馬牧之
摘 要:為了同時(shí)提高賽車在不同行駛狀態(tài)下的性能,設(shè)計(jì)出一種可調(diào)節(jié)攻角的雙層賽車尾翼。該種尾翼可以改善賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能,從而節(jié)省賽車空間,彌補(bǔ)傳統(tǒng)尾翼的不足和局限。本設(shè)計(jì)主要采用了CFD仿真計(jì)算結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)估算的方法,比較NACA四位數(shù)字翼族中翼型的氣動(dòng)效率,分析設(shè)計(jì)出的雙層尾翼的氣動(dòng)特性。通過(guò)計(jì)算和評(píng)估,選定了NACA4309和NACA6309的組合并構(gòu)成了賽車的雙層尾翼。使用該種尾翼兼顧了賽車在直道行駛時(shí)的減阻需求與在彎道行駛時(shí)的下壓力要求,從而提高了賽車的氣動(dòng)性能。
關(guān)鍵詞:CFD仿真;二元翼型;空氣動(dòng)力學(xué);NACA四位數(shù)字翼型
空氣動(dòng)力學(xué)不僅是飛機(jī)研發(fā)的基礎(chǔ),它在車輛的設(shè)計(jì)中也起著重要作用。對(duì)于賽車或跑車來(lái)說(shuō),其空氣動(dòng)力學(xué)效率在很大程度上影響車的性能,尤其對(duì)于賽車,氣動(dòng)效率往往決定其設(shè)計(jì)的成敗。
在F1(一級(jí)方程式)賽車的各項(xiàng)氣動(dòng)性能中,空氣阻力與下壓力最為被關(guān)注。較小的阻力有助于賽車的高速行駛和減少能耗,而良好的下壓力則可以使輪胎在賽車過(guò)彎時(shí)提供更大的向心力,防止側(cè)滑,增大過(guò)彎時(shí)的速度,有助于彎道超車。為了充分利用空氣動(dòng)力的收益,F(xiàn)1賽車的氣動(dòng)部件多而復(fù)雜,尾翼是最重要的組成部分之一。尾翼的作用主要是利用局部流場(chǎng)的特性產(chǎn)生負(fù)升力(即通常所說(shuō)的下壓力)使賽車在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)更穩(wěn)定[1]。然而,在直道的情況下,尾翼的存在將使阻力升高,導(dǎo)致不必要的能量耗散,降低賽車在直道上的速度。因此,如何妥協(xié)好彎道上的下壓力和直道上的阻力是賽車尾翼設(shè)計(jì)的重要課題。
本文通過(guò)分析方程式賽車的氣動(dòng)需求,設(shè)計(jì)了一款雙層尾翼,車手可以通過(guò)操縱系統(tǒng)改變其攻角,達(dá)到減阻或是增壓的目的,以同時(shí)滿足賽車在直道上減少阻力和彎道上增加下壓力的要求。
一、設(shè)計(jì)依據(jù)
(一)理論依據(jù)
根據(jù)二元翼型升力理論,增加鼻翼及尾翼擾流板的彎度和攻角,有助于提高下壓力,但在下壓力提高同時(shí),阻力也相應(yīng)地提高了,但不同翼型有不同的升阻特性。在眾多翼型中,美國(guó)國(guó)家航空咨詢委員會(huì)開發(fā)的NACA4位翼型[2]最具代表性,每個(gè)翼型的代號(hào)由“NACA”這四個(gè)字母與一串?dāng)?shù)字組成,將這串?dāng)?shù)字所描述的幾何參數(shù)代入特定方程中即可得到翼型的精確形狀。NACA四位翼型系列中,不同厚度、不同彎度翼型的升/阻力系數(shù)曲線變化趨勢(shì)大致相同,但其各點(diǎn)曲率、拐點(diǎn)位置存在差異。
(二)現(xiàn)有設(shè)計(jì)
目前,跑車和F1賽車通常采用尾翼開槽和可升降尾翼來(lái)解決下壓力與阻力的矛盾:
1.尾翼開槽。以邁凱輪MP4-25型F1賽車為例,其引入了“F-duct系統(tǒng)”來(lái)解決這一問(wèn)題。如圖1、圖2所示,賽車的尾翼上有一個(gè)15cm的開槽,開槽連接氣流管道,通向鼻錐上的氣流入口。在彎道時(shí),控制閥門關(guān)閉,氣流不會(huì)進(jìn)入管道,F(xiàn)-duct不工作;而在直道上,車手打開控制閥門,空氣沿圖3中1-2-3-4的順序流動(dòng),噴在尾翼上的開槽上,造成了尾翼后緣輕微失速,達(dá)到了減小阻力的效果。
2.可升降尾翼。這一類的尾翼以保時(shí)捷911型跑車為代表。如圖3所示,車在直線行駛時(shí),尾翼與車的后部緊緊貼合成一個(gè)整體,盡可能地使車保持流線型以減小阻力[3];在車過(guò)彎時(shí),車手可調(diào)節(jié)尾翼使其升起,為跑車制造下壓力。
兩種解決方案目的都是在賽車低速度過(guò)彎時(shí)制造較高下壓力提高彎道速度,而在直道上則減小阻力,提升賽車的圈速。然而,這兩種方案都沒(méi)有把尾翼的氣動(dòng)效率發(fā)揮到極限,還會(huì)占用車內(nèi)非常有限的空間資源。為提升賽車的氣動(dòng)性能,本研究設(shè)計(jì)了可變攻角的雙層尾翼,并與傳統(tǒng)單層尾翼的氣動(dòng)效率進(jìn)行比較。
二、設(shè)計(jì)方案和研究方法
(一)雙層尾翼的設(shè)計(jì)方案
圖1 MP4-25賽車尾翼開槽
圖2 MP4-25賽車F-duct系統(tǒng)圖
圖3 保時(shí)捷911型跑車
圖4 雙層尾翼示意圖
圖4為雙層尾翼示意圖,由兩塊NACA四位數(shù)字翼族組成,車手可調(diào)節(jié)兩塊翼板的攻角α,β:
a) 低速?gòu)澋溃ㄟ^(guò)彎半徑小于100米),將尾翼調(diào)節(jié)至最大升力系數(shù)的攻角,增加下壓力。
b) 高速?gòu)澋溃ㄟ^(guò)彎半徑大于100米),將尾翼調(diào)節(jié)至最大升阻比攻角,妥協(xié)下壓力和阻力。
c) 直線行駛時(shí),尾翼調(diào)節(jié)至最小阻力系數(shù)攻角,減少阻力。
(二)篩選翼型理論依據(jù)
選型時(shí)評(píng)估翼型好壞的主要指標(biāo)為升力系數(shù)和阻力系數(shù),理論依據(jù)是庫(kù)塔-茹科夫斯基升力、阻力公式:
其中ρ、v分別表示流體密度、速度,Cl、Cd分別表示升力、阻力系數(shù),A表示參考面積。
雖然升、阻力系數(shù)與來(lái)流的速度v和雷諾數(shù)Re有關(guān),但當(dāng)馬赫數(shù)不超過(guò)0.4時(shí)來(lái)流的影響很小,對(duì)于賽車而言,其馬赫數(shù)不會(huì)超過(guò)0.3,因此來(lái)流的影響可以忽略。
(三)研究方法
對(duì)于賽車氣動(dòng)特性研究,主要有四種方式:資料搜集、工程估算、CFD仿真計(jì)算及風(fēng)洞試驗(yàn)。由于風(fēng)洞試驗(yàn)耗資巨大,縮比模型制作安裝時(shí)間長(zhǎng),本研究沒(méi)有涉及,只基于其余三種方式進(jìn)行研究。
工程估算主要針對(duì)翼型的選擇。為提高研究工作的效率,在選擇翼型的初級(jí)階段采用空氣動(dòng)力學(xué)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步估算,進(jìn)行第一輪篩選,優(yōu)化選擇范圍。
CFD(Computational Fluid Dynamics 計(jì)算流體力學(xué))仿真模擬計(jì)算在空氣動(dòng)力學(xué)研究中有著不可替代的作用[4],通過(guò)計(jì)算機(jī)三維仿真軟件(CATIA,UG,ProE等)建立尾翼的3D數(shù)字模型,然后采用網(wǎng)格生成軟件(ICEM,GAMBIT等)進(jìn)行簡(jiǎn)單的網(wǎng)格劃分,最后通過(guò)CFD計(jì)算軟件ANSYS-Fluent選擇相應(yīng)的程序進(jìn)行計(jì)算。
(四)研究實(shí)施過(guò)程
a) 賽車整體受力情況分析。分析賽車在不同行駛條件下的受力,以及對(duì)下壓力與減阻的需求[5]。
b) 尾翼選型。結(jié)合文獻(xiàn)資料,使用氣動(dòng)計(jì)算程序,篩選單層尾翼翼型及雙層尾翼翼型組合。
c) 尾翼氣動(dòng)力計(jì)算。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件分別模擬仿真計(jì)算b)所選單、雙層尾翼在不同速度、攻角下的氣動(dòng)(下壓力、阻力)系數(shù)曲線。
d) 分析與評(píng)估。將c)中的結(jié)果(包括升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比)對(duì)照比較并進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)合a)的需求,對(duì)尾翼選型方案進(jìn)行評(píng)估,并確定最優(yōu)的方案。
三、賽車整體受力情況分析
圖5 賽車受力示意圖
圖5為賽車右轉(zhuǎn)彎時(shí)的受力示意圖,其中G,F(xiàn)d,F(xiàn)c,F(xiàn)f分別表示賽車的重力、氣動(dòng)套件產(chǎn)生的下壓力、過(guò)彎時(shí)的側(cè)向離心力、輪胎所產(chǎn)生的側(cè)向摩擦力。賽車在過(guò)彎時(shí)應(yīng)當(dāng)保證既不側(cè)翻也不側(cè)滑,需要滿足的條件如下:
a) 不側(cè)翻。記車寬為d,賽車中心距地面高度為h,過(guò)彎半徑為R則
(1)
(2)
由(1)(2)可知
b) 不側(cè)滑。記輪胎與地面摩擦系數(shù)為μ,過(guò)彎半徑為R則:Fc≤ Ff (3)
(4)
(5)
由(3)(4)(5)可知:
結(jié)合不側(cè)翻、不測(cè)滑的理論要求,通過(guò)查閱方程式賽車相關(guān)參數(shù),獲得賽車過(guò)彎時(shí)不同速度對(duì)下壓力的需求,在尾翼篩選時(shí)作出判斷和取舍。
四、尾翼選型
(一)翼型厚度的確定
保持翼型相對(duì)彎度不變,取較為常見的NACA 24XX翼型,用氣動(dòng)計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表1、圖6。
注:AOA表示該種翼型在達(dá)到最大升力系數(shù)或最小阻力系數(shù)時(shí)的攻角大小,下同
從中可以看出NACA 2410為其中的最優(yōu)翼型,在此基礎(chǔ)上比較NACA 2410與厚度相鄰近的NACA 24XX的氣動(dòng)性能,結(jié)果見表2。
顯示NACA 2409為最優(yōu)翼型。通過(guò)比較不同彎度的翼型,翼型均在厚度為9%的時(shí)候達(dá)到最優(yōu)。
(二)翼型彎度的確定
設(shè)定翼型厚度為9%不變,改變彎度進(jìn)行比較,從結(jié)果表4可見,NACA 6309和NACA 5309的最大升力系數(shù)相同且最大,均略大于NACA 4309,但考慮到NACA 5309的阻力系數(shù)較大,而NACA 4309的阻力系數(shù)為同組中最小,因此NACA 4309和NACA 6309是最優(yōu)的兩種單層尾翼。表5、表6是兩種翼型的最大升力系數(shù)、最小阻力系數(shù)和最大升阻比及分別達(dá)到該最值時(shí)的攻角:
五、尾翼氣動(dòng)力計(jì)算與氣動(dòng)效率分析
(一)雙層尾翼氣動(dòng)參數(shù)的計(jì)算
確定了性能較優(yōu)的兩種翼型后,我們將NACA 4309和NACA 6309組合起來(lái)成為雙層尾翼,用CFD軟件進(jìn)行整體氣動(dòng)力計(jì)算,改變兩塊翼板之間的距離d,計(jì)算結(jié)果見表7。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,各種尾翼的阻力系數(shù)均相同,當(dāng)兩塊翼板距離為30cm時(shí)升力系數(shù)最大。以下是該款尾翼在分別達(dá)到最大升力系數(shù)、最小阻力系數(shù)和最大升阻比時(shí)兩塊翼板各自的攻角。
(二)尾翼氣動(dòng)效率對(duì)比及分析
從上文可知,最優(yōu)的單層尾翼翼型為NACA 4309和NACA 6309,將其與雙層尾翼的各項(xiàng)氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行比較,結(jié)果見表9 。
可以看出,雙層尾翼的最大升力系數(shù)是三種尾翼中最大的,NACA 4309雖然最大升力系數(shù)為三者最小,但它具有最小的最小阻力系數(shù),其最大升阻比也大于雙層尾翼,而NACA 6309則介于兩者之間。
盡管下層翼的高壓區(qū)在上層翼的引導(dǎo)降壓后,會(huì)在一定程度上影響尾翼效率[6],但雙層尾翼的最大升力系數(shù)仍比單層尾翼大0.6左右,而最小阻力系數(shù)僅比單層尾翼大0.01左右,根據(jù)庫(kù)塔-茹科夫斯基升力、阻力公式可知,雙層尾翼在下壓力方面優(yōu)勢(shì)明顯,可以彌補(bǔ)其阻力系數(shù)略大的劣勢(shì)。
六、結(jié)論
通過(guò)比較本研究設(shè)計(jì)的NACA 4309/6309雙層尾翼與其他類型的尾翼,可以得出以下結(jié)論:
1.相較于傳統(tǒng)的固定尾翼,雙層尾翼具有以下提高車速和節(jié)省燃油的優(yōu)勢(shì)。車手可以調(diào)節(jié)雙層尾翼的攻角,使尾翼在賽車對(duì)下壓力需求較高的高速?gòu)澋乐刑峁└蟮南聣毫?,而在不需要過(guò)多下壓力的直道上表現(xiàn)為較小的阻力系數(shù),這樣更容易妥協(xié)高下壓力和低阻力的需求,從而提高賽車的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí),高速狀態(tài)下的低阻力設(shè)置,可以使賽車在直線行駛時(shí)減少摩擦阻力和壓差阻力導(dǎo)致的能量損失,從而降低油耗。
2.相較于當(dāng)前比較常見的單層可調(diào)節(jié)尾翼,雙層尾翼具有高升力系數(shù)和節(jié)省空間的優(yōu)勢(shì)。雙層尾翼的最大升力系數(shù)為2.20(NACA 4309攻角5.5°、NACA 6309攻角7°時(shí)取到),大于所有的單層NACA四位數(shù)字翼型,配備該尾翼的賽車可在中速?gòu)澋阔@得較大優(yōu)勢(shì)。此外,由于對(duì)尾翼攻角的控制僅需使用齒輪連接步進(jìn)電機(jī)完成,無(wú)需鋪設(shè)復(fù)雜的氣流管道,因此可以節(jié)省更多的車內(nèi)空間。
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