仿生涡流发生器在赛车前翼上的数值研究*

韩悦，辛政，曹庆炜，胡兴军



仿生涡流发生器在赛车前翼上的数值研究*

韩悦1，辛政1，曹庆炜2，胡兴军2

（1.吉林大学汽车工程学院，吉林 长春 130022；2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130022）

为改善一款大学生方程式赛车的空气动力学性能，结合信天翁覆羽和涡流发生器进行研究，提出一种仿生涡流发生器。采用数值模拟的方法对比研究仿生涡流发生器对赛车前翼及轮胎周围气流状态的影响。研究表明，加装仿生涡流发生器可以有效改善前翼-轮胎区域的气流状态，前翼下表面气流附着长度增加，模型阻力系数C比原始减小1.07%，升力系数C增加4.23%，升阻比增加5.37%，前翼气动性能得到提升。仿生信天翁覆羽的涡流发生器不仅能够提供能量辅助气流附着，并且由于其与下翼面走势相似的结构特点，能够引导气流流动，使气流以更缓和的方式适应前翼-轮胎区域的流场工况。

空气动力学；仿生涡流发生器；数值模拟；方程式赛车；气动性能

前言

由于中国大学生方程式汽车大赛对赛车设计有严格的要求和限制[1]，通过改变前翼翼型及尺寸来改善前翼的工作效果难以实现，而涡流发生器可以有效减少赛车的气动阻力且不需要额外的能量[2]，因此，加装涡流发生器来提高赛车的气动性能具有现实意义。现有涡流发生器在飞行器流动控制方面发展较为成熟，在汽车方面也有研究。研究指出，涡流发生器可有效控制不同车型的尾涡分离，并在一定程度上降低整车的气动阻力[3-5]。对于飞行器而言，加装涡流发生器可以提高升力，但会产生附加阻力，这是因为涡流发生器的安装扰乱了干净翼面上的气流流动[6]。对于更低速度的赛车来说，这一影响将更为明显。因此，传统的加装在飞行器上的涡流发生器不适于赛车，开发一款符合赛车特定工作特点的涡流发生器才能有针对性地解决问题。

仿生学科的发展为各种问题的研究提供了新的解决方案。研究表明，信天翁飞行的能耗是目前已知鸟类中最少的，它可以利用风切变和波浪进行翱翔，在风切层上，风速增加5-10m/s，上风速度为1m/s时，风切变可以提供用于信天翁飞行的80%-90%的能量[7]。与波浪相互作用的风能够产生涡流结构，信天翁可以利用这一涡结构在波浪背风面和波浪顶部飙升[7]。此外，信天翁有着极强的滑翔能力，每下降30cm，可以向前飞行6m[8]，被称为滑翔冠军。信天翁拥有着狭长的翅膀，最大可达3.5m[8]，这无疑是其滑翔能力强的原因之一，但是作为一个优秀的飞行者，信天翁可以在不同的环境下改变飞行方式以有效地利用空气动力。通过对信天翁在不同飞行方式下翅翼的特点进行研究，将其应用于赛车，或能为问题的解决提供新的思路。

1 原始模型及其数值模拟

1.1 原始模型

基于一款大学生方程式赛车，对其前翼—前轮区域的流场特性进行分析，研究前翼下表面气流分离问题以及由于前翼与轮胎距离过近造成的轮前湍流扰动问题。由于对称性，为了减少网格数量，提高计算效率，仅提取前翼—前轮的半模型作为数值模拟的原始模型。原始模型如图1所示。

图1 原始模型

图2 原始模型基本尺寸

模型总长1116.68mm，宽730mm，高457.18mm，轮胎宽260mm，最小尺寸在最后一片襟翼的尾缘，半径1.572mm。如图2所示。

1.2 流体力学的控制方程

任何流动都必须遵守三个基本的物理学定律：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。设计车速为27m/s，马赫数<<0.3，流体按不可压缩流进行计算。流体在流动过程中热交换量很小，可不考虑能量守恒定律。对于前翼-前轮区域流场的计算，采用雷诺时均化模拟，用平均值与脉动值之和代替流动变量，并对时间取平均，可由此推导出雷诺时均控制方程，用张量形式表示为：

其中，指标的取值范围为（1，2，3）；上标—表示平均值，上标'表示脉动值；是流体速度；是流体密度；是流体的动力学压强；是动力粘度；S为N-S方程的广义源项，对不可压缩流，为微元体上的体力。

1.3 计算域与网格划分

建立原始模型计算域，形状为一长方体，进口距模型前端为6倍模型长，出口距离模型后端9倍模型长，以保证模型湍流区充分发展，计算域宽度为3倍模型宽，高度为4倍模型高。模型中心对称面与计算域对称面接触，模型轮胎底面与计算域底面接触，坐标原点在轮胎旋转轴线在底面的投影和计算域对称面的交点处。坐标系及计算模型如图3所示。

图3 计算模型

采用有限体积法划分网格，将控制方程在空间区域上离散。以三角形和四边形混合的网格划分方式生成面网格，根据模型尺寸设置面网格最小尺寸为1mm。体网格为六面体的切割体网格，为了更精确的模拟模型表面流场的发展，在模型表面向外拉伸3层棱柱层网格。在近模型区域设置两个长方体加密区以详细捕捉模型附近的流动结构，提高计算精度。网格数量约600万。

1.4 湍流模型

考虑到标准-模型适用于低雷诺数下的墙壁束缚流动和自由剪切流动，而SST-模型使用混合函数从壁面附近的标准-模型逐渐过渡到边界层外部的-模型，因此，SST-湍流模型更适用于具有逆压梯度流动或分离流动的计算[9]。该模型中前翼流场流动工况是一个低雷诺数下由粘性层流向湍流的发展过程，且车轮周围有大量漩涡，因此，应用Menter F.的SST-模型对拟研究流场区域流动进行计算，计算结果更准确可靠。SST-模型为：

1.5 边界条件

边界条件设置如下：计算域进口为速度进口，气流速度为27m/s，与动态赛中赛车速度的多数值相同，方向为x正向；计算域出口为压力出口，相对压力=0Pa；计算域对称面设为标准对称平面，各流场变量法向梯度为0；计算域地面设为滑移壁面，以消除边界效应的影响；计算域顶壁和侧壁设为滑移壁面，不需要边界层网格；模型表面为无滑移壁面。

1.6 仿真结果分析

设置步长8000步，经计算，原始模型的空气阻力系数C为0.765 1，升力系数C为-1.6186。

本文仅研究前翼与前轮模型，由于没有水箱、车身以及尾翼等的引导作用，气流在流过轮胎z向最高点后，由于黏性阻力和逆压梯度发生分离，之后在逆压梯度作用下发生回流，形成较大的阻力，因此其阻力系数比较大。但本文中研究的是加装涡流发生器对赛车前翼-前轮区域气动性能的影响，讨论的是相对值，原始模型的绝对气动参数数值不会对结果造成影响。

原始模型的速度流线图及压力云图如图4所示。

图4a 原始模型速度矢量图

从图4a可以看出，一方面，由于赛车前翼攻角较大，黏性作用和逆压梯度使边界层内流体减速，在主翼尾端气流速度降为0，气流脱开下翼面，在逆压梯度作用下发生倒流，形成漩涡，增加了赛车的空气阻力。另一方面，由于轮胎的存在，气流撞向轮胎表面在轮胎前方形成湍流，这一湍流又与过早分离的气流混合，聚集了较大能量，湍流纵向和横向的动量交换引起湍流混合运动，形成了很大的阻力[11],影响了前翼的工作效果。

图4b 原始模型压力云图

从图4b可以看出，在第一片主翼尾端分离点前后，下翼面上游气流无法保持高速，造成压力增加，撞击前轮的气流进一步加剧湍流混杂，在湍流上方，轮胎前部形成高压区。

2 加装仿生涡流发生器的模型及其仿真分析

2.1 加装仿生涡流发生器的模型

信天翁狭长的翅膀为其能够数小时不扇动翅膀滑翔提供了有利的条件，其表面覆羽层结构具有与翅膀相同的走势，能够随气流浮动，有助于气流的贴合，辅助翅膀利用气压差保持低能耗飞行。其表面覆羽层结构以翅膀收折节点为界，内侧向内偏，外侧向外偏，沿气流流过方向呈弧形。

对信天翁鸟翼覆羽层结构进行几何抽象，将其几何特征应用于涡流发生器外形。该仿生涡流发生器的横截面形状为一等腰三角形，沿来流方向横截面面积按一定比例增大，各横截面对应点的连线为曲线。

仿生涡流发生器的基本结构如图5所示。

图5 仿生涡流发生器结构图

图中箭头方向为来流方向。

其横截面如图6所示

图6 仿生涡流发生器横截面

其中，ac边与ab边相等。

考虑到赛车前定风翼设计攻角较大时，主翼尾部下方易发生边界层分离，高速行驶时会产生失速，造成压差阻力，并减小下压力，且由于轮胎的阻隔，气流在轮胎前方受到很大撞击而产生较大涡流，上游气流遇到该涡流后受到阻力不能顺利的流向赛车后方，涡流发生器加装在第二片襟翼的下表面，轮胎正前方。涡流发生器各横截面上ac边与第二片襟翼下表面接触，其中，最上端横截面的ac边在第二片襟翼尾端的边缘线上，ab边指向前翼内侧，即前翼中心对称面一侧，沿着来流方向，涡流发生器侧边曲线走势与第二片襟翼走势相同。

仿生涡流发生器与前翼的装配关系如图7所示。

图7 仿生涡流发生器安装位置

2.2 仿真结果分析

数值模拟时，对涡流发生器部分的网格进行细化，最小面网格尺寸设为0.1mm，该模型的网格划分方式及其他仿真参数的设置与原始模型相同。经计算，加装了仿生涡流发生器的模型空气阻力系数C为0.7569，升力系数C为-1.6871。

表1是两种情况下的气动参数对比。

表1 两种模型气动参数对比

其中，变化量=加涡流发生器-原始，相对变化量=变化量/原始。

从表1可以看出，加装仿生涡流发生器的模型，其阻力系数与原始模型相比有所减少，升力系数较原始模型增加且增加较为明显。计算结果表明，加装仿生涡流发生器的确可以使赛车前翼产生更大的下压力，且阻力有所减小，赛车前翼的工作效果有所改进。

加装仿生涡流发生器的模型仿真结果图如图8所示。

对比图8a和图4a可以看出，加装仿生涡流发生器后，一方面，流过主翼下翼面的气流在原来的分离点发生极小范围的分离后，由于涡流发生器产生的小漩涡形成对边界层流体的能量补充，气流从第一片襟翼尾端才发生明显分离，沿前翼下表面，气流贴附程度增加，停滞区域减少，前翼下方气流低速区减少，阻力有所减小。另一方面，由于轮胎的阻滞而在轮胎前方形成的湍流区明显减小，湍流之间相互挤压，整体向上发展，有削弱趋势。

图8a 加装仿生涡流发生器的模型速度矢量图

图8b 加装仿生涡流发生器的模型压力云图

对比图8b和图4b可以看出，加装了仿生涡流发生器后，前翼下方压力明显减小，前翼上方整体高压区沿x轴向后推移，模型下压力增加。且轮胎前方的涡旋区压力减小，说明其漩涡有消散趋势。

为进一步反映加装仿生涡流发生器对轮胎行驶阻力的影响，在轮胎前方的正压区x=-231mm的截面上取20个样本点，计算出每个样本点的压力值。图9是两种情况下的压力曲线对比，横坐标h为高度。

图9 两种模型压力对比

由图9可以看出，相对于原始模型，加装仿生涡流发生器后的轮胎前方正压区压力值明显减小，压差阻力减小。

采用SPSS 13.0软件对数据进行统计学分析。计量资料采用χ2分析，计数资料采用t检验，以P ＜0.05为差异有统计学意义。

图10为两种模型的速度流线图。

对比可知，加装仿生涡流发生器后，气流在轮胎前方产生的漩涡减少，向轮胎两侧的流动更加顺畅，有利于制动散热。在轮胎后方，不仅湍流区减小，且向后流动更加平顺。仿生涡流发生器在引导气体绕轮胎流动过程中起到了积极作用。

图10 速度流线图

3 结论

本文对信天翁覆羽进行仿生，通过几何抽象，设计出了一种新型的仿生涡流发生器。通过数值模拟的方法研究了在赛车前翼加装这种仿生涡流发生器对赛车气动性能的影响。研究发现，在赛车前翼下方，轮胎前方加装该仿生涡流发生器可使赛车前翼—前轮模型的阻力系数减少1.07%，升力系数增加4.23%，升阻比增加5.37%。结果表明，即使在较低速度下，这种仿生信天翁覆羽的涡流发生器对赛车气动性能的提升也是有益的。仿生信天翁覆羽的涡流发生器能够为前翼下表面气流提供能量，引导气体流动，使前翼下表面气流减少分离。在前翼-前轮区域湍流区减少，湍流之间相互挤压，有向上发展并消散的趋势。经过湍流区后，部分气流绕过轮胎平顺发展，使车辆在低速行驶时也不会产生较大阻力，甚至可以减小阻力，在引导气体绕流的过程中还可辅助制动散热。仿生涡流发生器的提出对涡流发生器在乘用车常见低速工况下的应用提供了理论参考，可通过改变形状参数及安装方式进行优化，得出适用于具体乘用车的最优结果。

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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

中图分类号：U469.6+96

文献标志码：A

文章编号：1671-7988(2018)22-33-05

CLC NO.: U469.6+96

作者简介：韩悦，吉林大学汽车工程学院本科。研究方向：空气动力学。

*基金项目：国家自然科学青年基金项目（51505182）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.011