吳超，鄧召文，王迪

（湖北汽車工業(yè)學院汽車工程學院，湖北十堰442002）

隨著大學生方程式賽車設計、制造技術的成熟，空氣動力學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套件的應用，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，具有非常關鍵的作用。

本文中對大學生方程式賽車空氣動力學套件（擴散器，前尾翼等）的設計和分析展開研究。利用理論分析與空氣動力學仿真方法，進行賽車空氣動力學特性分析，研究車身氣動造型和空氣套件的相關結(jié)構參數(shù)對其空氣動力學性能的影響規(guī)律，完成前后定風翼、擴散器的優(yōu)化設計。采用碳纖維材料，通過陰陽模技術自行設計制作高質(zhì)量、輕量化、具有良好空氣動力學性能的車身及附件，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置。

2 空氣動力學套件設計

2.1 翼片理論

空氣動力學理論證明合理設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，誘導氣流加速遠離賽車尾部。影響FSC賽車尾翼空氣動力學特性的基本參數(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，滿足預期。圖5是尾翼經(jīng)CFD分析云圖。

在流體力學中，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，賽車的風壓中心應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)構特點以及車架設計的最終結(jié)果，采用雙通道的擴散器設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，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特性是否可觀。在最初的設計階段，進行整車空氣動力學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分析云圖的對比。

表3 有無空套空氣動力學特性對比

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參數(shù)，為了更加真實地評估賽車的性能和空氣動力學套件的作用，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、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)設置。

表4 Optimumlap參數(shù)設置

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：最初的設計思路是正確的，而且性能達到預期。

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，但空套會導致經(jīng)濟性下降。

5 結(jié)論

以2014年中國大學生方程式汽車大賽賽車車身、空氣動力學套件作為研究對象，完成了車身、空氣套件的設計與優(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計思路基本正確，同時也為大學生方程式賽車空氣動力學套件的設計和優(yōu)化提供借鑒。

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