英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
FSAE赛车的空气动力学分析
Badih A. Jawad and Maria M. Longnecker
Lawrence Technological University
摘要：空气动力学在赛车的动力学表现上扮演着重要的角色。本文目的是分析劳伦斯科技大学1999年到2000年FSAE赛车内流场和外流场的空气动力学。外流场空气动力学研究的是阻力的形式、干扰和升力的分析。内流场空气动力学研究的是增压式进气，热交换器和油冷却。
介绍：内外流场空气动力学在赛车动力学中有着重要的作用。外流场空气动力学研究着重于分析阻力和升力的影响。赛车的燃油经济性及动力性与所受的阻力大小直接相关。近似与劳伦斯科技大学的阻力系数所展示形式和干扰阻力的影响。根据不同的车身形式两个升力系数的近似值分析横向重力。内流场空气动力学展示了提高机油冷却和热交换器的技术。讨论了增压空气系统提高发动机的性能。
由于缺乏关于车辆的温度和气压更精确的数据，空气密度是假定标准。
介绍了空气动力学套件的设计和模拟分析过程，通过CFD流场分析完成空气动力学套件的优化设计。在此基础上分析了赛车车辆周围气流的压力分布和速度分布规律，研究了空气动力学套件的性能；采用Optimum⁃lap，对赛车实际行驶工况进行了模拟。结果表明：加装空气动力学套件，对于提高赛车的操纵稳定性和安全性具有非常重要的意义。
阻力
随着大学生方程式赛车设计、制造技术的成熟，空气动力学的研究已成为提高赛车性能的一个不容忽视的方面。空气动力学套件的应用，对赛车产生更多下压力，提升赛车高速稳定性以及提高赛车过弯速度，具有非常关键的作用。
通过分析劳伦斯科技大学赛车的阻力来确定阻力对赛车表现的影响。阻力是上游速度方向的合力，因此它阻碍汽车的前进运动。阻力直接影响汽车的加速度和最高速度同时还影响汽车的燃油经济性。阻力的计算公式如（1）所表示，D表示阻力，V是车速，rho;是空气密度（1.165kg/m3）,CD表示风阻系数，A是汽车的迎风面积。
D= （1）
阻力系数
阻力系数，CD，是一个形状的函数，雷诺数，马赫数，弗劳德数和的表面相对粗糙度。这些量是无量纲的，因此决定阻力系数的是形状而不是大小。可以通过计算一个小规模模型的系数来近似推出完整模型的结果。阻力系数难以确定，因此本文应用CD值为0.6的相似汽车模型，如图一所示。
图1 车身阻力系数的基本配置
在相比较车辆上没有的特征也需要被考虑，以便精确地估测总体所受阻力。用不能旋转的圆柱代替主环，其CD值为0.6.假设驾驶员头盔为不能旋转的球体，其CD值为0.3.假设防火墙为正常空气流中的平板，其CD值为1.5。重要的是理解这些部件之间的相互作用是非常复杂的；因此总阻力不仅是所有这些部件的相加。一般FSAE设计团队由于缺乏可替代的方法估计阻力，这个方法在未来的设计建议中是个可接受的评估车辆的方法。
1999和2000年劳伦斯大学的赛车如图二所示。这些赛车与图一中用于分析阻力的赛车十分相似。阻力也可以通过风洞和滑行试验得出。风洞测试成本高所以FSAE车队不能使用。如果有平坦的测试平台和足够的数据采集设备，在严格的指导下滑行试验是可以采用的。
图2 劳伦斯大学赛车
迎风面积
迎风面积是投影，是光线照射过车身投影到一个平面的阴影面积。计算劳伦斯大学1999到2000赛车的迎风面积。1999年劳伦斯大学车身的迎风面积包括车轮在内是0.432m2，主环的迎风面积是0.039 m2，驾驶员头盔的迎风面积是0.046 m2，防火墙的迎风面积是0.542，减少了头盔区域，导致暴露在空气中的总的迎风面积减少0.119m2。
2000年赛车车身包括车轮的迎风面积是0.6平方米。主环的迎风面积是0.039平方米。驾驶员头盔的迎风面积是0.046平方米，防火墙的迎风面积是0.47平方米，减少了头盔区域，导致暴露在空气中的总的迎风面积减少0.098m2。图3中的图表显示了根据给定信息所得到的1999年和2000年赛车的近似阻力。
马力阻力
马力阻力是克服行驶速度所带来的阻力的马力值，图三所显示的有用信息对转化牛顿阻力有帮助。行驶阻力的计算如公式二所示。V代表赛车的行驶速度，375是一个转换因素。
HpDrag=TotalDrag V3/375 (2)
1999年和2000年劳伦斯大学赛车的马力阻力如图4所示。
马力阻力的随着速度的立方急剧增加。马力阻力能增加会提高能量的消耗，马力阻力的减少会降低能量的需求保持车速的增加。所需功率的增加也增加燃油消耗。燃油经济性是赛车比赛重要的组成部分。赛车所要求马力的增加或减少由赛车的引擎决定燃料的消耗。调试优良的引擎可以减少阻力并改善燃油消耗。
除了车身，图5所示所有的特性都是干扰阻力。干扰阻力是气流流过外部车身所具有的基本形状或者由于地面约束影响的气流。在FSAE赛车和其他车辆上一些部件会产生干扰阻力，主环、防火墙、反光镜、底盘和驾驶员的身体。图5所示的防火墙由于它较大地阻力系数，对整个的阻力有很大影响。它在1999年赛车提供38％的阻力，在2000年赛车提供27％。
FSAE规则指定防火墙必须与驾驶室的所有组件和燃料供应及液体冷却系统分开。将防火墙做成水平而不是垂直能实现这条安全规则。使用这个技术，就是将防火墙从空气流中移除，1999年和2000年的赛车分别减少饿了27％和38％的马力阻力。这减少的好处是双重的。对于劳伦斯大学的赛车引擎可以节省至少27％的马力来增加其动力性和改善燃油经济性。赛车可以增加其速度，消耗相同数量燃料或者保持相同的速度来节约燃料。如果运输要求不允许防火墙仅仅水平的减少尺寸或者防火墙的角度可以有助于降低赛车的整体阻力。
另一种方法来降低赛车的阻力是减少车身的整体尺寸。车身的尺寸是典型的封装问题，因此注意细节可以使迎风面积降到最低。由图2和图3可以看出，1999年的赛车的整车阻力和马力阻力较小的原因就是因为较小的车身尺寸。
升力
升力是在地面上的正常受力。这力可以有正向和负向并且对赛车的重力有直接影响。负升力（下压力）会增加轮胎的负载。这增加的负载提高了赛车的重力，使得赛车能够提高过弯的速度。正向的升力会减少轮胎的负载以限制赛车所能获得的过弯速度。
升力系数
升力系数，Cl，和阻力系数类似是一个与形状而不是尺寸相关的函数。可以通过计算赛车比例模型的升力系数来确定全尺寸赛车的升力系数。使用近似车身模型得到的Cl值为0.5.
重要的是升力系数的计算不仅与底盘还和迎风面积相关。CL在不同的情况有不同的值，计算升力的面积需要根据情况做相应的调整。通常这种情况下，升力系数的计算。迎风面积的升力系数是汽车行业中常见的做法，因此用于本文中。
迎风面积
在阻力计算时迎风面积是相同的，只有车身区域包括轮胎，非旋转的球体（头盔），非旋转的圆柱（主环）和平板（防火墙），它们的正常流动不会产生升力。
如图7所示，随着车速的增加，正向升力会急剧增加。为了创建有意义的升力，轮胎负载可以用方程3计算所得。N是轮胎的负载，m是赛车的重力，g是重力系数，L是产生的升力。
N = mg – L
当2000年的赛车达到70英里时，计算得到轮胎负载减少了174牛。1999年的赛车达到70英里时，计算得到轮胎的负载减少125牛。轮胎负载减少，会使赛车在弯道高速稳定性降低，在极端情况下可能会变得不稳定,难以驾驶。
图3 1999年和2000年劳伦斯大学赛车的阻力比较
横向重力
使用已知的赛车横向重力和公式4计算增强的横向重力。W是赛车的重量，L是产生的升力。2000年劳伦斯大学赛车在八字绕环测试时的侧向加速度是1.3。当车速到35英里每小时时产生的升力使侧向重力为1.27g，损失了2.3％。
Lateral g-force = g-force ((W-L) / W) (4)
侧向重力可以改善所产生的下压力。各种负升力面可以产生下压力，比如翼片和底部扩散器。装备了前后翼的赛车的CL值为-0.38，如图6所示。负号表示产生的是下压力。
装备了前后翼赛车的侧向重力在35英里每小时时为1.32，增加了1.5％。这增加的侧向重力使得赛车在弯道时速度加快并改善了赛车的操纵特性。如图8所示是各种车辆配置下的侧向重力近似值。
下压力也可以由底部扩散器产生。这种方式创造的下压力对于方程式赛车来说是相对比较新的且通过试验数据较难找到。使用扩散器的理论是在赛车底部创建一个负压区。这通常是通过文丘里效应实现的。根据伯努利方程，流体的质量近似恒定，流经车底的空气速度必定增加，因为丘留通过了一个更小的区域。车底的压力随着速度的增加而减小。空气通过扩散器产生下压力。当裙与地面的间隙准确，通过沿着内部纵向涡流的裙能产生的下压力。这些涡流的强度决定于横向流。这些漩涡控制扩散器的流场使得更大的扩散器的角度也能使用而没有气壁分离。结果则是更低的压力和更大的下压力。横向流是流入两侧扩散器的，如图9所示。
气流从两边拉因为自然的空气流动是从高（环境压力）到低（底部压力）的。在上述实验中用到的扩散器的角度在5到15度之间。通常当气流通过车底时，一个5度的扩散角认为是有效的或者渐进的足够而不引起气壁分离的。在低雷诺系数时使用车底扩散器的赛车的CL值接近-0.95。使用这个作为2000年劳伦斯大学赛车底部流场和下压力（负升力）的预测，如图10所示。
如上述示图所示，使用扩散器最明显的效果就是产生下压力。大约40％的整车下压力是由底盘和车体产生的。车身产生的下压力是一辆空气动力学效率赛车的正常关键。当考虑定风翼加入时，必须小心注意其对赛车其他方面的影响。由于FSAE赛车中使用大型管状体，定风翼必须被置于非常高的自由空气流中才可以起到较好的作用。定风翼的这一位置将有助于创造下压力，但也会产生额外的阻力。定风翼也会提高车辆整体的重心中心。重心越高，会有更大的侧向负载转移。这可能会改变赛车的操纵性能和否定翼的效果。一个有效的底盘使用能改善赛车的升力而不与其他性能问题产生干扰，获得最佳方式。赛车的空气动力学特性也需要被平衡，因此需要仔细分析赛车的下压力和下压力的位置。
内部空气动力学
使用内部空气，通过更有效的冷却或增加气流来改善赛车各部件的性能。施加内部空气动力学最常见的方式有三个，一个是冲压空气系统的摄入，冲压空气到热器，并且如果一个用来管道到油冷却器。
冲压进气口
吸入压头与方程式5计算，其中，r是空气密度，V是车辆速度，0.012是转换因子和9.81是引力常数。
acute;
吸入压头背后的理论是，以所述空气的速度转化成有用的压力。正常趋势是空气从高压区流向低压区。通过创建一个进气口，由于在面积的增加（伯努利方程）,在向流道尺寸逐渐增大的空气的速度下降。这个下降速度会导致压力增加。舀子和发动机之间较大地压力差，其倾向是流量越大。在图11的曲线示出了在舀压力超过标准大气压时FSAE车辆的典型的速度变化百分比。压力的变化是非常低的，从以这些速度冲压空气系统指示非常小的好处。
冲压空气换热器或机油冷却器
一个冲压空气导管的理想设计的热交换器或油冷却器是具有长扩散区通向
热交换器和热器后面的喷嘴区。在扩散器中部面积逐渐增加导致在热交换器的前面高压力的区域的空气的速度降低。热交换器后面的喷嘴区域允许空气理想地返回到环境空气相同的压力和速度。创建有效的冲压空气通道的热交换器必须小心，以避免在管道内流动的分离。分离关心的是沿管道壁越大边界层，较小的空气的列将达到从而降低效率的热交换器的表面。不经分离热交换器之前，有5度角扩散器在理论上使流动慢下来获得压力。管道的入口应该在高压力区域和喷嘴出口应在低压允许从高到发生低压自然流动的区域。在空气中热水和冷气之间的温度差异将越大就越大的热交换。
热交换器或散热器的风道的正确位置是在发动机正常散热是必不可少的。使用或不使用的管道系统的热交换器，热交换器的前表面必须是在高压和在较低压力的区域的背面的区域。在2000年的FSAE比赛中，2000年的LTU车辆经历了散热器风扇的问题。迎风面积倾斜朝向低压区域和背面，被定为在更高的压力区。热交换器的这种取向是相反的需要建立和它本质上创造了一个空气流过旁路的热交换器，而不是通过它。
偏航
空气动力学最后需要说明的是偏航的功能。作为车辆转弯以
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[153628]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
