赛车尾翼的仿真驱动设计

赛车尾翼的仿真驱动设计


在过去几年中,我们为赛车队提供了一些设计帮助,比如加拿大的FaSTTUBe车队和Ryerson车队。为了备战德国FGS方程式赛车大赛,Carolina Cura最近对赛车的尾翼进行了设计和形状优化。本文简要介绍Carolina的优化工作,以及得到的一些优化结果。


优化目标:提高下压力

与世界一级方程式锦标赛(F1)或者其他类似赛车竞赛相比,FGS的主旨并不是评选最快的赛车,而是拥有最佳的整体设计理念的赛车,这就需要考虑到赛车的设计、预算、商业概念以及赛车性能等方面的综合性能。其中,赛车性能的主要考核指标有动力性、操控性、加速性能、耐力和燃油效率等。

与普通车辆的空气动力学性能相比,赛车的空气动力学性能主要集中在下压力的大小和分布,而阻力则是次要的。赛车的稳定性和操控性很大程度上取决于轮胎的性能,这直接关系到前后力之间的平衡。因此,优化前、后轮胎的载荷,可提高制动性能、转向速度,从而提高稳定性。如果已经设计好了赛车的基本形状,那么可以通过增加尾翼来控制前后车身下压力之间的平衡。

在赛车中,尾翼对整车贡献多达三分之一的下压力。与航空尾翼相比,赛车尾翼主要有四个不同点。首先,赛车尾翼的主要功能是产生下压力,而航空尾翼则是为了产生升力。此外,由于尾翼的设计工况需要考虑极端的地面效应,小展弦比的尾翼会与车身其他部分产生较强的相互作用。

如下图所示:可以看到当受到侧向力(例如由于转向引起的惯性)时,轮胎发生侧向滑移,使得轮胎运动方向与汽车行驶方向产生一个角度。增加垂直力(下压力)可以使产生相同侧向力的滑移距离更小。这意味着可以以相同的滑移为代价,实现较大的转向力。


增加下压力对赛车侧向力的影响(Katz 2006)


尽管尾翼的增加使得车身阻力增大,但是提高下压力可以获更快的单圈时速。因为当赛车需要快速转向和高速制动时,通过减阻达到最高速度通常并不是最主要的方法。


模型和CFD分析

尾翼由三个翼型和两侧端板组成,为了优化其气动性能,使用CAESE对尾翼进行参数化建模。优化过程所采用的基准设计模型是对3个翼型位置进行优化后得到的。本文所有CFD计算均采用STAR-CCM+。


尾翼的轴对称模型:由下翼(主翼)、中翼和上翼组成


尾翼优化的两个步骤

第一步,对尾翼进行二维优化,研究3个翼型之间最佳的相互作用。第二步,对三维尾翼进行流体仿真,从而优化端板。第二步优化需基于第一步的二维结果,并在此基础上结合端板进行优化。

主翼的形状、主翼和中翼的纵向和垂直位置以及上翼的迎角都是可以自动变化的。对于每一个生成状的设计模型,都以CAESES连接求解器实现自动分析。


几何约束

为了防止生成失败的模型,需要在优化过程中设置一些几何约束条件。比如,为了防止翼型相交或接触,需要改变翼型的相对位置和攻角变化。因此对以下两条曲线进行定义和监测:第一条线连接主翼的尾缘和中翼的前缘,第二条直线连接中翼的尾缘和上翼的前缘。

以下动画显示了主翼的形状,三个翼型的攻角以及主翼和中翼的垂直和纵向位置的变化。


CAESES几何模型的生成:确保3个翼型不接触或相交


二维优化

采用CAESES集成的Sobol采样算法生成一组随机的三翼型剖面进行优化。在此DOE优化之后,对性能较好的模型再进行局部优化。为了改变下翼面的形状,可对基准截面做小范围的平移和旋转处理。


最优设计和基准模型的对比


最终优化模型的下翼面较基准模型稍向前下方延伸,中翼剖面在位置上没有明显变化,上翼部分的最佳设计则是在基准模型的基础上旋转了几度。优化设计和基准设计的CFD结果如下图所示。由于基准设计已经在上述DOE优化过程中进行了优化,所以虽然此处翼型形状有了一定的改变,但是局部优化前后的速度分布看起来并没有明显变化。


最优尾翼(左)与基准尾翼(右)的对比


上图中,翼型下表面的吸力区域具有高法向速度,优化翼型下翼面的法向速度略高于基准翼型。而对于上表面的压力区域,优化翼型的速度则会略低。

端板的三维优化

以二维优化后得到的尾翼为基础,采用CAESES对端板的几何形状进行参数化建模,从而对端板的左下角和左上角进行形状优化。下图显示了端板优化前后的压力系数分布。下压力的增加主要是由于压力侧的压力增加,而吸力侧压力则变化不大。


最优端板(左)与基准设计(右)的对比


在整车中检验性能

在端板优化过程的最后,对整个赛车进行初步仿真,测试了基准尾翼设计以及优化后尾翼设计(优化翼型和端板)的性能,从而对结果进行评估。

最终的优化尾翼使得整车的总下压力增加了3.9%。如果分别对二维和三维优化过程进行分析,二维优化尾翼的下压力提高了2.14%,三维优化尾翼则提升了2.44%。


整车分析


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编辑于 2018-12-14