定风翼、后定风翼和扩散器的造型进行设计研究和仿真分析.将带有空气动力学套件赛车通过ANSYS Fluent软件进行仿真,获得其在车速为22 m/s时的流线图,并通过丝带实验法对大学生方程式赛车进行流线实验,验证设计和仿真结果.实验表明:空气动力学套件的流场气流平顺,气流诱导效果明显,产生的负升力能使赛车的稳定性得到提升.
摘要:
TH128Formula Society of Automotive
Engineers(FSAE);aerodynamics kit;fluid simulation
analysis。

某FSAE赛车整车设计

某FSAE赛车整车设计

某FSAE赛车整车设计【摘要】本文以某大学生方程式(FSAE)赛车为例,介绍了其整车及部分关键子系统的设计方法。

在FSAE赛车的设计过程中首先需要遵守的就是严格的比赛规则,在此基础上提出了“轻量化设计、足够大gg附着椭圆、优异操纵性能”的设计要求,并基于此介绍了整车设计、动力传动系统设计、转向系统设计及悬架系统设计等流程。

论文可在一定程度上指导国内FSAE赛车设计。

【关键词】FSAE赛车;整车设计1.整车设计要求赛车圈速与赛道情况、车手水平等密切相关,不能以“开环”的性能参数来表达。

所以,工程师们在进行赛车设计时,往往难以提炼出明确的设计指标。

作者所在车队曾获得两届中国FSAE大赛冠军,结合多辆FSAE赛车设计经验,将FSAE赛车的整车设计要求概括为以下定性的三点。

1.1轻量化极限设计轻量化设计是赛车的首要设计要求。

基于牛顿第二定律,越小质量的物体在同等外力作用下的加速度越大。

并且,FSAE赛车不像传统汽车一样需要很高的耐久性。

故而,FSAE赛车整车零部件在满足强度、刚度的要求下应该尽可能采取轻量化设计。

1.2尽可能大的极限侧向加速度根据作者经验,一辆优秀FSAE赛车的极限侧向加速度不应该小于所用轮胎静载时的附着系数,一般在1.8g左右。

当然,轮胎的垂直载荷会影响到其附着系数的大小,一般应该以静载时为准。

1.3优异的操纵性能对于FSAE赛车而言,所谓优异的操纵性能主要关注赛车的瞬态响应能力以及各侧向加速度下的转向特性,其决定着车手是否可以“顺利”驾驶赛车并发挥赛车极限。

为保证赛车的绕桩速度以及进出弯道的响应速度,要求赛车具有优秀的瞬态响应能力。

换言之,希望其为近似临界阻尼系统,基于汽车动力学相关理论可知,其阻尼比主要由赛车轮距、质心位置、轮胎侧偏刚度等主要参数决定。

2.整车及其子系统设计2.1整车设计流程图1某FSAE赛车整车设计流程某FSAE赛车的整车设计流程如图1所示。

2.2动力传动系统及其设计考虑到轻量化及操纵性的整车设计要求,选择HondaCRF450发动机。

FSAE大学生方程式赛车(电动版)总体设计

FSAE大学生方程式赛车(电动版)总体设计

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允许高校所有在校注册的全日制学生参加比赛,其中博
士生不得超过3人。
中国大学生方程式汽车大赛官方网站: / (中国汽车 工程学会官网 )
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二、总体设计要求
1、赛车式样——方程式赛车式样
大赛宗旨:
旨在由各大学车队的本科生和研究生构想、设计、制 造、开发并完成一辆小型方程式赛车并参加比赛。
类型:
油车 FSC(Formula Student China) 电车FSEC(Formula Student Electric China)
测评内容:
参赛车辆将在一系列的静态和动态项目中进行测评, 其中包括:技术检查、成本与制造分析、营销报告、 赛车设计、单项性能测试和良好的赛道耐久性。
FSAE中国大学生方程式汽车 大赛及赛车总体设计要求
主讲人:金标 2017-3-29
主要内容
1、中国大学生方程式汽车大赛简介
2、总体设计要求
中国大学生方程式汽车大赛简介
• FSAE,全称:Formula SAE of China,中国大学生方程式汽 车大赛。
• 中国大学生方程式汽车大赛是一项由高等院校汽车工程或 汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。 各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准,在一年的时间 内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具 有优异表现的小型单人座休闲赛车,能够成功完成全部或 部分赛事环节的比赛。 • 2010年第一届中国FSAE由中国汽车工程学会、中国二十所 大学汽车院系、国内领先的汽车传媒集团——易车 (BITAUTO)联合发起举办。
• 赛车必须车轮外露和座舱敞开,并且四个车 轮不能在一条直线上。
车轮外露即须满足以下要求: 1)从垂直车轮上方看,前后车轮上半部分(上半180°)不允 许被遮挡。 2)从侧面看,前后车轮不允许被遮挡。 3)必须同时符合空气动力学装置的尺寸和要求。 5)所有的检测都使用干胎。
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– This must be modified for compressible flow.
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• Materials > Fluid > Air > ‘Create/Edit’
– For Density, select ‘Ideal Gas’ – For Viscosity, select ‘Sutherland’
– If not, use the drop down list to change!
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• Edit > Momentum Tab
– leave the defaห้องสมุดไป่ตู้lt settings which correspond to a stationary wall (relative to the fluid zone) with a no-slip condition.
WS2: Transonic flow over NACA0012 Airfoil
Case Setup: Choose the solver and models
• Select the turbulence model to be used:
• Models > Viscous > Edit
• Choose k-omega (2-eqn) • Select SST, then OK
什么是赛车的空气动力学
Easy Start
• 导流板起步
翼型基础
So,如果翼型上下形状对称,还能飞么
仿真实战第一课!
• Are you ready?
FLUENT
WS2: Transonic flow over NACA0012 Airfoil
关于例子
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Set Operating Pressure to 0 Pa
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WS2: Transonic flow over NACA0012 Airfoil
Case Setup: Boundary Conditions
• Boundary Conditions > Zone > select ‘airfoil_lower’ • Check that the boundary zone type is set to ‘wall’
– In this case there is only one cell zone (with the default name of fluid) – In this case there is also only one material (air, which has been modified) – There can be multiple zones with user-specified names and multiple materials if required
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WS2: Transonic flow over NACA0012 Airfoil
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以下是例子的参考设置部分 例子来源于ANSYS教程
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WS2: Transonic flow over NACA0012 Airfoil
Therefore, with compressible flows, it is sometimes convenient to set to operating pressure to zero, and input/output ‘absolute’ pressures. This is simply a user preference. Other times it may be convenient to set a bulk flow operating pressure. The main thing to remember is that whatever operating pressure is set, this will be added to any gauge input pressures.
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• The maximum aspect ratio in this mesh is quite high, as will be examined shortly. • This is a result of placing the first grid point in the viscous sublayer close to the airfoil wall surface, for maximum accuracy in the turbulence model. • However, very long thin (stretched) cells can lead to problems, so we need to proceed with some checks.
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WS2: Transonic flow over NACA0012 Airfoil
Case Setup: Define Materials
• Constant density air is the default fluid.
Case Setup: Define Materials
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Click ‘Change/Create’
Close the materials panel.
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WS2: Transonic flow over NACA0012 Airfoil
Ansys 空气动力学
兰常欣
Tips:
• 很多人想要视频里面的ppt做参考,我找了很久终于 找到了这个ppt。内容有所修改,大家选取自己需要 的内容看吧。 • ppt中Ansys的例子的ppt经过截取,同时模型无法提 供,请见谅。 • 视频地址如下: • /v_show/id_XNDQ0MzU1MzA 4.html
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– Models > Energy > Edit > Toggle ‘On’ – This is needed because the flow is compressible and temperature will be variable.
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– 例子图片如下,我没法附上模型。模型主要是个NACA0012的标准翼型,周围 包裹着质量很高的网格,细部图见下一页。
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WS2: Transonic flow over NACA0012 Airfoil
Examine the mesh
• Zoom in and examine the mesh.
• There is nothing else to assign to the fluid cell zone for this case
– Other tabs are enabled when the corresponding options are selected
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– Ideally, in high speed compressible flow modeling, these should be temperature dependent as well.
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WS2: Transonic flow over NACA0012 Airfoil
Case Setup: Choose the solver and models
• Select the steady-state density-based solver:
– General > Solver > Type > select ‘Density-Based’ – General > Solver > Time > steady (default)
Case Setup: Assign Materials
• Check that ‘air’ is assigned to the cell zone ‘fluid’ • Cell Zone Conditions > Zone > ‘fluid’ > edit
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WS2: Transonic flow over NACA0012 Airfoil
Case Setup: Operating Conditions
• Cell Zone Conditions > Operating Conditions
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– Note: can also be accessed from the boundary conditions panel
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WS2: Transonic flow over NACA0012 Airfoil
Case Setup: Choose the solver and models
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