FLUENT大学生方程式赛车尾翼攻角调节控制系统设计(3)
2.1 赛车空气动力学流体基础
赛车外流场的流体特性实质上是流体流动问题。任何复杂的湍流流动,N-S方程都是适用的。流体运动及换热的控制方程如下所示。连续方程的表达式为:
(2-1)
其中 ——流体的密度；
——流体速度沿i方向的分量。
标准的k- 模型用于带有弯曲壁面或强旋流的流动,会出现一定失真。为了防止出现失真,后来发展的RNG k- 模型通过修正湍流黏度,考虑了平均流动中的旋转及旋转流动情况,并且在 方程中增加了时均应变率来反应主流动情况。另外,Realizable k- 模型也在湍流黏度计算公式上引入了旋转和曲率的影响因素,在方程中不再包含 项,以更好的模拟各种类型的能量传递。因此,RealizaWeit-s模型能更好地解决管内流动、旋转均匀剪切流、带有分离的流动和边界层流动等问题。
表2-1 雷诺平均模型的比较
模型名称 优点 缺点
Spalart allaras 计算量小，对一定复杂程度的边检查有较好的效果 计算结果没有被广泛测较好试，缺少子模型，如考虑燃烧或浮力问题
Standard k- 应用多，计算量合适，有较多数据积累和相当精度 对于流向有曲率变化、较强压力梯度、有旋向问题等复杂流动模拟效果欠缺
RNG k- 能模拟射流撞击、分离流、二次流、旋流等中等复杂流动 受到涡旋粘性各向同性假设限制
Realizable k-
和RNG模型差不多，还可以模拟圆口射流问题 受到涡旋粘性各向同性假设限制
雷诺应力模 考虑的物理机理更仔细，包括了湍流各向异性影响 CPU时间长（2-3倍）却是和湍流量高度耦合
表2-1展示的是几种雷诺平均模型的优缺点,目前常用的两方程模型有RNG k- 模型、Standard k- 模型和Realizable k- 模型。Standard k- 模型在赛车表面Re数比较低,湍流发展不充分,计算时会出现失真,为了弥补Standard k- 模型的缺陷,引出的两种改进模型:RNG k- 模型和Realizable k- 模型。RNG k- 模型和Realizable k- 模型修正了湍流度,引入了与旋转和曲率有关的内容,改进了方程,能更好的处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动,并且对近壁区和低Re数的流动都能进行很好的计算,但RNG k- 模型可以更好的计算赛车近壁区和低Re数的流动,针对以上优点本文的瑞流模型选取RNG k- 模型。
空气动力学在方程式赛车上的应用非常广泛,方程式赛车主要应用负升力来研究。负升力的存在提高了赛车的动力性和操纵稳定性。汽车空气动力学以空气动力学为理论基础来分析汽车周围的流场,研究流场作用于汽车上的力矩和气动力,在尾翼造型及攻角方面，运用空气动力学的研究成果可以得到最优造型及最优攻角角度。
2.2 赛车尾翼及赛车三文模型的建立
主要利用CATIA软件绘制三文模型，该软件主要应用于汽车、航空航天、船舶制造、钢铁厂房设计、建筑、电力与电子、消费品和通用机械制造八大领域中，由于该软件在曲面建模上具有其他三文软件不具有的优点，而汽车、航空航天和船舶等外表面有很多曲面，所以该软件在航空航天、汽车和船舶制造领域应用最为广泛。
在赛车尾翼三文模型的建立中，主要参考了南京理工大学NUT车队2014年参加FASE赛事的赛车。
图2-1 赛车尾翼图2-2 赛车车身图2-3 前翼