FSC方程式赛车空气动力学套件性能分析

吴超，邓召文，王迪

（湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北十堰442002）

随着大学生方程式赛车设计、制造技术的成熟，空气动力学的研究已成为提高赛车性能的一个不容忽视的方面。空气动力学套件的应用，对赛车产生更多下压力，提升赛车高速稳定性以及提高赛车过弯速度，具有非常关键的作用。

本文中对大学生方程式赛车空气动力学套件（扩散器，前尾翼等）的设计和分析展开研究。利用理论分析与空气动力学仿真方法，进行赛车空气动力学特性分析，研究车身气动造型和空气套件的相关结构参数对其空气动力学性能的影响规律，完成前后定风翼、扩散器的优化设计。采用碳纤维材料，通过阴阳模技术自行设计制作高质量、轻量化、具有良好空气动力学性能的车身及附件，改善了空气阻力，提升了赛车行驶的下压力，保证了赛车高速行驶的稳定性。

1 理论评价

通过加装空气动力学套件来提高赛车性能的方法最早出现在20世纪60年代，通过给赛车加装定风翼，在不增加过多额外重量的前提下，提高轮胎的载荷来提升赛车性能[1]。赛车加装翼片会增加重量，但是其所产生的动力学效果远要大于其重量的增加，但同时会增加额外阻力。翼片产生的下压力可由式（1）计算得到[2]，升力系数Cl取决与翼片的形状和攻角。

式中：Fwl为升力或下压力；ρ为穿过翼片介质的密度；Cl为升力系数；Aω为翼片面积；υ为介质穿过翼片速度。

加装翼片后，阻力Fw产生的影响抵消了部分汽车前进的牵引力，车身的阻力计算如式（2）所示，阻力系数Cd取决与形状和攻角的设置。

2 空气动力学套件设计

2.1 翼片理论

空气动力学理论证明合理设计翼片可以增加翼片所产生的下压力。由翼片截面形状决定的翼片尺寸和面积会影响到升力系数和阻力系数的大小。翼片的面积由翼片的翼展、弯度、弦长决定，翼片参数解释如图1所示。

决定前翼和尾翼安装位置最重要的参数是下压力的分配及压力中心的位置。压力中心的位置在赛车的重心后部。随着赛车速度提升，其受到的下压力增大，同时载荷向后轮转移，后轮载荷增加。使赛车在低速弯时实现转向过度，但是在高速弯能更快更稳地通过[3]，压力中心位置分布如图2所示，由式（3）得出压力中心与各参数关系：

图3 主翼翼型参数

图1 翼片的解释

式中：Xcp为压力中心相对重心偏移量；Fr为尾翼下压力；Ff为前翼下压力；xr为尾翼压力中心相对重心偏移量；xf为前翼压力中心相对重心偏移量；Mr为尾翼转矩；Mf为前翼转矩。

图2 前尾翼位置配比

2.2 翼型选择

翼片的阻力取决于翼片的大小和形状，进而影响到下压力。根据赛车的行驶工况，选择适合低速条件下的翼型。在飞行器设计软件Pofili的翼型库里，通过分析和比较，最终确定了主要翼型，主翼翼型参数如图3所示，襟翼翼型参数如图4所示。

图4 襟翼翼型参数

如果翼片曲率过大，就不能产生足够大的下压力，或者会导致气流分离，那么使用翼片组合的方式则可以解决这个问题。赛车上最常见的方法是使用主翼和襟翼组合，襟翼是一种比主翼小的翼片，安装在主翼的后面[4]。

要求提升翼片的面积，并且提高有效弧形，却不会发生气流分离，需要考虑的一个关键参数是主翼与襟翼之间间隙的大小。在经过大量的CFD计算后，对计算结果进行分析比较，确定最终翼片的参数，如表1所示。

在进行CFD 仿真分析时，考虑到赛车实际行驶工况，仿真分析的边界条件进行见表2[5]。

表1 尾翼对比参数

表2 CFD仿真边界条件设置

综合分析赛车行驶工况以及其在不同工况下所需的下压力，选择Cl值为-4.58，Cd为1.14 这一组参数作为尾翼攻角最大时的空气动力学参数。其翼片之间的几何参数为，纵向间隙3.1%和5.6%的弦长，轴向间隙6.9%和13.7%的弦长，这个结果符合文献[6]中所提到的翼型组合几何参数的比例。前翼也可以用同样的方法获得。

2.3 端板

另一种提升翼片性能的方法是使用不同形状的端板，端板安装在翼片端部的边缘，可以提升下压力并且降低阻力。在翼片的边缘，气流从高压区流向低压区，降低了整个翼片的性能，同时也产生涡流，这将产生诱导阻力。加上端板能减少空气从高压区流向低压区，从而减小翼片产生的阻力，提升翼片效果。

3 CAE分析结果

3.1 尾翼

对FSC赛车上使用的尾翼而言，采用多翼片叠加原理，诱导气流加速远离赛车尾部。影响FSC赛车尾翼空气动力学特性的基本参数有翼片攻角、翼片间的间隙等[7]。此次分析中，建立了不同参数下的尾翼模型，考虑到过大攻角可能会产生的失速问题，主翼攻角在5°～10°范围内，襟翼攻角在25°～45°范围内。

由优化结果可以得到，尾翼产生下压力是493 N，阻力是123 N，这个结果与最初设想的尾翼产生大约500 N 下压力，大约100 N 阻力相差不大，满足预期。图5是尾翼经CFD分析云图。

在流体力学中，失速是指翼型气动攻角增加到一定程度（达到临界值）时，翼型所产生的升力突然减小的一种状态。翼型攻角超过该临界值之前，翼型的升力是随迎角增加而递增的；但是攻角超过该临界值后，翼型的升力将递减。

3.2 前翼

根据式（4）的计算，赛车的风压中心应该在赛车重心纵向后方76 mm左右。根据此结论，采用受力平衡计算方式估算前翼下压力的范围大概在300 N左右，根据已优化好的尾翼参数匹配出前翼的参数范围。结构如图6a所示。

图5 尾翼CFD分析

考虑到赛车使用的是直径为254 mm的轮辋，整车高度进一步降低，为了保证能有足够的气流流入侧箱的散热器上，将第2 片襟翼断开，用这种方式避免气流整体绕过轮胎和侧箱。前翼的最终模型如图6b所示。

图7为前翼经CFD分析的云图。

图6 前翼模型

图7 前翼CFD分析云图

3.3 扩散器

根据赛车的结构特点以及车架设计的最终结果，采用双通道的扩散器设计方案能最大限度利用赛车底部空间，给赛车提供更大的下压力。扩散器2个通道中间是平整的曲面，有利于气流的高速通过。两侧通道的气流流过前轮后进入通道内部，2个通道利用的是文丘里效应，在通道高度最低处流速最大，因此此处附近压差最大，产生下压力最大，其结构如图8a所示，扩散器CFD分析的三维流线如图8b所示。

图8 扩散器模型及流线图

3.4 整车仿真

对于一辆赛车而言，单纯地分析空气动力学套件的意义并不是很大，需要将空气套件装配在赛车上，讨论整车的流场分析和试验结果，才能判断赛车的空气动力学特性是否可观。在最初的设计阶段，进行整车空气动力学特性分析最有效的方法就是通过计算机仿真进行数值模拟。此次模拟就是通过赛车加装空气动力学套件前后的数值模拟过程，依据仿真结果评判赛车的空气动力学特性。结果如表3所示。

图9～12为整车仿真过程中，有无空套空气动力学分析云图的对比。

表3 有无空套空气动力学特性对比

图9 压力云图

图10 速度云图

图11 速度流线正视图

图12 速度流线俯视图

4 圈速仿真

CFD 仿真只能模拟赛车行驶时的空气动力学参数，为了更加真实地评估赛车的性能和空气动力学套件的作用，需要做一些其他方面的仿真，更加完整地模拟赛车行驶工况。

Optimumlap是一个简化的车辆动力学仿真，这样做是为了在短时间内获得一个准确、有用的数据。这是通过简化赛车，并且采用10个最重要的参数进行模拟，每一个参数都代表赛车的一个重要部分。Optimumlap 采用准稳态模型来模拟车辆。准稳态模型是指假象的稳态，实际是没有的。这个模型很容易理解。只需要投入很少的东西，就可以模拟一个完整的汽车模型。通过优化显示，直线加速、过弯速度、单圈时间、能量消耗的实际误差在10%之内。还可以分析其他的结果，即质量、空气动力学、悬架和轮胎、功率特性和变速箱特性。这可以使仿真工具在设计的初期使用。该软件可以对直线加速、八字环绕、高速避障等比赛项目进行模拟仿真。表4为Optimumlap仿真时的参数设置。

表4 Optimumlap参数设置

图13 Optimumlap仿真曲线

模拟过程中，分析了直线加速、八字环绕、高速避障3种工况，其中赛道使用的是FSG2012的赛道。3种工况仿真结果证明：最初的设计思路是正确的，而且性能达到预期。

在直线加速的过程中，由于加装空套，阻力增加，所以直线加速工况下，赛车的平均速度较小，时间会变长，其仿真图线如图13a所示。

在八字环绕项目中，由于考虑到赛车所处的速度比较小，空套产生的效果小，所以实际过程中，空套产生的效果没有仿真的结果那么显著，其仿真图线如图13b所示。

在八字环绕项目中，考虑到赛车在高速避障仿真中，带空套的赛车会有更快的过弯速度。因此圈速也就更快，其仿真图线如图13c所示。

在八字环绕项目中，考虑到赛车作为Optimumlap仿真的总结，对于各种动态测试，与理论结果相比较，FSC方程式加装空气动力学套件之后：

1）直线加速：近似或稍慢；

2）八字绕环：相似或更快；

3）高速避障和耐久：直线加速稍慢、过弯性能显著提高、侧向加速度更大、回转速度更快、制动性更好，但空套会导致经济性下降。

5 结论

以2014年中国大学生方程式汽车大赛赛车车身、空气动力学套件作为研究对象，完成了车身、空气套件的设计与优化，并进行了数值模拟分析。其结果表明：赛车在加装空气动力学套件之后，对赛车过弯性能和操控性有明显提升；验证了空气套件的设计思路基本正确，同时也为大学生方程式赛车空气动力学套件的设计和优化提供借鉴。

[1]Petrone N,Capuzzo M,Paoli E D,et al.The Measurement of Aerodynamic Loads Using Dynamometric Load Cells[J].Autotechnology,2004,4（3）∶56-59.

[2]余志生.汽车理论[M].5版.北京：机械工业出版社，2009：12-13.

[3]Noah J.McKay,Ashok Gopalarathnam.Effects of Wings on North Carolina,s Formula SAE Car Performance[J].North Carolina State University,2002.

[4]倪俊,吴志成,陈思忠.尾翼攻角变化对方程式赛车性能影响的虚拟试验[J].机械设计与研究，2012，28（2）：96-99.

[5]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，2014：24-25.

[6]Goto K,Sakurai H.Numerical Study for the Optimal Flap chord Length of a Two-element Airfoil[R].SAE Technical Paper,2006.

[7]周淑文，张思奇，宋桂秋.有尾翼轿车外流场数值模拟[J].汽车科技，2007（1）：14-16.

[8]余顺达，李能，王兵，高阳.基于CFD技术的FSC赛车车身气动造型设计[J].湖北汽车工业学院学报，2012（3）：77-80.