大学生方程式赛车空气动力学套件设计

胡 溧，罗世敏，杨啟梁，杨 胜

(1.武汉科技大学汽车与交通工程学院,湖北 武汉,430081；2.东风商用车有限公司技术中心，湖北 武汉,430056)

大学生方程式赛车空气动力学套件设计

胡 溧1，罗世敏1，杨啟梁1，杨 胜2

(1.武汉科技大学汽车与交通工程学院,湖北 武汉,430081；2.东风商用车有限公司技术中心，湖北 武汉,430056)

针对武汉科技大学FSC赤骥车队设计的赛车，进行空气动力学套件的设计。首先进行定风翼及扩散器的设计和建模，并利用FLUENT软件对定风翼进行空气动力学仿真优化；然后把空气动力学套件安装在赛车上，建立整车模型，进行常用工况下整车的空气动力学仿真，分析加装空气动力学套件对赛车高速稳定性及转弯性能的影响。结果表明，加装空气动力学套件后，赛车的高速稳定性和转弯性能均有明显提升。

FSAE；空气动力学；定风翼；扩散器；攻角；升阻比；仿真分析

大学生方程式赛车(FSAE)在国际上被视为“学生界的F1方程式赛车”。近年来，FSAE赛事在中国得到大力发展，全国许多高校积极参加比赛。随着比赛竞争激烈程度的增加，前、后定风翼和扩散器等空气动力学套件越来越多地应用在赛车上[1-2]。本文针对武汉科技大学FSC赤骥车队设计的赛车，进行空气动力学套件的设计，以达到提高赛车运动稳定性和安全性的目的。

1 原车气动性能仿真分析

为研究赛车的气动阻力与气动升力特性，在FLUENT中建立原车的简化计算模型并确定外流场计算域。一般根据风洞测试经验来确定外流场计算域，计算域长度为5～7倍的车长，宽度为3～4倍的车宽，高度为4倍的车高[3]。所建立的外流场计算模型取计算域的长为12 500 mm，宽为4500 mm，高为4000 mm，如图1所示。

图1 赛车外流场计算模型

Fig.1 Model for calculation of flow field around the racing car

赛车在行驶中，阻力和升力都会随着车速的变化而改变。对车速为10、20、30 m/s工况下原车的气动力进行仿真计算，结果如表1所示。从表1中可知，原车在低速行驶时所受阻力很小，但随着车速的提高，阻力会急剧增大，形成不可忽略的阻碍作用；轮胎阻力超过了总阻力的40%，可通过降低轮胎阻力减少整车的阻力；随着车速的提高，车身升力也显著增大，升力太大会导致车辆对地面的附着力减小，降低赛车高速行驶的稳定性，同时不利于赛车快速转弯[4]。因此，有必要为赛车设计一套合适的空气动力学套件以提高其高速行驶稳定性和安全性。

表1 不同车速时车身部件的气动力(单位：N)

Table 1 Aerodynamic force of vehicle parts at different vehicle speeds

2 赛车空气动力学套件的设计

2.1 前后定风翼的选择及优化

定风翼的作用是利用空气流经其表面时的压力差形成下压力。由于NACA640翼型的升阻比较高、气动特性较好，同时考虑到车速、设计加工成本等因素，故本次设计的赛车前、后定风翼选取几何尺寸一样的双片式NACA640翼型，其三维模型如图2所示。

图2 定风翼三维模型

Fig.2 3D model of the wing

定风翼的升阻比随其翼片攻角的改变而改变，因此须对定风翼攻角进行优化选择。本文先确定双片式组合翼中主翼攻角，再根据主翼攻角来确定襟翼攻角。

建立单片主翼时定风翼的三维几何模型。将模型导入ANSYS中划分网格，再在FLUENT中进行边界条件设置及计算，根据赛车的实际工况，将来流速度取为20 m/s。计算可得大步长攻角下主翼的升阻比，如表2所示。由表2中可见，单片主翼攻角为0°～8°时，其升阻比是逐渐升高的；而当攻角为8°～16°时，其升阻比开始下降。依据一维搜索法可以确定，攻角为4°～8°时升阻比存在最值。在4°～8°之间缩小迭代步长，以1°的步长进行仿真计算，边界条件保持不变，只调整

主翼攻角，计算结果如表3所示。由表3可知，攻角为5°时，单片主翼可获得最大升阻比。

表2 大步长攻角下主翼的升阻比

Table 2 Lift-to-drag ratios of the main wing at large step angles of attack

表3 小步长攻角下主翼的升阻比

Table 3 Life-to-drag ratios of the main wing at small step angles of attack

在单片主翼的基础上，加入襟翼，并建立组合翼的三维几何模型进行仿真计算，边界条件不变。计算可得主翼攻角为5°时，不同襟翼攻角下组合翼的升力、轮胎阻力与升阻比的值如表4所示。由表4中可知, 主翼攻角为5°时，随着襟翼攻角的增大，组合翼升阻比单调减小，而组合翼的升力却呈先增大后减小的趋势。因为组合翼的设计是为了在阻力增加的可控范围内尽量加大下压力，而从表4中可见，这几个攻角下的赛车的轮胎阻力都小于50 N，所以选取的目标攻角应是确保升力最大时的攻角，而不是升阻比最大时的攻角，可见襟翼攻角选取25°为最佳。

综上所述，本赛车组合翼的主翼攻角选取为5°，襟翼攻角选取为25°。

2.2 扩散器的设计

由于赛车底盘距地面的高度很小，气流受空气黏性的影响，流速较慢，对车身产生向上的升力，不利于赛车行驶，因此须在赛车尾部加装扩散器。加装扩散器后，底盘下方的气流流出底盘进入扩散器时，气流会由于康达效应而顺着扩散器的斜坡流动，使车底气流的流速加快。根据伯努利方程，流速高的地方压强低，车底由于气流的高速运动而形成了低压区，便使车身获得了巨大的负升力，有利于赛车保持高速行驶的稳定性。

根据原赛车的尾部尺寸和离地间隙，借鉴相关的设计经验[5]，将扩散器两侧通道长度设计为660 mm,扩散角设计为10°，其三维模型如图3所示。

图3 扩散器三维模型

Fig.3 3D model of the diffuser

3 加装空气动力学套件后赛车气动性能仿真分析

3.1 赛车气动力的变化

建立加装动力学套件后赛车的三维模型如图4所示。对车速为20 m/s时赛车的行驶情况进行外流场仿真分析，计算结果如表5所示。比较表5与表1可知，加装空气动力学套件后，赛车由正升力特性转变成负升力特性，其高速行驶时的抓地性能显著提高，稳定性得以提升；加装空气动力学套件之后整车的阻力增加了41.4 N，而下压力却增大了510.9 N，表明空气动力学套件的加装虽然会有增阻的副作用，但增大下压力的效果更为明显。

车速为20 m/s时，安装空气动力学套件前后整车的静压云图如图5所示。对比图5(a)、(b)可以看出，安装空气动力学套件后赛车轮胎的高压区面积较未安装空气动力学套件时轮胎的高压区面积稍有减小。

图4 安装空气动力学套件的赛车模型

Fig.4 Model of the racing car with the aerodynamic kit

Fig.5Staticpressure nephogramsofthe racing car at the speed of 20 m/s

3.2 赛车不侧滑时的最大转弯速度比较

赛车不侧滑时的最大转弯速度为[6]

(4)

式中：ε为车辆侧向力附着系数；m为赛车质量；R为赛车的转弯半径；G为赛车重力;G′为安装空气动力学套件后赛车增加的额外下压力。

由式(4)可看出，在地面情况不变即ε不变时，赛车不侧滑时的最大转弯速度与下压力G′有关，G′越大，则转弯能达到的最大速度Vhmax也越高。

本文中，赛车原车的质量为326 kg,空气动力学套件质量为6.3 kg，取ε=0.9，计算可得加装空气动力学套件前后赛车不侧滑时的最大转弯速度如表6所示。

表6 赛车不侧滑时的最大转弯速度

Table 6 Maximum turning speeds of the racing car without causing sideslip

由表6中可知，安装空气动力学套件后，赛车不侧滑时的最大转弯速度明显增大，增幅约为7.8%。

3.3 赛车不侧翻时最大转弯速度比较

赛车不侧翻情况下的最大转弯速度为

(5)

式中：B为赛车轮距；h为赛车质心高度。

安装空气动力学套件前后赛车不侧翻时的最大转弯速度如表7所示。由表7可知，安装空气动力套件后，赛车不侧翻时的最大转弯速度明显提高。

表7 赛车不侧翻时的最大转弯速度

Table 7 Maximum turning speeds of the racing car without causing rollover

4 结语

本文结合武汉科技大学FSC赤骥车队赛车的具体情况，设计了符合大赛要求的空气动力学套件，包括前、后定风翼及扩散器。对加装空气动力学套件前后赛车的气动特性的仿真分析表明，所设计的空气动力学套件能在赛车阻力增加较少的前提下，较大地增加赛车的下压力，有效地提高了赛车的过弯速度和行驶稳定性。

[1] 张国忠,赖征海. 汽车空气动力学与车身造型研究最新进展[J]. 沈阳大学学报,2005,17(6)：39-44.

[2] 邓召文，王兵.FSC赛车空气套件CFD优化设计[J]. 汽车实用技术，2014(3):23-27.

[3] 郭军朝. 理想车身气动造型研究与F1赛车气动特性初探[D].长沙：湖南大学，2007.

[4] 潘小卫. 赛车CFD仿真及风洞试验研究[D]. 长沙：湖南大学，2009.

[5] 焦雅丽. 大学生方程式赛车外流场模拟分析及结构优化[D]. 昆明：昆明理工大学，2013.

[6] 曾飞云. 万得FSC赛车空气动力学特性研究[D].锦州：辽宁工业大学,2014.

[责任编辑 郑淑芳]

Design of aerodynamic kit for the FSC racing car

HuLi1，LuoShimin1，YangQiliang1,YangSheng2

(1. College of Automobile and Traffic Engineering, Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081, China; 2. Technical Center of Dongfeng Commercial Vehicle Co.,Ltd.,Wuhan 430056, China)

The aerodynamic kit was designed for the FSC racing car from Wuhan University of Science and Technology. First, the fixed wing and the diffuser were designed and modeled, and the former was aerodynamically simulated and optimized by using FLUENT software. Secondly, the aerodynamic kit was fixed on the racing car, and the full car model was set up for aerodynamic simulation and analysis of the car under the common condition so as to determine the influence of the aerodynamic kit on the high-speed stability and turning performance of the car. The results show that the aerodynamic kit has greatly improved the high-speed stability and turning performance of the car.

FSAE; aerodynamics; fixed wing; diffuser; angle of attack; lift-to-drag ratio; simulation analysis

2015-07-13

国家自然科学基金资助项目(51105283).

胡 溧(1977-), 男, 武汉科技大学副教授，博士.E-mail:hunklin@163.com

U463.1

A

1674-3644(2015)05-0377-04