FSC方程式賽車空氣動力學(xué)套件性能分析

吳超，鄧召文，王迪

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，湖北十堰442002）

隨著大學(xué)生方程式賽車設(shè)計、制造技術(shù)的成熟，空氣動力學(xué)的研究已成為提高賽車性能的一個不容忽視的方面?？諝鈩恿W(xué)套件的應(yīng)用，對賽車產(chǎn)生更多下壓力，提升賽車高速穩(wěn)定性以及提高賽車過彎速度，具有非常關(guān)鍵的作用。

本文中對大學(xué)生方程式賽車空氣動力學(xué)套件（擴散器，前尾翼等）的設(shè)計和分析展開研究。利用理論分析與空氣動力學(xué)仿真方法，進行賽車空氣動力學(xué)特性分析，研究車身氣動造型和空氣套件的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對其空氣動力學(xué)性能的影響規(guī)律，完成前后定風(fēng)翼、擴散器的優(yōu)化設(shè)計。采用碳纖維材料，通過陰陽模技術(shù)自行設(shè)計制作高質(zhì)量、輕量化、具有良好空氣動力學(xué)性能的車身及附件，改善了空氣阻力，提升了賽車行駛的下壓力，保證了賽車高速行駛的穩(wěn)定性。

1 理論評價

通過加裝空氣動力學(xué)套件來提高賽車性能的方法最早出現(xiàn)在20世紀60年代，通過給賽車加裝定風(fēng)翼，在不增加過多額外重量的前提下，提高輪胎的載荷來提升賽車性能[1]。賽車加裝翼片會增加重量，但是其所產(chǎn)生的動力學(xué)效果遠要大于其重量的增加，但同時會增加額外阻力。翼片產(chǎn)生的下壓力可由式（1）計算得到[2]，升力系數(shù)Cl取決與翼片的形狀和攻角。

式中：Fwl為升力或下壓力；ρ為穿過翼片介質(zhì)的密度；Cl為升力系數(shù)；Aω為翼片面積；υ為介質(zhì)穿過翼片速度。

加裝翼片后，阻力Fw產(chǎn)生的影響抵消了部分汽車前進的牽引力，車身的阻力計算如式（2）所示，阻力系數(shù)Cd取決與形狀和攻角的設(shè)置。

2 空氣動力學(xué)套件設(shè)計

2.1 翼片理論

空氣動力學(xué)理論證明合理設(shè)計翼片可以增加翼片所產(chǎn)生的下壓力。由翼片截面形狀決定的翼片尺寸和面積會影響到升力系數(shù)和阻力系數(shù)的大小。翼片的面積由翼片的翼展、彎度、弦長決定，翼片參數(shù)解釋如圖1所示。

決定前翼和尾翼安裝位置最重要的參數(shù)是下壓力的分配及壓力中心的位置。壓力中心的位置在賽車的重心后部。隨著賽車速度提升，其受到的下壓力增大，同時載荷向后輪轉(zhuǎn)移，后輪載荷增加。使賽車在低速彎時實現(xiàn)轉(zhuǎn)向過度，但是在高速彎能更快更穩(wěn)地通過[3]，壓力中心位置分布如圖2所示，由式（3）得出壓力中心與各參數(shù)關(guān)系：

圖3 主翼翼型參數(shù)

圖1 翼片的解釋

式中：Xcp為壓力中心相對重心偏移量；Fr為尾翼下壓力；Ff為前翼下壓力；xr為尾翼壓力中心相對重心偏移量；xf為前翼壓力中心相對重心偏移量；Mr為尾翼轉(zhuǎn)矩；Mf為前翼轉(zhuǎn)矩。

圖2 前尾翼位置配比

2.2 翼型選擇

翼片的阻力取決于翼片的大小和形狀，進而影響到下壓力。根據(jù)賽車的行駛工況，選擇適合低速條件下的翼型。在飛行器設(shè)計軟件Pofili的翼型庫里，通過分析和比較，最終確定了主要翼型，主翼翼型參數(shù)如圖3所示，襟翼翼型參數(shù)如圖4所示。

圖4 襟翼翼型參數(shù)

如果翼片曲率過大，就不能產(chǎn)生足夠大的下壓力，或者會導(dǎo)致氣流分離，那么使用翼片組合的方式則可以解決這個問題。賽車上最常見的方法是使用主翼和襟翼組合，襟翼是一種比主翼小的翼片，安裝在主翼的后面[4]。

要求提升翼片的面積，并且提高有效弧形，卻不會發(fā)生氣流分離，需要考慮的一個關(guān)鍵參數(shù)是主翼與襟翼之間間隙的大小。在經(jīng)過大量的CFD計算后，對計算結(jié)果進行分析比較，確定最終翼片的參數(shù)，如表1所示。

在進行CFD 仿真分析時，考慮到賽車實際行駛工況，仿真分析的邊界條件進行見表2[5]。

表1 尾翼對比參數(shù)

表2 CFD仿真邊界條件設(shè)置

綜合分析賽車行駛工況以及其在不同工況下所需的下壓力，選擇Cl值為-4.58，Cd為1.14 這一組參數(shù)作為尾翼攻角最大時的空氣動力學(xué)參數(shù)。其翼片之間的幾何參數(shù)為，縱向間隙3.1%和5.6%的弦長，軸向間隙6.9%和13.7%的弦長，這個結(jié)果符合文獻[6]中所提到的翼型組合幾何參數(shù)的比例。前翼也可以用同樣的方法獲得。

2.3 端板

另一種提升翼片性能的方法是使用不同形狀的端板，端板安裝在翼片端部的邊緣，可以提升下壓力并且降低阻力。在翼片的邊緣，氣流從高壓區(qū)流向低壓區(qū)，降低了整個翼片的性能，同時也產(chǎn)生渦流，這將產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力。加上端板能減少空氣從高壓區(qū)流向低壓區(qū)，從而減小翼片產(chǎn)生的阻力，提升翼片效果。

3 CAE分析結(jié)果

3.1 尾翼

對FSC賽車上使用的尾翼而言，采用多翼片疊加原理，誘導(dǎo)氣流加速遠離賽車尾部。影響FSC賽車尾翼空氣動力學(xué)特性的基本參數(shù)有翼片攻角、翼片間的間隙等[7]。此次分析中，建立了不同參數(shù)下的尾翼模型，考慮到過大攻角可能會產(chǎn)生的失速問題，主翼攻角在5°～10°范圍內(nèi)，襟翼攻角在25°～45°范圍內(nèi)。

由優(yōu)化結(jié)果可以得到，尾翼產(chǎn)生下壓力是493 N，阻力是123 N，這個結(jié)果與最初設(shè)想的尾翼產(chǎn)生大約500 N 下壓力，大約100 N 阻力相差不大，滿足預(yù)期。圖5是尾翼經(jīng)CFD分析云圖。

在流體力學(xué)中，失速是指翼型氣動攻角增加到一定程度（達到臨界值）時，翼型所產(chǎn)生的升力突然減小的一種狀態(tài)。翼型攻角超過該臨界值之前，翼型的升力是隨迎角增加而遞增的；但是攻角超過該臨界值后，翼型的升力將遞減。

3.2 前翼

根據(jù)式（4）的計算，賽車的風(fēng)壓中心應(yīng)該在賽車重心縱向后方76 mm左右。根據(jù)此結(jié)論，采用受力平衡計算方式估算前翼下壓力的范圍大概在300 N左右，根據(jù)已優(yōu)化好的尾翼參數(shù)匹配出前翼的參數(shù)范圍。結(jié)構(gòu)如圖6a所示。

圖5 尾翼CFD分析

考慮到賽車使用的是直徑為254 mm的輪輞，整車高度進一步降低，為了保證能有足夠的氣流流入側(cè)箱的散熱器上，將第2 片襟翼斷開，用這種方式避免氣流整體繞過輪胎和側(cè)箱。前翼的最終模型如圖6b所示。

圖7為前翼經(jīng)CFD分析的云圖。

圖6 前翼模型

圖7 前翼CFD分析云圖

3.3 擴散器

根據(jù)賽車的結(jié)構(gòu)特點以及車架設(shè)計的最終結(jié)果，采用雙通道的擴散器設(shè)計方案能最大限度利用賽車底部空間，給賽車提供更大的下壓力。擴散器2個通道中間是平整的曲面，有利于氣流的高速通過。兩側(cè)通道的氣流流過前輪后進入通道內(nèi)部，2個通道利用的是文丘里效應(yīng)，在通道高度最低處流速最大，因此此處附近壓差最大，產(chǎn)生下壓力最大，其結(jié)構(gòu)如圖8a所示，擴散器CFD分析的三維流線如圖8b所示。

圖8 擴散器模型及流線圖

3.4 整車仿真

對于一輛賽車而言，單純地分析空氣動力學(xué)套件的意義并不是很大，需要將空氣套件裝配在賽車上，討論整車的流場分析和試驗結(jié)果，才能判斷賽車的空氣動力學(xué)特性是否可觀。在最初的設(shè)計階段，進行整車空氣動力學(xué)特性分析最有效的方法就是通過計算機仿真進行數(shù)值模擬。此次模擬就是通過賽車加裝空氣動力學(xué)套件前后的數(shù)值模擬過程，依據(jù)仿真結(jié)果評判賽車的空氣動力學(xué)特性。結(jié)果如表3所示。

圖9～12為整車仿真過程中，有無空套空氣動力學(xué)分析云圖的對比。

表3 有無空套空氣動力學(xué)特性對比

圖9 壓力云圖

圖10 速度云圖

圖11 速度流線正視圖

圖12 速度流線俯視圖

4 圈速仿真

CFD 仿真只能模擬賽車行駛時的空氣動力學(xué)參數(shù)，為了更加真實地評估賽車的性能和空氣動力學(xué)套件的作用，需要做一些其他方面的仿真，更加完整地模擬賽車行駛工況。

Optimumlap是一個簡化的車輛動力學(xué)仿真，這樣做是為了在短時間內(nèi)獲得一個準確、有用的數(shù)據(jù)。這是通過簡化賽車，并且采用10個最重要的參數(shù)進行模擬，每一個參數(shù)都代表賽車的一個重要部分。Optimumlap 采用準穩(wěn)態(tài)模型來模擬車輛。準穩(wěn)態(tài)模型是指假象的穩(wěn)態(tài)，實際是沒有的。這個模型很容易理解。只需要投入很少的東西，就可以模擬一個完整的汽車模型。通過優(yōu)化顯示，直線加速、過彎速度、單圈時間、能量消耗的實際誤差在10%之內(nèi)。還可以分析其他的結(jié)果，即質(zhì)量、空氣動力學(xué)、懸架和輪胎、功率特性和變速箱特性。這可以使仿真工具在設(shè)計的初期使用。該軟件可以對直線加速、八字環(huán)繞、高速避障等比賽項目進行模擬仿真。表4為Optimumlap仿真時的參數(shù)設(shè)置。

表4 Optimumlap參數(shù)設(shè)置

圖13 Optimumlap仿真曲線

模擬過程中，分析了直線加速、八字環(huán)繞、高速避障3種工況，其中賽道使用的是FSG2012的賽道。3種工況仿真結(jié)果證明：最初的設(shè)計思路是正確的，而且性能達到預(yù)期。

在直線加速的過程中，由于加裝空套，阻力增加，所以直線加速工況下，賽車的平均速度較小，時間會變長，其仿真圖線如圖13a所示。

在八字環(huán)繞項目中，由于考慮到賽車所處的速度比較小，空套產(chǎn)生的效果小，所以實際過程中，空套產(chǎn)生的效果沒有仿真的結(jié)果那么顯著，其仿真圖線如圖13b所示。

在八字環(huán)繞項目中，考慮到賽車在高速避障仿真中，帶空套的賽車會有更快的過彎速度。因此圈速也就更快，其仿真圖線如圖13c所示。

在八字環(huán)繞項目中，考慮到賽車作為Optimumlap仿真的總結(jié)，對于各種動態(tài)測試，與理論結(jié)果相比較，F(xiàn)SC方程式加裝空氣動力學(xué)套件之后：

1）直線加速：近似或稍慢；

2）八字繞環(huán)：相似或更快；

3）高速避障和耐久：直線加速稍慢、過彎性能顯著提高、側(cè)向加速度更大、回轉(zhuǎn)速度更快、制動性更好，但空套會導(dǎo)致經(jīng)濟性下降。

5 結(jié)論

以2014年中國大學(xué)生方程式汽車大賽賽車車身、空氣動力學(xué)套件作為研究對象，完成了車身、空氣套件的設(shè)計與優(yōu)化，并進行了數(shù)值模擬分析。其結(jié)果表明：賽車在加裝空氣動力學(xué)套件之后，對賽車過彎性能和操控性有明顯提升；驗證了空氣套件的設(shè)計思路基本正確，同時也為大學(xué)生方程式賽車空氣動力學(xué)套件的設(shè)計和優(yōu)化提供借鑒。

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