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查尔莫斯大学CFD分析报告
TheDesignProcessofanAerodynamicPackageforthe2012ChalmersFormulaSAECar公开2013-11-0120:
53|(分类:
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RaceCarAerodynamics-TheDesignProcessofan
AerodynamicPackageforthe2012Chalmers
FormulaSAECar
赛车空气动力学-2012查尔姆斯(CFS)FSAE赛车空气动力学套件设计步骤
作者:
SvenRehnberg,LucasBörjesson,RobertSvenssonandJonathanRice
ChalmersUniv.ofTechnology
翻译:
NSR-阿甘(翻译得乱七八糟,大神们喷)
ABSTRACT
摘要
ThispaperdescribesthedesignprocessofafullaerodynamicpackageofaFormulaSAE(FSAE)styleracecar.Themeaningofafullaerodynamicpackageinthiscontextisafrontwing,arearwingandadiffuser;thefocuswillhoweverbeonthewings.ThevehicleforwhichtheaerodynamicpackageisdesignedistheChalmersFormulaStudent(CFS)2012FSAEcar,butvehicledataloggedfromtheCFS2011FSAEcarwasusedduringthedesignphase.Thisdatawasusedtoevaluatehowtheaerodynamicpackagewillinfluencethebehaviourofthevehicle,bothintermsoflateralandlongitudinalaccelerationaswellasfuelconsumption,inordertodeterminewhetherornotanaerodynamicpackagecanenhancethevehicleperformance.Themaintoolusedduringthedesignprocesswasnumericalsimulations(computationalfluiddynamics,CFD)andspecialattentionwaspaidtopost-processingofthesesimulations.Itwasconcludedthatalthoughtheresolutionofthesimulationswasrelativelylow,valuableinsightsonhowtheairflowsoverthevehiclewasobtainedusingCFD.Themanufacturedaerodynamicpackagewasalsoevaluatedduringprecompetitiontestingusinganon-boarddataacquisitionsystemaswellasflow-visualisationtufts.
这篇论文主要描述了一台FSAE赛车全套空气动力学套件的设计过程。
在这篇论文中,全套空气动力学套件包括了前翼,尾翼和扩散器,但文章的主要精力会放在前翼和尾翼上。
虽然这个空力套件是为CFS(查尔姆斯)2012年的FSAE赛车设计的,但设计过程中也使用了从CFS2011的FSAE赛车上采集下来的数据。
为了确定这个空力套件是否能够提高赛车的性能,这些数据(横向加速度、纵向加速度、燃油消耗)被来评估空力套件是怎么样影响赛车行为。
在设计过程中主要使用的工具是数值分析(计算流体动力学,CFD)并且在分析后处理方面做了特别的关注。
结论表示虽然模拟分析的结果相对较低,通过使用CFD能清楚了解气流在车身表面流动的情况。
在赛前的测试中,通过使用车载的数据采集系统以及可视化的气流簇(粘在尾翼上面的毛线),评估了制作出来的空力套件。
INTRODUCTION
介绍
Themethodtoenhancetheperformanceofracecarsbyaddingdownforceproducingdevicesiswellestablishedandstartedinthe1960'swhenwingswerefirstused.Inshort,wingsenhancetheeffectivenessofthetyresbyincreasingtheloadonthetyreswithoutaddingtheequivalentmass[1].Theextraloadincreasesthelateralforcewhichcanbeproducedbythetyresaccordingtothefollowingequation;
通过使用能增加下压力的装置来提高赛车性能的做法在1960年代就已经出现了,当时翼也是被第一次应用。
简而言之,翼能够增加轮胎载荷,提高轮胎效率,但又不用为赛车增加相同的质量[1]。
额外的轮胎载荷能够增加赛车的侧向力,通过轮胎产生的侧向力可以根据下面的方程得到:
Fy=μFz
(1)
whereFyisthelateralforce,μisthefrictioncoefficientofthetyresandFzistheverticalload.
这里Fy是侧向力,μ是轮胎的摩擦力系数,Fz是轮胎的垂直载荷
ManyteamscompetinginFormulaSAE(FSAE)havealsotriedthisapproach,buteversincewingswerefirstusedinFSAEthedebateaboutwhetherornottheyaideorreduceperformancehasbeon-going.Thoseinfavourobviouslyclaimthattheydohelpandthoseopposeusuallyclaimthatwingswillnotdomuchinthegivenspeedrangewhiletheydoaddweightanddragwhichwillintheendreducerather
thanincreasetheperformance[2].
许多FSAE车队也试过这种方法,但是自从翼第一次在FSAE赛事中使用的时候,对于这东西有助于提升性能还是降低性能的争论一直持续不休。
那些喜欢翼的人会说翼确实能够有所帮助,持反对意见的人说在给定的速度范围内,翼起不到什么作用,而且会增加重量和阻力,赛车性能只减不增[2]。
Thisdilemma,whetherornotwingswillincreasetheoverallperformanceofaFSAEracer,wasconsideredduringthedesignphaseoftheChalmersFormulaStudent(CFS)2012car,theCFS12.SincenopreviousCFScarhavefeaturedwingstherewasnopossibilityofin-housebenchmarking.However,vehicleperformancedataloggedduringtestingandcompetitionsfromprimarilythesuccessfulCFS11wasavailableandusedtoevaluatetheeffectsofwings.
车翼能不能够提升赛车性能,这种进退两难的局面在查尔姆斯(CFS)2012赛车的设计过程中也被考虑到了。
因为之前的查尔姆斯没有赛车有车翼,所以也就没有可能有内部测试的基准数据。
然而,从CFS2011赛车上记录的测试和比赛数据是非常有用的,并且能够用来评估车翼带来的影响。
VEHICLEDATA
赛车数据
TheCFS12andtheCFS11areinmanyaspectssimilar.TheybothfeatureachromolysteeltubularspaceframewithbodypanelsmadeofTeXtreme®carbonfibreandhoneycombsandwichmaterial.ThiswasalsousedduringthemanufacturingoftheaerodynamicpackagefortheCFS12.TheCFS12usespushrodsuspensionbothinthefrontandinrearandreliesona600ccYamahamotorcycleenginetoprovideapproximately92hpofpowerattherearwheels.
CFS2012的赛车在很多方面与2011的赛车有相似的地方。
两部车都是铬钼钢管车架,以及用TeXtreme®生产的碳纤维和蜂窝夹层材料制作的车身。
CFS2012的空力套件也是用这种材料制作的。
CFS2012前后悬架都用的是推杆,发动机是600cc雅马哈发动机,能够提供大约92匹的轮上功率。
TheFSAErulesof2012[3]regulatestheouterdimensionsandpositionsofanyaerodynamicdeviceswhichhadtobeconsideredaswellasthefactthattheenginerequiresa(theoretical)airflowof0.56kg/sat56km/hwhichaffectsthedesignofmainlythefrontwing.TheCFS12canbeseen,withoutwings,inFigure1.
2012年的FSAE规则规定了空气动力学套件的尺寸以及位置,套件也要考虑发动机的进气需要,发动机进气需要的气流(理论上来说)在56km/h的时候要0.56kg/s,这个因素影响到了前翼的主要设计。
下图1.就是CFS2012赛车(没有装车翼的样子)。
Figure1.TheCFS12withoutwings
图1.CFS2012无翼
THEORETICALEVALUATION
理论评估
Asmentionedearlierwingsincreaseracecarperformancebyproviding“massless”loadtothetyres.Thewingswillobviouslyaddweighttothevehicleandtheperformancegainmustoutweighthedrawbacksofthisextraweightandtheadditionofdragthatwingsalsocause.Howmuchdownforce
awingproducescanbedescribedbythefollowingequation;
正如先前提到的,车翼能通过增加轮胎的“无质量”载荷提升赛车性能。
很显然,增加车翼会提升赛车性能,由此提升的性能比车翼增加的质量以及而外的阻力更为重要。
用下面的等式能够说明车翼能产生多少下压力:
(2)
whereListheliftordownforce,ρisthedensityofthemediuminwhichthewingtravels,clisthecoefficientoflift,Awisthewingareaandvisthewingspeedrelativetothemediumitpassesthrough.Thecoefficientofliftdependsontheshapeandangleofattackofthewing.
这里L是升力或压力,ρ是车翼通过的流体的密度(也就是空气密度啦),cl是升力系数(fluent里面能搞出来)Aw是车翼的面积,v是车翼相对于介质的速度。
升力系数取决于车翼的形状以及攻角。
Asmentionedearlierequation
(1)describestheamountoflateralforcethetyrescanprovide.Thetyre'scoefficientoffrictionisnotconstantandwilldecreaseasthetyreloadincreases.Thissuggeststhattheavailablelateralforcewilldecreaseastheverticalforceincrease.Theoverallincreaseinlateralforceishoweverlargerthanthedecreaseinfrictioncoefficient[4].Theadditionoftheverticalaerodynamicforce,L,toequation
(2)givestotalverticalforce;
正如之前等式
(1)描述了轮胎能提供侧向力的总量,轮胎的摩擦力系数不是一成不变的,它会随着轮胎载荷的增加而减少。
这表明了可用的侧向力会随着垂直载荷的增加而减少。
但是,整车的侧向力增加要大过摩擦力系数的减少[4]。
垂直增加的下压力L,提供垂直压力的总量。
(3)
ByaddingthetheoreticaladditionofaerodynamicloadtotheloggeddatafromtheCFS11itispossibletoinvestigatehowwings(oranydownforcegeneratingdevises)affectlateralandlongitudinalaccelerations.Figure2showsaggdiagram,whichplotslateralaccelerationvs.longitudinalacceleration,
fortheCFS11withandwithouttheadditionoftheoreticalwings.Theloggeddatausedisfromtheenduranceeventduringthe2011FormulaSAEItalycompetition.Thewingseffectonthevehiclescentreofgravity(CoG),rollandpitchwasassumedtobesmallandwasthusneglected.
通过从CFS11向数据采集器中添加理论下压力,我们可以了解到车翼(或者其他产生下压力的装置)是怎样影响横向加速度以及纵向加速度的。
图2是一个GG图(GG图用来说明车子横向加速度与纵向加速度),这个图展示了CFS在有车翼的情况下和无车翼的情况下,横向加速度与纵向加速度之间的关系。
数据是从FSAE意大利耐久赛中记录下来的。
车翼影响了赛车的重心,由于侧倾和纵倾较小,可以忽略。
Thenegativeeffectofaddingwings,mainlydragandaddedmass,mustalsobeanalysedinordertogetamorecompletepictureoftheeffectonperformance.Thedragforceonabodycanbecalculatedusingequation(4);
为了能更完整地了解车翼对赛车性能的影响,也要分析由车翼带来的负面影响,主要是空气阻力和质量。
车身阻力可由以下等式计算出来(4);
(4)
wherecdisthecoefficientofdrag.Inthesamewayasthecl,thecdisdependentoftheshapeandangleofattackofthewing.Thedragforcehasacounteractingeffectontheavailabletractionforcewhichpropelsthevehicleforward.Bytakingtheadditionofthetheoreticaldragintoaccount,and
knowingtheefficiencyoftheengine,itispossibletoestimatehowmuchextrafuelthecarwouldconsumewithwings.
这里cd是空气阻力系数。
和cl一样,cd的大小也于车翼的攻角和形状有关(这个形状到底指的是翼型还是大小我搞不太清楚)阻力对车子前进的牵引力有一个抵消作用(我擦,这句是废话,凑字数么?
)。
把车翼的阻力考虑在内,并了解发动机功率,就能估计出车翼会多消耗掉多少燃油。
ItcanbeseeninFigure2thatwingshaveaneffectonperformanceevenwiththerelativelylowspeeds(themeanvelocityoftheCFS11wasapproximately56km/h)ofaFSAEcar.Apartfromthelongitudinalacceleration,whichunsurprisinglyisaffectednegatively,wingsseemtoincreasetheaccelerations.Especiallythelongitudinaldecelerationhasincreased,i.e.thedriverwillbeabletobrakeharderandthuslaterwithwings.Thetheoreticalincreaseinfuelconsumptionsduetothewingswascalculatedto0.6litresduringanendurancerun.Thiswouldhaveresultedinareductionof17points(outof1000possible)forCFS11intheFormulaStudent(FSUK)competitionof2011.
我们在图2中能看到,甚至在速度比较低的FSAE赛事中(CFS11的平均速度大约为56km/h)车翼也会影响赛车的性能。
撇开纵向加速度不说,车翼对纵向加速度有负面影响,车翼似乎增加了加速度。
尤其是纵向减速度增加了,也就是说车手开有车翼的赛车能更晚更快地刹车。
从理论上来说,装有车翼的赛车在耐久赛中,根据计算得出,会增加0.6升的燃油消耗。
这样会导致CFS11赛车在2011的英国赛(FSUK)中损失17分。
Figure2.TheeffectoftheoreticalwingsonaCFS11ggdiagram
图2.车翼对CFS11的理论影响的GG图
WINGTHEORY
车翼理论
Thereareanumberofwaystoaltertheamountofdownforceawingcanproduce.Equation
(2)shows,fromadesignpointofview,thatthesizeorareaofthewingisinfluentialaswellasthecoefficientoflift,whichdependsonthecrosssectionshape,ortheaerofoil,ofthewing.Theareaofthewingisdeterminedbythewidthorspanofthewingandthedepthorchord,seeFigure3.
有几种方法能够改变下由车翼产生的压力的大小。
根据等式
(2),站在设计的角度来看,车翼的面积或者尺寸对升力系数(Cl)也是有影响的,升力系数与车翼的翼型(也可以说成截面)有关。
车翼面积的大小由翼展(也可以说成宽度)和弦长有关,见图3.
Figure3.Explanationofwingterminology
图3.车翼术语说明
LeadingEdge前缘
Span翼展
Chord弦长
Camber弯度
TrailingEdge后缘
ThemaximumspanofthewingisdeterminedintheFSAEregulationsasisthechordineffectsincetherulesregulateshowfaraheadofthevehicleaerodynamicdevisescan
protrude.
车翼的最大翼展由FSAE规则决定,规则规定了空气动力学套件
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