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学生方程式赛车底盘扩散器的设计改进与数值分析
2018-04-09 11:43:14· 来源：AutoAero
随着F1的发展趋势的进展，空气动力学在赛车性能中扮演着非常重要的角色。一级方程式赛车的典型空气动力学组件由后翼，前翼和底盘扩散器组成。这篇研究论文关注的是一个高效的托盘式扩散器的发展。底盘式扩散器是汽车底部的成形部分，以改善汽车的空气动力学特性。主要用于产生与最小阻力对应的最大下压力。
随着F1的发展趋势的进展，空气动力学在赛车性能中扮演着非常重要的角色。一级方程式赛车的典型空气动力学组件由后翼，前翼和底盘扩散器组成。这篇研究论文关注的是一个高效的托盘式扩散器的发展。底盘式扩散器是汽车底部的成形部分，以改善汽车的空气动力学特性。主要用于产生与最小阻力对应的最大下压力。近几十年来，为了改善车辆性能，特别是空气动力学特性，已经进行了几项研究。目前的工作涉及通过改变下托盘扩散器的几何特性，例如进口角度，对应于变化的离地间隙的出口角度来研究下托盘扩散器的性能。基于这些变化，使用CATIA V5设计了27个不同的设计迭代，并在ANSYS Fluent中执行了进一步的CFD仿真以找出性能最好的模型。通过仿真发现，入口角为3°，出口角为10°，离地间隙为30mm的几何模型提供了最小的阻力比，这种设计被认为是具有较好空气动力特性的最佳模型。然而，入口角5°，出口角16°和离地间隙50mm的数值模型在阻力比方面效果不佳。
介绍
方程式学生比赛正在全球举行，让学生有机会设计，制造和测试一款Formula1赛车的小型版本。汽车工程师公式（FSAE）提供的规则书在设计车辆的任何部件之前用作参考。这些规定是为了确保学生驾驶和测试配方学生车辆的安全。
汽车中的扩散器是汽车车身底部的成型部分，其通过增强汽车下方的高速气流与周围大气的慢速自由气流之间的过渡来改善汽车的空气动力特性。空气动力学是对车辆周围空气运动的研究。关心的是计算车辆周围的力。感兴趣的力是升力和阻力。
下托盘有可能产生最大下压力。由于较小的正面面积，它也产生相当小的阻力。它利用地面效应在车辆下创造出类似的效果。有一个喷嘴，可以增加车辆下方的空气速度，达到最大速度的喉管以及使空气减速回到自由流速的扩散器。扩散器出口角度也是一个重要因素。出口角度的增加将导致更大的膨胀面积，产生更大的压力是可能的，因此阻力将减小。但是，如果出口角度过大，可能会导致流动分离，从而导致湍流，从而增加阻力。
地面效应
在移动的地平面附近物体被使用时，地面效应起到一定的作用。流动的不对称性是由于流动在车身下方时加速流动而形成的，由于地面约束，结果车身下方的静压减少，从而产生下压力。如果不是因为实际流量是粘性的，那么地面接近度将会增加。流体粘度对于较大的扩散器高度而言是很小的考虑因素，然而，由于流体行进在车身下面的受限制的区域，因此这成为降低扩散器高度的主要因素。地面效应是应用于汽车设计中的一系列空气动力学效应的术语，其被用于创造下行力，特别是在赛车中。
伯努利方程
伯努利方程表明流体速度的增加与流体的压力或势能的降低同时发生。因此，可以清楚地看出，压力的变化与恒定高度的流体速度的变化成反比。底盘扩散器的工作原理。当赛车开始移动时，流体（空气）的压力与流过盘下扩散器的流体的压力相比较小，从而产生净向下的力。
连续性方程式
根据连续性方程，进入通道的空气速度与入口处的面积成反比。根据连续性方程进入扩散器导致车身下的速度增加，并因此降低压力。由于这个压差，产生净向下力。
计算流体动力学（CFD）
CFD是基本上采用控制体积法的流体域分析工具。设置CFD模型时，将导入以用于模拟的计算机辅助设计（CAD）软件包中的几何体。CAD几何的复杂程度取决于对数据的准确度要求和可用的计算能力。
对于外部空气动力学，在模型周围放置一个“风洞”。风洞的入口位于几何体前几个体长处，被认为是速度入口。然后在风洞的出口处放置模型后面的几何体，并将其视为速度出口。
设计理念
在开始设计底盘扩散器之前，为了实现最高效的设计，需要考虑不同的参数。其目的是设计一种底盘扩散器，其产生与最小阻力相对应的最大下压力。为了实现这一点，各种参数变化如下：
进气角度
进口角度对于底盘扩散器的性能起着非常重要的作用。它就像一个喷嘴，并将空气引导到底盘下方。
图1.下托盘扩散器的切割部分。出口角度= 10度，入口角度= 1度
当喷嘴进入下托盘下方时，该喷嘴增加了空气的速度。如果这个角度非常小，速度就不会有足够的增加另一方面，如果它太大，要在出口处匹配所需的条件将是非常困难的，因为这将要求出口面积非常大。为了研究这些效果，入口角度以2为单位从1变为5度。
出口角度
下托盘的出口角度给出了可用于压力恢复的区域，以将下托盘下方的空气带回到自由流速度以减少湍流和阻力。如果它太小，车身下方的空气将不会达到自由流速，并且会有很大的阻力。另一方面，如果它太大，身体上方的空气将不能沿着表面向上移动，并且会有流动分离，这又会导致很大的阻力。为了研究这些效果，出口角度从10度变化到16度，步长为3。
离地间隙
离地间隙是下托盘的最低点到地面之间的距离连续性方程通过改变离地间隙来深入了解底盘性能如何受到影响。较小的离地间隙导致下方更低的压力下降，从而导致更大的压力差，从而产生更多的下压力。但它不能太小，否则下托盘可能会击中地面。另一方面，如果太大，则不会有足够的压差来产生足够的下压力。研究这些影响，离地间隙是从10毫米改为50毫米，步长10毫米。记住汽车减震器的行程最小离地间隙保持在30毫米。
在考虑了托盘扩散器的性能可能受到影响的所有不同方式之后，总共设计了27次设计迭代，分别对应于入口角度，出口角度和离地间隙的3种不同排列。
为了确定哪个模型是27次迭代中的最佳模型，研究了阻力与下压力之比。这个想法是保持阻力最小对应于实现最大下压力。表现最佳的模型将具有最小的阻力比。
计算机辅助建模
在决定了哪些参数需要考虑，并在托盘下设计最佳性能时，选择了CATIA V5来建模底盘扩散器。在扩散器的最佳表现对应于产生与最小阻力相对应的最大下压力的底盘扩散器。
图2. CATIA中设计的等轴测图
计算机辅助分析
为了确定用于分析模型的网格的特性，进行了网格独立性测试。测试结束后，将会使用一个有297万个网格数的网格。
在对不同的设计迭代进行建模之后，将它们导入到ANSYS流体中，分析其属性并找到最佳模型。用K - epsilon模型被用来分析模型。
45公里/小时的速度被用作车身的速度，因为参加方程式学生事件的汽车平均以45公里/小时的平均速度行驶。因此，以这个速度了解下托盘的性能很重要。
结果与讨论
确定参数后，27个不同的案例进行分析，以找出托盘下的最佳表现。他们下面的所有最好的扩散器表现有以下属性：
进气角度
3度，出口角度：10度，离地间隙：30毫米
最佳型号对应的结果：
压力轮廓
绘制压力轮廓以便了解下托盘表面上方和下方的压力变化。
图3.下托盘上表面的压力轮廓最大值66.24 Pa
图4.下托盘下表面的压力轮廓，最小值为-193.63 Pa
压力差为258.87 Pa，向下作用于车身，导致产生14.61公斤的净下压力。
速度等高线
图5.下托盘周围的速度轮廓，下托盘下方的最大值为18.83 m / s。
速度增加与压力差成正比，而压力差又与下压力成正比。这个模型的最大速度是18.83米/秒。
图6.最佳模型的阻力系数
图7.最佳模型的升力系数（Cl）图
图8.最佳模型的残差图，最大精度为e-07，最小精度为e-04
进口角度变化对底盘扩散器的影响
下压力比被认为是评估下托盘的性能。由于阻力要求与最大下压力相比是最小的，所以该比例要求是最小的。
图9.阻力与下压力之比与进气角度
发生这种情况的原因是，随着入口角度的增加，可被压缩到下托盘最低点的空气量增加。现在要把压缩空气带回到周围的压力，扩大范围内需要更大的体积。这导致产生湍流，从而导致性能下降。
随着出口角度增加，比值增加，这是不可取的。发生这种情况的原因是随着出口角度的增加，后部底盘的曲率增加。在底盘上方空气变得难以沿着扩散器曲率行进，从而导致湍流，从而导致阻力上升，因此性能较差。
出口角度变化对扩散器的影响
图10.阻力与下压力之比与出口角度
地面间隙变化对底盘扩散器的影响
图11.阻压比与地面间隙
当GC低时，空气很难从下面的托盘下面流动导致湍流，从而阻力上升。现在，随着GC的增加，它变得相对容易，因此阻力减小，并且导致下压力的增加。增加离地间隙的结果会导致较小的压力差，从而导致下压力的降低，从而增加比值。
结论
在考虑完成最佳模型的27个案例中，产生与最小阻力相对应的最大向下力的托盘具有以下性质：
进气角度：3度，出口角度：10度，离地间隙：30毫米
阻力 1.064千克，下压力：14.619千克。
图12.安装在汽车底盘上的最终设计
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