韓悅，辛政，曹慶煒，胡興軍

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仿生渦流發(fā)生器在賽車前翼上的數值研究*

韓悅1，辛政1，曹慶煒2，胡興軍2

（1.吉林大學汽車工程學院，吉林 長春 130022；2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130022）

為改善一款大學生方程式賽車的空氣動力學性能，結合信天翁覆羽和渦流發(fā)生器進行研究，提出一種仿生渦流發(fā)生器。采用數值模擬的方法對比研究仿生渦流發(fā)生器對賽車前翼及輪胎周圍氣流狀態(tài)的影響。研究表明，加裝仿生渦流發(fā)生器可以有效改善前翼-輪胎區(qū)域的氣流狀態(tài)，前翼下表面氣流附著長度增加，模型阻力系數C比原始減小1.07%，升力系數C增加4.23%，升阻比增加5.37%，前翼氣動性能得到提升。仿生信天翁覆羽的渦流發(fā)生器不僅能夠提供能量輔助氣流附著，并且由于其與下翼面走勢相似的結構特點，能夠引導氣流流動，使氣流以更緩和的方式適應前翼-輪胎區(qū)域的流場工況。

空氣動力學；仿生渦流發(fā)生器；數值模擬；方程式賽車；氣動性能

前言

由于中國大學生方程式汽車大賽對賽車設計有嚴格的要求和限制[1]，通過改變前翼翼型及尺寸來改善前翼的工作效果難以實現(xiàn)，而渦流發(fā)生器可以有效減少賽車的氣動阻力且不需要額外的能量[2]，因此，加裝渦流發(fā)生器來提高賽車的氣動性能具有現(xiàn)實意義?，F(xiàn)有渦流發(fā)生器在飛行器流動控制方面發(fā)展較為成熟，在汽車方面也有研究。研究指出，渦流發(fā)生器可有效控制不同車型的尾渦分離，并在一定程度上降低整車的氣動阻力[3-5]。對于飛行器而言，加裝渦流發(fā)生器可以提高升力，但會產生附加阻力，這是因為渦流發(fā)生器的安裝擾亂了干凈翼面上的氣流流動[6]。對于更低速度的賽車來說，這一影響將更為明顯。因此，傳統(tǒng)的加裝在飛行器上的渦流發(fā)生器不適于賽車，開發(fā)一款符合賽車特定工作特點的渦流發(fā)生器才能有針對性地解決問題。

仿生學科的發(fā)展為各種問題的研究提供了新的解決方案。研究表明，信天翁飛行的能耗是目前已知鳥類中最少的，它可以利用風切變和波浪進行翱翔，在風切層上，風速增加5-10m/s，上風速度為1m/s時，風切變可以提供用于信天翁飛行的80%-90%的能量[7]。與波浪相互作用的風能夠產生渦流結構，信天翁可以利用這一渦結構在波浪背風面和波浪頂部飆升[7]。此外，信天翁有著極強的滑翔能力，每下降30cm，可以向前飛行6m[8]，被稱為滑翔冠軍。信天翁擁有著狹長的翅膀，最大可達3.5m[8]，這無疑是其滑翔能力強的原因之一，但是作為一個優(yōu)秀的飛行者，信天翁可以在不同的環(huán)境下改變飛行方式以有效地利用空氣動力。通過對信天翁在不同飛行方式下翅翼的特點進行研究，將其應用于賽車，或能為問題的解決提供新的思路。

1 原始模型及其數值模擬

1.1 原始模型

基于一款大學生方程式賽車，對其前翼—前輪區(qū)域的流場特性進行分析，研究前翼下表面氣流分離問題以及由于前翼與輪胎距離過近造成的輪前湍流擾動問題。由于對稱性，為了減少網格數量，提高計算效率，僅提取前翼—前輪的半模型作為數值模擬的原始模型。原始模型如圖1所示。

圖1 原始模型

圖2 原始模型基本尺寸

模型總長1116.68mm，寬730mm，高457.18mm，輪胎寬260mm，最小尺寸在最后一片襟翼的尾緣，半徑1.572mm。如圖2所示。

1.2 流體力學的控制方程

任何流動都必須遵守三個基本的物理學定律：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。設計車速為27m/s，馬赫數<<0.3，流體按不可壓縮流進行計算。流體在流動過程中熱交換量很小，可不考慮能量守恒定律。對于前翼-前輪區(qū)域流場的計算，采用雷諾時均化模擬，用平均值與脈動值之和代替流動變量，并對時間取平均，可由此推導出雷諾時均控制方程，用張量形式表示為：

其中，指標的取值范圍為（1，2，3）；上標—表示平均值，上標'表示脈動值；是流體速度；是流體密度；是流體的動力學壓強；是動力粘度；S為N-S方程的廣義源項，對不可壓縮流，為微元體上的體力。

1.3 計算域與網格劃分

建立原始模型計算域，形狀為一長方體，進口距模型前端為6倍模型長，出口距離模型后端9倍模型長，以保證模型湍流區(qū)充分發(fā)展，計算域寬度為3倍模型寬，高度為4倍模型高。模型中心對稱面與計算域對稱面接觸，模型輪胎底面與計算域底面接觸，坐標原點在輪胎旋轉軸線在底面的投影和計算域對稱面的交點處。坐標系及計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

采用有限體積法劃分網格，將控制方程在空間區(qū)域上離散。以三角形和四邊形混合的網格劃分方式生成面網格，根據模型尺寸設置面網格最小尺寸為1mm。體網格為六面體的切割體網格，為了更精確的模擬模型表面流場的發(fā)展，在模型表面向外拉伸3層棱柱層網格。在近模型區(qū)域設置兩個長方體加密區(qū)以詳細捕捉模型附近的流動結構，提高計算精度。網格數量約600萬。

1.4 湍流模型

考慮到標準-模型適用于低雷諾數下的墻壁束縛流動和自由剪切流動，而SST-模型使用混合函數從壁面附近的標準-模型逐漸過渡到邊界層外部的-模型，因此，SST-湍流模型更適用于具有逆壓梯度流動或分離流動的計算[9]。該模型中前翼流場流動工況是一個低雷諾數下由粘性層流向湍流的發(fā)展過程，且車輪周圍有大量漩渦，因此，應用Menter F.的SST-模型對擬研究流場區(qū)域流動進行計算，計算結果更準確可靠。SST-模型為：

1.5 邊界條件

邊界條件設置如下：計算域進口為速度進口，氣流速度為27m/s，與動態(tài)賽中賽車速度的多數值相同，方向為x正向；計算域出口為壓力出口，相對壓力=0Pa；計算域對稱面設為標準對稱平面，各流場變量法向梯度為0；計算域地面設為滑移壁面，以消除邊界效應的影響；計算域頂壁和側壁設為滑移壁面，不需要邊界層網格；模型表面為無滑移壁面。

1.6 仿真結果分析

設置步長8000步，經計算，原始模型的空氣阻力系數C為0.765 1，升力系數C為-1.6186。

本文僅研究前翼與前輪模型，由于沒有水箱、車身以及尾翼等的引導作用，氣流在流過輪胎z向最高點后，由于黏性阻力和逆壓梯度發(fā)生分離，之后在逆壓梯度作用下發(fā)生回流，形成較大的阻力，因此其阻力系數比較大。但本文中研究的是加裝渦流發(fā)生器對賽車前翼-前輪區(qū)域氣動性能的影響，討論的是相對值，原始模型的絕對氣動參數數值不會對結果造成影響。

原始模型的速度流線圖及壓力云圖如圖4所示。

圖4a 原始模型速度矢量圖

從圖4a可以看出，一方面，由于賽車前翼攻角較大，黏性作用和逆壓梯度使邊界層內流體減速，在主翼尾端氣流速度降為0，氣流脫開下翼面，在逆壓梯度作用下發(fā)生倒流，形成漩渦，增加了賽車的空氣阻力。另一方面，由于輪胎的存在，氣流撞向輪胎表面在輪胎前方形成湍流，這一湍流又與過早分離的氣流混合，聚集了較大能量，湍流縱向和橫向的動量交換引起湍流混合運動，形成了很大的阻力[11],影響了前翼的工作效果。

圖4b 原始模型壓力云圖

從圖4b可以看出，在第一片主翼尾端分離點前后，下翼面上游氣流無法保持高速，造成壓力增加，撞擊前輪的氣流進一步加劇湍流混雜，在湍流上方，輪胎前部形成高壓區(qū)。

2 加裝仿生渦流發(fā)生器的模型及其仿真分析

2.1 加裝仿生渦流發(fā)生器的模型

信天翁狹長的翅膀為其能夠數小時不扇動翅膀滑翔提供了有利的條件，其表面覆羽層結構具有與翅膀相同的走勢，能夠隨氣流浮動，有助于氣流的貼合，輔助翅膀利用氣壓差保持低能耗飛行。其表面覆羽層結構以翅膀收折節(jié)點為界，內側向內偏，外側向外偏，沿氣流流過方向呈弧形。

對信天翁鳥翼覆羽層結構進行幾何抽象，將其幾何特征應用于渦流發(fā)生器外形。該仿生渦流發(fā)生器的橫截面形狀為一等腰三角形，沿來流方向橫截面面積按一定比例增大，各橫截面對應點的連線為曲線。

仿生渦流發(fā)生器的基本結構如圖5所示。

圖5 仿生渦流發(fā)生器結構圖

圖中箭頭方向為來流方向。

其橫截面如圖6所示

圖6 仿生渦流發(fā)生器橫截面

其中，ac邊與ab邊相等。

考慮到賽車前定風翼設計攻角較大時，主翼尾部下方易發(fā)生邊界層分離，高速行駛時會產生失速，造成壓差阻力，并減小下壓力，且由于輪胎的阻隔，氣流在輪胎前方受到很大撞擊而產生較大渦流，上游氣流遇到該渦流后受到阻力不能順利的流向賽車后方，渦流發(fā)生器加裝在第二片襟翼的下表面，輪胎正前方。渦流發(fā)生器各橫截面上ac邊與第二片襟翼下表面接觸，其中，最上端橫截面的ac邊在第二片襟翼尾端的邊緣線上，ab邊指向前翼內側，即前翼中心對稱面一側，沿著來流方向，渦流發(fā)生器側邊曲線走勢與第二片襟翼走勢相同。

仿生渦流發(fā)生器與前翼的裝配關系如圖7所示。

圖7 仿生渦流發(fā)生器安裝位置

2.2 仿真結果分析

數值模擬時，對渦流發(fā)生器部分的網格進行細化，最小面網格尺寸設為0.1mm，該模型的網格劃分方式及其他仿真參數的設置與原始模型相同。經計算，加裝了仿生渦流發(fā)生器的模型空氣阻力系數C為0.7569，升力系數C為-1.6871。

表1是兩種情況下的氣動參數對比。

表1 兩種模型氣動參數對比

其中，變化量=加渦流發(fā)生器-原始，相對變化量=變化量/原始。

從表1可以看出，加裝仿生渦流發(fā)生器的模型，其阻力系數與原始模型相比有所減少，升力系數較原始模型增加且增加較為明顯。計算結果表明，加裝仿生渦流發(fā)生器的確可以使賽車前翼產生更大的下壓力，且阻力有所減小，賽車前翼的工作效果有所改進。

加裝仿生渦流發(fā)生器的模型仿真結果圖如圖8所示。

對比圖8a和圖4a可以看出，加裝仿生渦流發(fā)生器后，一方面，流過主翼下翼面的氣流在原來的分離點發(fā)生極小范圍的分離后，由于渦流發(fā)生器產生的小漩渦形成對邊界層流體的能量補充，氣流從第一片襟翼尾端才發(fā)生明顯分離，沿前翼下表面，氣流貼附程度增加，停滯區(qū)域減少，前翼下方氣流低速區(qū)減少，阻力有所減小。另一方面，由于輪胎的阻滯而在輪胎前方形成的湍流區(qū)明顯減小，湍流之間相互擠壓，整體向上發(fā)展，有削弱趨勢。

圖8a 加裝仿生渦流發(fā)生器的模型速度矢量圖

圖8b 加裝仿生渦流發(fā)生器的模型壓力云圖

對比圖8b和圖4b可以看出，加裝了仿生渦流發(fā)生器后，前翼下方壓力明顯減小，前翼上方整體高壓區(qū)沿x軸向后推移，模型下壓力增加。且輪胎前方的渦旋區(qū)壓力減小，說明其漩渦有消散趨勢。

為進一步反映加裝仿生渦流發(fā)生器對輪胎行駛阻力的影響，在輪胎前方的正壓區(qū)x=-231mm的截面上取20個樣本點，計算出每個樣本點的壓力值。圖9是兩種情況下的壓力曲線對比，橫坐標h為高度。

圖9 兩種模型壓力對比

由圖9可以看出，相對于原始模型，加裝仿生渦流發(fā)生器后的輪胎前方正壓區(qū)壓力值明顯減小，壓差阻力減小。

采用SPSS 13.0軟件對數據進行統(tǒng)計學分析。計量資料采用χ2分析，計數資料采用t檢驗，以P ＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

圖10為兩種模型的速度流線圖。

對比可知，加裝仿生渦流發(fā)生器后，氣流在輪胎前方產生的漩渦減少，向輪胎兩側的流動更加順暢，有利于制動散熱。在輪胎后方，不僅湍流區(qū)減小，且向后流動更加平順。仿生渦流發(fā)生器在引導氣體繞輪胎流動過程中起到了積極作用。

圖10 速度流線圖

3 結論

本文對信天翁覆羽進行仿生，通過幾何抽象，設計出了一種新型的仿生渦流發(fā)生器。通過數值模擬的方法研究了在賽車前翼加裝這種仿生渦流發(fā)生器對賽車氣動性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在賽車前翼下方，輪胎前方加裝該仿生渦流發(fā)生器可使賽車前翼—前輪模型的阻力系數減少1.07%，升力系數增加4.23%，升阻比增加5.37%。結果表明，即使在較低速度下，這種仿生信天翁覆羽的渦流發(fā)生器對賽車氣動性能的提升也是有益的。仿生信天翁覆羽的渦流發(fā)生器能夠為前翼下表面氣流提供能量，引導氣體流動，使前翼下表面氣流減少分離。在前翼-前輪區(qū)域湍流區(qū)減少，湍流之間相互擠壓，有向上發(fā)展并消散的趨勢。經過湍流區(qū)后，部分氣流繞過輪胎平順發(fā)展，使車輛在低速行駛時也不會產生較大阻力，甚至可以減小阻力，在引導氣體繞流的過程中還可輔助制動散熱。仿生渦流發(fā)生器的提出對渦流發(fā)生器在乘用車常見低速工況下的應用提供了理論參考，可通過改變形狀參數及安裝方式進行優(yōu)化，得出適用于具體乘用車的最優(yōu)結果。

參考文獻

[1] 李理光.中國大學生方程式汽車大賽規(guī)則 [Z].北京:中國汽車工程學會,2018.

[2] Masaru KOIKE, Tsunehisa NAGAYOSHI, Naoki HAMAMOTO. Research on Aerodynamic Drag Reduction by Vortex Generators [J]. Mitsubishi Motors Technical Review, 2004,（16）:11-16.

[3] Chitrarth Lav. Three Dimensional CFD Analysis on Aerodynamic Drag Reduction of a Bluff Tractor Trailer Body using Vortex Genera -tors [C]// Sae Commercial Vehicles Engineering Congress. 2013.

[4] 印帥.流動控制在汽車空氣動力學中的應用[D].南京:南京航空航天大學航空宇航學院,2012.

[5] K.J.Forster, T.R.White.Numerical Investigation into Vortex Genera -tors on Heavily Cambered Wings [J].AIAA Journal, 2014, 52(5): 1059-1071.

[6] Philip L.Richardson. How do albatrosses fly around the world with -out flapping their wings? [J].Progress In Oceanography,2011, 88 (1-4): 46-58.

[7] 卡爾·薩菲納,弗蘭斯·蘭廷.信天翁在世界的盡頭展翅翱翔2 [J].華夏地理,2007,（12）:92-111.

[8] 胡朋,李永樂,廖海黎.基于SSTk-ω湍流模型的平衡大氣邊界層模擬[J].空氣動力學學報,2012,30（6）:737-743.

[9] Menter F.R.Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications [J].AIAA Journal,1994,32 (8):1598-1605.

[10] H.Oertel等.普朗特流體力學基礎[M].朱自強,錢翼稷,李宗瑞,譯.北京:科學出版社,2008.

Numerical simulation of bionic vortex generators on front wing of racing car*

Han Yue1, Xin Zheng1, Cao Qingwei2, Hu Xingjun2

( 1.School of Automotive Engineering, Jilin University, Jilin Changchun 130022; 2.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Jilin Changchun 130022 )

Abstract:To improve the aerodynamic performance of a college student formula racing, a bionic vortex generator was proposed. The vortex generator was designed according to albatross wings. Numerical simulation was used to study its effects on airflow characteristics of the college student formula racing. Research shows the feasibility of bionic vortex generators as a method to improve the aerodynamic performance of the racing car. The vortex generator can effectively improve flow status between front wing and front wheel. Besides, it increases the airflow attachment length under the front wing. Results show that its drag coefficient is reduced by 1.07%, lift coefficient is increased by 4.23%, while lift-drag ratio is increased by 5.37%, compared with the original model. The bionic vortex generator can supplement energy for front wing of the racing car so that its airflow can attach better. In the other hand, it adapts to the front wing-tire action in a more gradual manner due to its structural characteristics similar to that of the lower airfoil, while at the same time guiding the airflow.

Keywords: aerodynamics; bionic vortex generator; numerical simulation; formula racing; aerodynamic performance

Document Code:A

Article ID:1671-7988(2018)22-33-05

中圖分類號：U469.6+96

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7988(2018)22-33-05

CLC NO.: U469.6+96

作者簡介：韓悅，吉林大學汽車工程學院本科。研究方向：空氣動力學。

*基金項目：國家自然科學青年基金項目（51505182）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.011