摘 要：空氣動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析是方程式賽車(chē)中極其重要的一部分，本篇綜述的設(shè)計(jì)與分析是基于現(xiàn)有的一些關(guān)于FSC大學(xué)生方程式賽車(chē)和其他類(lèi)別的方程式賽車(chē)的研究而進(jìn)行的，主要研究對(duì)象是可用于FSC賽事的空氣動(dòng)力學(xué)套件和尾翼。首先對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和模擬結(jié)果進(jìn)行分析，然后將得出的結(jié)論結(jié)合，最后得出提高賽車(chē)氣動(dòng)性能的改進(jìn)方案，與這些方案的其他應(yīng)用前景結(jié)合。

關(guān)鍵詞：方程式賽車(chē) 空氣動(dòng)力學(xué) 設(shè)計(jì)與分析

大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽是一項(xiàng)具有國(guó)際影響力的賽事，它旨在推動(dòng)全球高等教育中汽車(chē)工程領(lǐng)域的教育和交流。在這個(gè)賽場(chǎng)上，各路精英云集，共同挑戰(zhàn)速度與激情的極限，一展雄風(fēng)。

該賽事由一系列靜態(tài)和動(dòng)態(tài)項(xiàng)目組成，全面考察參賽隊(duì)伍在汽車(chē)設(shè)計(jì)、制造、營(yíng)銷(xiāo)等方面的綜合能力。靜態(tài)項(xiàng)目包括設(shè)計(jì)審查、成本與商業(yè)計(jì)劃等，而動(dòng)態(tài)項(xiàng)目則涵蓋了直線加速、剎車(chē)、操控性等嚴(yán)苛的考驗(yàn)。參賽者需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，自行設(shè)計(jì)和制造一輛符合賽事標(biāo)準(zhǔn)的方程式賽車(chē)，并在賽場(chǎng)上展現(xiàn)出卓越的性能。

大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽不僅是一個(gè)競(jìng)技場(chǎng)，更是一個(gè)創(chuàng)新和學(xué)習(xí)的平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上，參賽者們可以充分展示自己的才華和創(chuàng)意，同時(shí)也能從其他隊(duì)伍身上學(xué)到寶貴的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。通過(guò)賽事的歷練，他們將在未來(lái)的職業(yè)生涯中更好地發(fā)揮自己的價(jià)值，為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

值得一提的是，大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽還為參賽者提供了一個(gè)難得的交流機(jī)會(huì)。在這里，他們可以結(jié)識(shí)來(lái)自世界各地的同行，拓寬國(guó)際視野，增進(jìn)友誼。這些交流與合作對(duì)于促進(jìn)全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的共同進(jìn)步具有重要意義。

總的來(lái)說(shuō)，大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽是一個(gè)集創(chuàng)新、競(jìng)技、學(xué)習(xí)、交流于一體的平臺(tái)。它不僅激發(fā)了年輕人的創(chuàng)新熱情和團(tuán)隊(duì)合作精神，還為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展注入了源源不斷的活力。

隨著大學(xué)生方程式賽車(chē)比賽的迅速進(jìn)步，參賽車(chē)輛的整體表現(xiàn)不斷提升。特別是在空氣動(dòng)力學(xué)性能領(lǐng)域的探索成為眾多院校團(tuán)隊(duì)的核心課題之一。優(yōu)秀的空氣動(dòng)力學(xué)性能夠極大地增強(qiáng)車(chē)輛駕駛過(guò)程中的穩(wěn)定性和操控精度。車(chē)身上的空氣動(dòng)力學(xué)組件不僅直接關(guān)系到整個(gè)車(chē)體面對(duì)風(fēng)阻的表現(xiàn)，而且作為承載元件，還需符合特定振動(dòng)模式及堅(jiān)固程度的標(biāo)準(zhǔn)。所以在規(guī)劃這些關(guān)鍵部件時(shí)，必須綜合考量其對(duì)于提高整體空氣動(dòng)力學(xué)的作用以及它們自身應(yīng)具備的物理強(qiáng)度條件。

該文聚焦于大學(xué)生參與設(shè)計(jì)的方程式賽車(chē)，旨在通過(guò)提升其空氣動(dòng)力學(xué)組件的整體效能來(lái)進(jìn)行深入探討。文章不僅致力于改善車(chē)輛整體上的氣動(dòng)特性，還運(yùn)用了多種工程技術(shù)手段如振動(dòng)模式評(píng)估、硬度測(cè)試以及流體－固體相互作用仿真等技術(shù)來(lái)檢驗(yàn)各相關(guān)零件的設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足力學(xué)強(qiáng)度的要求。這一系列的研究工作有助于確保設(shè)計(jì)方案既科學(xué)又貼近現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

1 FSC方程式賽車(chē)尾翼的氣動(dòng)性能領(lǐng)域的研究進(jìn)展

1.1 可調(diào)式尾翼設(shè)計(jì)

為了提高賽車(chē)在不同賽況下的性能，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了可調(diào)式尾翼，通過(guò)改變上層翼片的攻角來(lái)適應(yīng)不同的賽道條件。這種設(shè)計(jì)可以在轉(zhuǎn)彎時(shí)提供充足的下壓力，而在直道加速時(shí)減少阻力。利用fluent等仿真軟件進(jìn)行流場(chǎng)仿真，指導(dǎo)尾翼的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以滿(mǎn)足比賽的需求。

可調(diào)式尾翼系統(tǒng)（DRS）是賽車(chē)領(lǐng)域采用的一種技術(shù)手段，其主要目標(biāo)是在確保車(chē)輛維持必要的抓地力及操作穩(wěn)定性的同時(shí)，提升直線路段上的行駛速度。

DRS的主要目的是在賽車(chē)的直線部分減少空氣阻力，以便賽車(chē)能夠達(dá)到更高的速度。在彎道上，DRS關(guān)閉以保持賽車(chē)的下壓力，提高過(guò)彎穩(wěn)定性。DRS技術(shù)最初在2011年的F1賽季中引入，旨在增加比賽中的超車(chē)機(jī)會(huì)，提高比賽的觀賞性。除了F1，其他賽車(chē)賽事，如FSC（大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽），也采用了類(lèi)似的可調(diào)尾翼技術(shù)，以適應(yīng)不同的賽道條件和提高賽車(chē)性能。

下述為一特定車(chē)隊(duì)所使用的尾翼設(shè)計(jì)概覽（見(jiàn)圖1），該部件主要是采用碳纖維構(gòu)建而成。此裝置包含了六個(gè)關(guān)鍵部分：主翼、左右端板、襟翼1、襟翼2、連桿機(jī)構(gòu)和舵機(jī)。具體而言，主翼被穩(wěn)固地安置于端板之上而不會(huì)發(fā)生位移；連桿及舵機(jī)則配置在端板上面；同時(shí)，兩個(gè)可調(diào)式的襟翼1、襟翼2均以活動(dòng)的方式連接于端板邊緣。

使用ANSYS軟件進(jìn)行仿真，得出圖2的仿真數(shù)據(jù)，其中展示的是當(dāng)風(fēng)速為水平方向15 m/s時(shí)，尾翼在不同狀態(tài)下空氣水平壓強(qiáng)分布。當(dāng)DRS系統(tǒng)未啟用時(shí)，襟翼設(shè)定在一個(gè)較大的傾斜角度，在這種狀態(tài)下，其遭遇的最大氣動(dòng)阻力系數(shù)為0.2030，并且感受到最大的空氣下壓力系數(shù)達(dá)到了0.4998。而一旦激活了DRS功能，襟翼則會(huì)調(diào)整至幾乎平行于地面的位置，隨之而來(lái)的是顯著降低的空氣阻力系數(shù)降至0.0237，同時(shí)空氣下壓力系數(shù)也隨之減弱到了僅0.1173（圖3）。

由模擬結(jié)果可以得出當(dāng)賽車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)，應(yīng)當(dāng)停用DRS系統(tǒng)來(lái)提高車(chē)身的空氣下壓力，這樣能夠擴(kuò)大賽車(chē)后輪與地面的有效接觸區(qū)域并加大其承受的壓力，從而增強(qiáng)抓地性能，進(jìn)而優(yōu)化了通過(guò)彎道的速度表現(xiàn)。而當(dāng)賽車(chē)進(jìn)行直線加速時(shí)，應(yīng)該打開(kāi)DRS，讓三個(gè)襟翼處于水平狀態(tài)，減少賽車(chē)后輪與路面的接觸面積，從而減少摩擦，提升圈速。

1.2 氣動(dòng)性能與賽車(chē)性能匹配

研究者們還關(guān)注了空氣動(dòng)力學(xué)套件（包括前翼、尾翼和擴(kuò)散器）與賽車(chē)性能的匹配問(wèn)題。通過(guò)CFD軟件進(jìn)行流場(chǎng)分析，并在此基礎(chǔ)上完成賽車(chē)空套的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高賽車(chē)的操穩(wěn)性和安全性。

以下是基于 FLUENT 的 FSC 賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析（圖4、圖5）。

通過(guò)觀察圖6中展示的對(duì)稱(chēng)面（symmetry）壓強(qiáng)等高線圖可以發(fā)現(xiàn)，在配備了空氣動(dòng)力學(xué)組件的情況下，尤其是在安裝了前翼之后，賽車(chē)鼻錐部分存在一個(gè)顯著擴(kuò)大的高壓區(qū)域。這一現(xiàn)象導(dǎo)致行車(chē)時(shí)所受迎風(fēng)阻力有所提升。此外，從壓強(qiáng)等高線圖還可以清晰地辨識(shí)出因前翼和尾翼而形成的高低不同氣壓帶。盡管賽車(chē)底部利用特定設(shè)計(jì)形成了減小氣壓的效果，但由于缺乏專(zhuān)門(mén)用于引導(dǎo)氣流快速逸散的擴(kuò)散器，使得底部被加速后的氣流未能有效疏散，從而無(wú)法充分轉(zhuǎn)化為有益于提高抓地性能所需的負(fù)升力。

通過(guò)觀察等高線圖表可以發(fā)現(xiàn)，在安裝前翼之后，賽車(chē)前端形成了一個(gè)低壓區(qū)域。根據(jù)環(huán)繞車(chē)輛的壓力等高線圖，我們可以了解到，由于新增的前翼使得更多空氣沿著車(chē)體表面流動(dòng)，并且有效地引導(dǎo)這些氣流向賽車(chē)尾部移動(dòng)，這樣有助于增強(qiáng)尾翼的功能。此外，借助于前翼對(duì)氣流的有效疏導(dǎo)，也縮小了直接撞擊到前輪胎上的風(fēng)阻面積，進(jìn)而減輕前輪所受的壓力，從而減少了行進(jìn)中的阻力（圖7）。

從圖8輪胎的壓力等高線圖和表1中輪胎阻力的變化能清晰地發(fā)現(xiàn)：輪胎阻力對(duì)加裝前翼后的賽車(chē)影響更小。

1.3 尾翼攻角對(duì)彎道性能的影響

研究者們通過(guò)虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)（VWT）探討了不同尾翼攻角對(duì)整車(chē)氣動(dòng)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)增大尾翼攻角可以獲得較大的側(cè)向加速度，并且可以降低賽車(chē)過(guò)彎側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)。但是，當(dāng)尾翼攻角增加到一定程度后，由于尾翼失速會(huì)造成下壓力損失，繼續(xù)增大攻角反而不利于獲得較大的側(cè)向加速度。

1.4 優(yōu)化氣動(dòng)設(shè)計(jì)

在氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面，研究者們探索了使用曲線翼面來(lái)優(yōu)化賽車(chē)的氣動(dòng)性能，以提高其在高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性和操控性。

在使用合理的曲面翼面的情況下，還可以通過(guò)將多翼面組合來(lái)進(jìn)一步提升氣動(dòng)性能。以下是在此應(yīng)用的研究案例，如圖9所示。

在確保賽車(chē)速度不受影響的情況下，調(diào)整翼片的傾斜角度和曲率能夠顯著增強(qiáng)主翼的各項(xiàng)性能指標(biāo)。通過(guò)比較當(dāng)前流行的三種翼型——即CH10、S1223與NACA6412（詳情參閱圖表九）發(fā)現(xiàn)，相較于其他兩者而言，S1223擁有更大的弧度特性，因此被選為首選方案。此外，在采用此型號(hào)時(shí)還需設(shè)定各部分之間的理想夾角及間距值（具體配置如附圖10所示）。

樣例通過(guò)疊加兩個(gè)翼片（主翼和襟翼）來(lái)達(dá)到對(duì)下壓力更好的控制。試驗(yàn)中將該系統(tǒng)預(yù)組裝到賽車(chē)尾部，并對(duì)襟翼攻角從42°到47°之間的性能變化做仿真分析，得出表2。

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，在襟翼與主翼的角度均為45度的情況下，產(chǎn)生的向下力達(dá)到峰值，并且升力與阻力的比例相對(duì)較低。因此，確定將襟翼角度設(shè)置為45度。根據(jù)對(duì)表2信息的整體考量，建議采用如下配置：主翼設(shè)為5度角，而襟翼則維持在45度位置。由此確定了最佳攻角方案，之后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，確定方案可行性。

實(shí)際車(chē)輛測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，裝備了空氣動(dòng)力學(xué)套件的方程式賽車(chē)，在各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)中（如單圈最快速度及過(guò)彎能力等方面）的表現(xiàn)，明顯好于未安裝此類(lèi)裝置的情況。氣動(dòng)套件對(duì)方程式賽車(chē)的提升可見(jiàn)一斑，在FSC賽事中研究出更合理的套件方案也顯得尤為重要。

2 總結(jié)與展望

利用電腦模擬來(lái)對(duì)DRS系統(tǒng)進(jìn)行控制，能顯著提升賽車(chē)性能，由此可以證明使用可調(diào)節(jié)式尾翼設(shè)計(jì)是有前景的可行方案。為了提升DRS尾翼的效能，通過(guò)評(píng)估各種主翼和襟翼的角度配置來(lái)尋找最優(yōu)解，從而設(shè)定翼片本身及翼片相互間最適宜的角度設(shè)置，以增強(qiáng)車(chē)輛整體的空氣動(dòng)力學(xué)性能。借助使用空氣動(dòng)力學(xué)套件（包括前翼、尾翼和擴(kuò)散器等）能有效提高尾翼的工作效率，并且能顯著提升賽車(chē)性能。

參考以上研究也能體現(xiàn)出FSC大學(xué)方程式賽車(chē)的未來(lái)發(fā)展方向，深入研究尾翼與車(chē)身其他部件的相互作用；探索新型材料在尾翼制造中的應(yīng)用；研究尾翼在不同賽道條件下的適應(yīng)性。

提升尾翼氣動(dòng)性能的同時(shí)降低成本；實(shí)現(xiàn)尾翼設(shè)計(jì)與賽車(chē)整體設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化。在方程式賽車(chē)上空氣套件的應(yīng)用也可應(yīng)用于其他類(lèi)型賽車(chē)的氣動(dòng)優(yōu)化，可推廣至高速列車(chē)等交通工具的設(shè)計(jì)，可能為未來(lái)無(wú)人駕駛車(chē)輛提供氣動(dòng)解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷思杰，等.基于fluent的DRS可調(diào)式尾翼設(shè)計(jì)[C]//現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)論壇.江蘇省汽車(chē)工程學(xué)會(huì)，2015.

[2]張軒睿，周靖，馬鳴天.基于FLUENT的FSC賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2023，48（05）：68-72.

[3]張揚(yáng)真，岳一德，范昌易，等.基于FSC賽車(chē)的可調(diào)式尾翼開(kāi)發(fā)[J].北京汽車(chē)，2019（04）：10-12+31.

[4]張英朝，姜晴雯，弓宏宇，等.賽車(chē)尾翼與車(chē)身氣動(dòng)特性的相互影響[C]//中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)（China Society of Automotive Engineers），中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)（Automotive Aerodynamic Committee of China SAE）.2022中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集——?dú)鈩?dòng)分會(huì)場(chǎng).吉林大學(xué)汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)研究室，2022：13.

[5]田甜，李剛，張志強(qiáng)，張東.FSAC賽車(chē)車(chē)身空套設(shè)計(jì)和仿真分析[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，43（04）：221-227.

[6]曾繁俊.FSE電動(dòng)賽車(chē)可調(diào)尾翼系統(tǒng)的研究[D].廣東：廣東工業(yè)大學(xué)，2018.