CN112092927A - 一种基于fsae赛车的涡流发生器 - Google Patents

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李晨辉
贾振东
袁京泽
张敏
张小俊
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Abstract

本发明提供一种基于FSAE赛车的涡流发生器，包括涡流发生器本体，涡流发生器本体包括一级涡流发生器和二级涡流发生器，一级涡流发生器为五面体结构，一级涡流发生器包括上楔形平面，上楔形平面包括前端直线和与前端直线的两端点连接的两条曲型侧边，两条曲型侧边的自由端相交设置，上楔形平面的前端直线处垂直设置有前迎风面，上楔形平面的两条曲型侧边处均垂直设置有曲型侧面，曲型侧面的高度由前迎风面处向后逐渐增加，连接前迎风面和曲型侧面设置有下楔形曲面，本发明具有体积小，能够在翼的失速点上游诱导有效涡流等优点。

Description

一种基于FSAE赛车的涡流发生器
技术领域
本发明属于流体力学技术领域，尤其是涉及一种基于FSAE赛车的涡流发生器。
背景技术
目前根据FSAE(Formula SAE)赛车的空气动力学发展形势，当前用来延缓流动分离的技术是在重要气动表面的法向方向放置一隔板型涡流发生器，利用其尖锐边缘诱导涡的发生，从而延缓流动分离，但是现有的赛车用涡流发生器不能准确的在翼的失速点上游诱导涡流，增加了赛车的迎风面积和阻力。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种体积小、能够在翼的失速点上游诱导有效涡流的基于FSAE赛车的涡流发生器。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于FSAE赛车的涡流发生器，包括涡流发生器本体，所述涡流发生器本体包括一级涡流发生器和二级涡流发生器，所述一级涡流发生器为五面体结构，所述一级涡流发生器包括上楔形平面，所述上楔形平面包括前端直线和与所述前端直线的两端点连接的两条曲型侧边，两条所述曲型侧边的自由端相交设置，所述上楔形平面的前端直线处垂直设置有前迎风面，所述上楔形平面的两条曲型侧边处均垂直设置有曲型侧面，所述曲型侧面的高度由前迎风面处向后逐渐增加，连接所述前迎风面和曲型侧面设置有下楔形曲面。
进一步地，所述曲型侧面位于前迎风面处的高度H1为0.5mm，位于两条所述曲型侧边相交处的高度H2为5mm。
进一步地，所述上楔形平面的前端直线的长度L1为20mm，所述上楔形平面的直线长度L2为40mm。
进一步地，所述二级涡流发生器固定设置在所述上楔形平面上，所述一级涡流发生器和二级涡流发生器为一体成型结构。
进一步地，所述二级涡流发生器呈“泪滴”结构，所述二级涡流发生器的直线长度L3为7.5mm，所述二级涡流发生器的最高处高度H3为0.5mm。
与现有技术相比，本发明具有的优点和有益效果是：
1、本发明的涡流发生器本体的结构采用一级涡流发生器和二级涡流发生器相结合的结构，一级涡流发生器采用双边缘与楔形结构的设计，前迎风面和以及涡流发生器的尾部均采用尖锐边缘结构，可同时向车身坐标系X 的负方向诱导两股旋向相反的涡流，诱导效率高，同时二级涡流发生器可减少气流在涡流发生器平面的流动分离，且有助于提升涡流发生器本体诱导出的涡流的强度。
2、本发明的涡流发生器本体的体积小，即涡流发生器本体向车辆坐标系y轴投影的面积小，因此涡流发生器本体所带来的迎风面积增长可忽略不计，有效减少阻力产生。
附图说明
图1是本发明一种基于FSAE赛车的涡流发生器的整体结构示意图。
图2是图1的主视结构示意图。
图3是图1的俯视结构示意图。
图4是图1的左视结构示意图。
图5是本发明一种基于FSAE赛车的涡流发生器安装于赛车前翼的主翼下表面的结构示意图。
图6是安装涡流发生器本体前后的FSAE赛车前翼下表面压力对比云图。
图7是FSAE赛车坐标系Y＝0.5m处负升力翼下表面的涡流发生器本体的流线图。
图8是为前翼组合翼在FSAE赛车坐标系Y＝0.5m处针对安装涡流发生器本体前后对前翼流动分离控制效果的速度截面对比云图。
图9是涡面对整个FSAE赛车的影响范围的0等值面Q-准则云图。
图中：1-一级涡流发生器；2-二级涡流发生器；3-上楔形平面；4-前迎风面；5-曲型侧面；6-下楔形曲面；301-前端直线；302-曲型侧边。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
如图1-图4所示，一种基于FSAE赛车的涡流发生器，包括涡流发生器本体，所述涡流发生器本体包括一级涡流发生器1和二级涡流发生器2，所述一级涡流发生器1为五面体结构，所述一级涡流发生器1包括上楔形平面 3，所述上楔形平面3包括前端直线301和与所述前端直线301的两端点连接的两条曲型侧边302，两条所述曲型侧边302的自由端相交设置，所述上楔形平面3的前端直线301处垂直设置有前迎风面4，所述上楔形平面3的两条曲型侧边302处均垂直设置有曲型侧面5，所述曲型侧面5的高度由前迎风面4处向后逐渐增加，连接所述前迎风面4和曲型侧面5设置有下楔形曲面6，下楔形曲面6的曲率由FSAE赛车前翼负升力翼下表面翼型曲线而定，本发明的涡流发生器本体的结构采用一级涡流发生器1和二级涡流发生器2 相结合的结构，一级涡流发生器1采用双边缘与楔形结构的设计，前迎风面 4和一级涡流发生器1的尾部均采用尖锐边缘结构，可同时向车身坐标系X 的负方向诱导两股旋向相反的涡流，诱导效率高，同时二级涡流发生器 2可减少气流在涡流发生器本体平面的流动分离，且有助于提升涡流发生器本体诱导出的涡流的强度。
进一步地，所述曲型侧面5位于前迎风面4处的高度H1为0.5mm，位于两条所述曲型侧边302相交处的高度H2为5mm。
进一步地，所述上楔形平面3的前端直线301的长度L1为20mm，所述上楔形平面3的直线长度L2为40mm。
本发明的涡流发生器本体的体积小，即涡流发生器本体向车辆坐标系y 轴投影的面积小，因此涡流发生器本体所带来的迎风面积增长可忽略不计，有效减少阻力产生。
进一步地，所述二级涡流发生器2固定设置在所述上楔形平面3上，所述一级涡流发生器1和二级涡流发生器2为一体成型结构，使涡流发生器本体的整体性好，产品精度高，表面光滑，有效减少阻力的产生。
进一步地，所述二级涡流发生器2呈“泪滴”结构，所述二级涡流发生器2的直线长度L3为7.5mm，所述二级涡流发生器2的最高处高度H3为 0.5mm，“泪滴”结构的二级涡流发生器2可减少气流在涡流发生器本体平面的流动分离，且有助于提升涡流发生器本体诱导出的涡流的强度，部分气流可在“泪滴”结构装置的诱导下，生成小尺度涡流，推迟了气流在一级涡流发生器1平面的流动分离，并在一级涡流发生器1的双边缘和楔形结构下，进一步诱导出大尺度的涡流。
实施例
涡流发生器是一种用于局部流动控制的空气动力学附件，利用其外形结构，在边缘处形成涡流并向下游传递，安装于FSAE赛车的涡流发生器通过促进下游边界层与外界的动能交换、强制近壁面流动的内外层对流来增加流动抵抗逆压梯度的能力，起到延缓流动分离的作用。
如图5所示，将本发明的涡流发生器本体安装在FSAE赛车前翼主翼的下表面，呈横向平行等间距排列，纵向安装于前翼下表面失速点上游25mm 处，两侧主翼安装6个涡流发生器，且相邻的两个涡流发生器本体的尾缘间隔50mm，所有涡流发生器本体用胶水粘贴在赛车前翼下表面。
对比安装本发明的涡流发生器本体前后的FSAE赛车前翼下表面压力，如图6所示，安装涡流发生器本体后，最大负压区面积增大，且最大负压值增大，从而前翼有更高的负升力与负升力系数，并且安装涡流发生器本体后，气流自最大负压处向箭头方向传播时，每段压力梯度的负压面积因涡流发生器增强气流抗逆压梯度能力的作用而增大，从而负升力系数提升，气动效率更高。
具体的，对安装涡流发生器前后负升力系数提升数值进行监测，将下列表1所示为未安装涡流发生器本体时前翼的负升力系数和表2所示为安装涡流发生器本体时前翼的负升力系数进行对比，在两组仿真边界条件(车速为 15m/s)、网格数等基本相等时，涡流发生器本体为前翼带来的负升力系数增益约为0.0116，涡流发生器本体通过其作用，使前翼工作在流动分离趋势更小的工况下，从而使前翼的负升力系数从0.8921增加到0.9886，增长的数值为0.0965，负升力系数提升效果明显。
表1未安装涡流发生器本体时前翼的负升力系数
Figure BDA0002737385460000051
表2安装涡流发生器本体时前翼的负升力系数
Figure BDA0002737385460000052
另外，对涡流发生器本体诱导涡流效果的显著性进行监测，如图7所示，迎风面来流经涡流发生器尖锐边缘，转换为有规律运动且能促进下游边界层与外界动能交换的涡流，涡流效果显著。
如图8所示，经对比安装涡流发生器本体前后流动分离区的影响面积，可明显观察到安装涡流发生器本体后，因其推迟流动分离的作用，流动分离区的边缘缩减，其影响面积更小，从而对赛车下游流场例如尾翼、扩散器等的影响更小，气动效率更高，赛车负升力带来的前后轴荷分配更合理。
如图9所示，在仿真软件中创建整车的等值面，设定值为0，应用Q-准则，观察涡面的影响范围，如图所示的涡流发生器本体诱导的涡流，效果明显。
因此，本发明能够准确的在翼的失速点上游诱导涡流产生，延缓了重要表面的流动分离，提高了赛车的气动效率，并且涡流效果显著，同时涡流发生器本体的结构设计有效减少了赛车的迎风面积和阻力。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种基于FSAE赛车的涡流发生器，其特征在于：包括涡流发生器本体，所述涡流发生器本体包括一级涡流发生器(1)和二级涡流发生器(2)，所述一级涡流发生器(1)为五面体结构，所述一级涡流发生器(1)包括上楔形平面(3)，所述上楔形平面(3)包括前端直线(301)和与所述前端直线(301)的两端点连接的两条曲型侧边(302)，两条所述曲型侧边(302)的自由端相交设置，所述上楔形平面(3)的前端直线(301)处垂直设置有前迎风面(4)，所述上楔形平面(3)的两条曲型侧边(302)处均垂直设置有曲型侧面(5)，所述曲型侧面(5)的高度由前迎风面(4)处向后逐渐增加，连接所述前迎风面(4)和曲型侧面(5)设置有下楔形曲面(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于FSAE赛车的涡流发生器，其特征在于：所述曲型侧面(5)位于前迎风面(4)处的高度H1为0.5mm，位于两条所述曲型侧边(302)相交处的高度H2为5mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于FSAE赛车的涡流发生器，其特征在于：所述上楔形平面(3)的前端直线(301)的长度L1为20mm，所述上楔形平面(3)的直线长度L2为40mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于FSAE赛车的涡流发生器，其特征在于：所述二级涡流发生器(2)固定设置在所述上楔形平面(3)上，所述一级涡流发生器(1)和二级涡流发生器(2)为一体成型结构。
5.根据权利要求4所述的一种基于FSAE赛车的涡流发生器，其特征在于：所述二级涡流发生器(2)呈“泪滴”结构，所述二级涡流发生器(2)的直线长度L3为7.5mm，所述二级涡流发生器(3)的最高处高度H3为0.5mm。
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