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FSAE赛车弯道瞬态气动特性的数值模拟研究
| 论文题名： | FSAE赛车弯道瞬态气动特性的数值模拟研究 |
| 关键词： | 大学生方程式赛车;弯道工况;气动特性;计算流体动力学;数值模拟 |
| 摘要： | 近年来大学生方程式赛车比赛（Formula SAE）在国内发展迅速，赛车综合性能逐年提高，与之对应的是设计水平提升。良好的空气动力学设计可以提高赛车操纵稳定性，随着近几年各车队追求轻量化，空气动力学设计日益得到重视。在 FSAE的高速避障与耐久赛中，弯道众多，赛车大部分时间处于弯道工况，仅分析赛车处于直道工况下的气动特性已不能满足日益复杂的气动设计需求，需要展开赛车处于弯中的气动特性研究。 本文主要以FSAE赛车为研究对象，采用CFD数值模拟与道路试验对弯道空气动力学展开研究，基于简化 FSAE 模型探究匀速过弯的气动特性，揭示弯道中气动性能变化机制，并对气动部件进行改进优化以提高赛车弯道气动性能。本文内容主要为： （1）建立一简化 FSAE赛车模型，其具有大部分 FSAE赛车特征，选用合适网格策略与 K-ωSST 湍流模型，使用重叠网格模拟直线工况，探究匀速直线工况的流场特征，为研究弯道气动特性做铺垫。 （2）确定赛车过弯姿态后，采用重叠网格进行匀速弯道模拟。与直线工况对比气动力与气动力矩、速度场与压力场、整车与各气动部件涡结构及运动轨迹的变化。揭示气动力变化与气动力矩产生的主要机制。结果表明，赛车在弯道中气动力发生较大变化，其中气动阻力与直道相比增加1.5%，下压力增加6.5%，其增幅主要来自扩散器和底板，前翼下压力降低。同时在弯道中会产生-43.1 Nm 的横摆力矩和-13.5 Nm的侧倾力矩，同时风压中心有后移之趋势，负横摆力矩与风压中心后移会导致赛车趋于转向不足趋势。从流场上来看，在弯道内外侧车身表面压力呈不对称分布，车身侧倾角的存在是导致赛车在弯中扩散器与底板下压力增加的主要原因，弯道内外侧的涡结构与运动轨迹表现出不同趋势，靠近弯道内侧的前翼翼尖涡流与具有转角的前轮撞击而导致涡破碎，这是造成前翼下压力损失的主要原因。 （3）采用实车对八字绕环进行道路试验，使用线位移传感器测量整车气动下压力，并与相同工况的数值仿真所算结果进行验证。八字绕环试验表明：采用线位移传感器测得整车下压力数值为121.9 N，与仿真结果相比误差约1.6%。 （4）改进气动部件，通过改变前翼端板设计以减少在弯道中下压力损失，改变尾翼端板形状来抑制其在弯道中产生的气动力矩。结果表明：前翼端板使用翼型作为横截面可以有效降低前翼在弯道中下压力损失，同时合理设计尾翼端板形状可以在不较大影响尾翼性能的情况下有效抑制赛车在弯道中气动力矩的产生，这需要结合整车性能进行合理设计。 |
| 作者： | 刘丽华 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 赖晨光 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆理工大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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