基于FSAE赛车的空气动力学套件设计及CFD分析

韩小强，王洪宇，侯文彬

(大连理工大学　汽车工程学院，辽宁　大连　116024)



基于FSAE赛车的空气动力学套件设计及CFD分析

韩小强，王洪宇，侯文彬

(大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连116024)

在赛车领域，空气动力学研究已经成为各项赛事以及车队之间竞争的焦点。文中通过对G03C赛车进行整车空气动力学分析，找出整车造型对空气动力学的影响因素，并根据空气动力学原理设计了一套相匹配的空气动力学套件，包括鼻翼、尾翼及扩散器。对比改装前后赛车的空气力学性能，结果表明，安装空气动力学套件后，产生一定的下压力使得赛车的高速稳定性能得到提升。

FSAE赛车； 空气动力；外流场；阻力系数

FSAE方程式赛车(formula SAE)在国际上被视为学生界的 F1方程式赛车。该赛事是一项考察车辆性能设计方面的比赛，而不是一项单纯的竞技比赛。它是由美国汽车工程师协会于1979年创办的，已经有30多年的历史了，目前举办赛事的国家除美、英、德、意、澳、巴西及日本，我国也于 2010年加入推广这项比赛，借以培养及训练车辆工程研发设计人才。

中国大学生方程式汽车大赛(简称“FSC”)是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛，到2014年已经成功举办了五届比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。赛事对赛车各系统的材料、结构等都提出了一些规则，但是比赛规则比较开放，以鼓励学生的原创设计和各种形式的赛车出现。另外，比赛通过一系列静态和动态的项目来评判汽车的性能和优劣，包括技术检验、成本分析、商业陈述、工程设计、单项性能测试、耐久测试和燃油经济性。[1]。

1　空气动力学套件设计

对于开放式车轮赛车来说，可以把流过车身的气流大致分成三个部分：顶部气流、两侧气流和底部气流。气流首先到达赛车前部位置，在鼻翼和车头共同作用下，气流路径开始发生变化。车鼻上方气流沿车身上表面运动，经过驾驶舱上方，一部分气流流入发动机进气口，其余气流通往尾翼区域。车身两侧气流也可以分成两部分:车轮前方气流和车头与车轮间通往侧厢的散热格栅。在不加任何导流板的前提下，前轮受到的气动阻力几乎占据整车气动阻力的一半。为了处理这一部分气流，工程师利用鼻翼襟翼作为导流板[4]。一般来说，在车轮前部的鼻翼迎风面积较大，目的是为了诱导其上方气流绕到前轮顶部，避免直接冲击前轮；同时为保证发动机散热，靠近鼻锥的前翼迎风面积较小，使散热气流能够顺利进入侧厢。两侧气流最后沿侧舱表面进入可乐瓶区流向扩散器。气流沿鼻锥和鼻翼下方进入赛车底部，在扩散器地面效应的作用下迅速加速，使底盘与地面之间形成负压区，从而增大整车下压力。装配整套空气动力学套件的三维模型如图1所示。

图1　装配空气动力学套件的三维模型示意图

1.1升力翼型设计

鼻翼、尾翼完全是靠升力翼来获得下压力，而不同的升力翼结构有着不同的空气动力学特性。因此，升力翼设计的质量直接决定赛车的空气动力学性能。翼型气动升力系数随翼型攻角、厚弦比、弧度的增加而增大。对于因翼型弧度过大或者攻角过大而发生气流分离，所产生的气动阻力远大于摩擦阻力和粘性阻力，同时还造成气动升力损失，因此，避免气流分离是减小气动阻力非常重要的手段。因为赛车升力翼周围雷诺数很低，一般的航空翼型在低雷诺数的条件下气动效果并不理想，需要重新选择适合 FSAE 赛车的低雷诺数、大升力系数的翼型截面。为了得到更多负升力，升力翼型还应具备一定弧度，本次设计根据赛事资料以及各种翼型升力阻力特性选取NACA翼型截面库的NACA6412低速翼型。

1.2鼻翼设计

作为气流最先到达的部位，鼻翼控制着空气在赛车各个部位的流动，而且它的宽度使它挡在前轮前面，翼面能让气流尽量绕开前轮，以减小阻力。鼻翼可以通过增大尺寸和攻角来产生更大的下压力，但它的用途主要是用来平衡扩散器及尾翼所产生的后部下压力，同时它还受到赛事规则和空间布置的制约，因此，鼻翼的设计相对其他气动套件来说更加困难。与其他方程式赛车不同，FSAE赛车鼻翼布置很靠近前轮，因此前翼外侧气流受到前轮的影响破坏非常严重。为了减小气流分离，本次前翼设计方案采用二片式，同时在前翼中间添加隔板。采用两片式设计方案的原因是为了保证有更多的气流通过赛车侧厢，把安装鼻翼对发动机散热的影响降到最小，同时由于前翼外侧气流受前轮干扰强烈，利用隔板划分出气流通道，分开受干扰气流和干净气流。

1.3尾翼设计

相对鼻翼的各种要求，尾翼的用途只有一个，产生下压力。同时尽可能减小产生的气动阻力，对于尾翼来说，想要获得较高气动压力的途径主要有：增加升力翼表面积；增加升力翼弧度；通过翼型开缝或者吹风来延迟气流分离。对于方程式赛车，最流行的做法就是使用组合翼的形式。通过翼型叠加能够获得更大的翼型攻角，升力系数也随之增加[5]，这是因为气流经过两翼间缝隙时，通过前方翼型尾部的导流作用，使气流方向能够更加贴合后方翼型，因此后方翼型可以获得比前方翼型更大的攻角而不产生气流分离。本次尾翼设计采用双层三翼板结构，分为底层主翼、中层襟翼和顶层襟翼。这样设计的原因为：离地越高气流受干扰越小，流速越快，顶层翼气流质量比底层翼好；底层翼主要起导流作用，采用较小攻角使气流与翼面不产生分离，其尾部的上扬曲线能够引导气流流向更贴合顶层翼的吸力面，在顶层翼采用较大攻角的情况下，使其吸力面气流不发生分离，进而提高尾翼的气动性能；两层翼之间采用合适的间隙，使气流在间隙处得到加速，从而增加气流流过尾翼的雷诺数。

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1.4扩散器设计

扩散器主要是利用流体速度的大小与压强成反比的原理，气流速度越高，与气流垂直方向的气压会越小。将这种装置装配在赛车底部，使得赛车上部的气流压力大于底部的气流压力，从而形成气压差，使赛车产生一股往地面方向的压力，达到增强赛车下压力的效果，使赛车轮胎有很好的抓地力。在设计赛车扩散器时，由于赛车后桥传动系、后悬架杆跳动以及发动机油底壳干涉等原因，留给扩散器的空间非常有限，综合考虑，本次设计的G03C赛车扩散器两侧通道长度为1 480 mm，扩散角度为13°。

2　整车CFD分析

通过对国内外车队的调查研究发现，大多数车队应用商业CFD软件进行仿真模拟分析。本文主要应用到ICEM和FLUENT这两款ANASYS旗下的商业软件，下面将具体介绍本次研究的思路。

2.1模型前处理

本次仿真模拟采用的是全车模型。由于原车模型来自于概念造型的三维数模，表面存在大量的细小特征，以及残缺面、重复面等情况，而这些是生成质量较好网格的一大障碍，需要删除一些对仿真结果影响不大但会影响网格质量的细节，最后得到满足仿真要求的三维模型。因此，在进行分析前要花费大量的时间通过UG NX软件对模型进行简化和修补：去掉前后悬架双横臂杆、转向横拉杆、主环等对流场干扰相对较小的杆件； 添加驾驶员简化模型，圆球位置是驾驶员坐进驾驶舱时头部的实际位置；轮胎简化为圆柱形，尺寸参照实际轮胎尺寸；在轮胎与地面接触部分，为了避免轮胎型线与地面相切形成尖角而使这部分网格质量变差，在接触部分创建小凸台，凸台部分模拟了赛车轮胎的承重变形，对整个流场造成的影响可以忽略不计，又改善了车轮与地面相接处的网格质量；将发动机、传动系及车身内部附件简化或去除，保留轮胎、车身、侧厢、空气动力学套件等主要部件，再将车身表面以及各附件的碎面缝合起来，形成若干个封闭的壳体[6]。在其车头前部取2倍车长，车尾后部取7倍车长，车身外侧取2.5 倍车宽，车顶上部取4倍车高，最后得到如图2 所示的外部流场计算域，赛车与风洞的相对位置也如图2所示。

图2　赛车外流场计算域示意图

2.2 流体网格划分

将简化后的车身外流场几何模型进行网格划分，因为车身表面曲面较复杂，所以划分采用四面体混合网格，如图3所示。总体网格设置越小，计算越精确，但会造成网格数目巨大，计算时间成本成倍增加。为了节省计算时间，又保证计算精度，在车身周围和车尾后部湍流强烈的区域创建网格加密区，加密区之外区域设置 T-Glib网格生长策略，使加密区边沿的小尺寸网格迅速生长成大尺寸网格，填满整个计算域。空气作为粘性流体，沿赛车表面流动时会产生壁面边界层，流动参数沿壁面法向梯度大、沿流向梯度小，对网格沿法向方向加密要求较高，因此，为了模拟出赛车表面粘性边界层，需要在赛车表面沿法线方向设置三棱柱网格。车身的外表面生成为非结构化的三角形网格，单元大小尺寸为8～20 mm；车身外的空气域生成为非结构化的四面体网格，长度为400～500 mm。整车单元总数150 万个左右，网格总体连续、均匀、美观，过渡平缓。

图3　网格加密区及车身表面网格

2.3边界条件及求解

流场入口设为速度入口边界，按规则要求仿真时车速为115 km/h，即入口风速为32 m/s。流场出口采用压力出口；地面设为移动壁面，移动速度与车速保持一致；其余壁面设为对称边界，消除壁面对流体切向速度的影响。空气的密度为1.225 kg/m3，计算中不考虑温度的影响。由于仿真模型雷诺数小，计算模型采用k-omega湍流模型，非平衡壁面函数法进行壁面处理。压强离散采用SST格式，动量及湍流动能、湍流粘性耗散比采用二阶迎风格式，收敛容差设为1.0×10-4[7-8]。在 FLUENT 计算过程中，各方程残差都小于指定值或者监测值不再发生明显变化时，可认为计算收敛。

3　计算结果对比分析

根据上述模型及边界条件，分别对有无空气动力学套件进行外流场计算，现将计算模拟结果整理如下。

3.1压力分布

图4是赛车在外流场中车身及空气动力学套件表面的压力分布图，图中色柱表示的是在图中对应颜色的不同压力值。从图4可以看到，车头正前方为正压区且压力最大，通过减小车头正压区的范围可以明显改善整车空气动力效果，车头的造型对整车风阻系数有决定性的影响；整车正压梯度大的地方出现在轮胎、驾驶员脸部和车身前部这几个主要迎风面上，可以认为这些面是产生压差阻力的主要来源。前轮是受气动阻力最大的部件之一，这是因为气流在前轮没有鼻翼引流的情况下直接冲击前轮的结果。对于开放式车轮的赛车来说，如何避免气流直接冲击前轮向来都是赛车工程师关注的焦点。设计者的目标就是尽量减小前轮所受的气动力。通过两幅压力云图对比可知，鼻翼跟尾翼的上表面都是高压区域，在鼻翼的导流作用下前轮前部的高压区范围明显减少。所以，鼻翼跟尾翼都很好地发挥了作用。

图4　赛车表面压力分布云图

3.2速度分布

图5为赛车附近流场的速度矢量图。从图5可以看出，气流从车头驻点处沿车身上表面加速运动，到达驾驶舱时，由于断面的影响，气流脱离车身表面而形成涡流。此时涡流的阻塞作用使一部分气流沿漩涡顶部到达驾驶员头盔处，并沿着头盔型线继续加速流动，到头盔顶部时，流速达到最大，之后气流与赛车分离，在发动机舱和赛车后部产生涡流。驾驶员后方是安装尾翼的区域，为了保证尾翼能高效工作，一段高速且稳定的气流很重要。从速度云图明显看出，驾驶员后方气流流速随离地高度的增加而增大，但尾翼安装位置太高会造成整车重心过高，过弯时容易发生侧翻。综合考虑，尾翼安装位置水平高度应与驾驶员头顶位置持平。

图5　赛车表面速度矢量分布

3.3流线分布

车身及尾涡的流动可以通过如图6所示的车身周围流线图来直观地进行观察。赛车整体流线良好，在车轮后部由于气流分离，使这部分区域成为负压区，从而造成漩涡生成、旋转，消耗大量能量，增大气动阻力。如上所述，整个车身上气体流动平滑，只在车轮和尾部产生较大的漩涡。气流流经尾翼下表面时几乎没有出现分离现象，只有在顶层襟翼尾部出现少量气流分离。这就意味着尾翼翼型攻角设置刚好达到最大值，此时尾翼拥有最大的下压力系数值，可以获得最大的下压力。倘若尾翼攻角继续增大，尾翼将会出现失速现象，不仅获得的下压力减少，还会增加额外的气动阻力。

图6　车身周围流线图

3.4气动阻力与气动升力

在空气动力学中，风阻系数定义为：

式中：D为气动阻力；q为气流动压；A为车身的正面投影面积。

车身的气动阻力主要由压差阻力和粘性阻力两部分组成。压差阻力是主要部分，主要由车头迎风面和车尾面的静压差所引起，因此，降低车身的气动阻力系数主要从降低车头和车尾面的压差着手，主要措施有：减少车头迎风面的面积；减少车身表面的高压区面积；减少导致气流分离的结构设计等。添加空气套件后，赛车气动升力特性由正变为负，表现为赛车行驶中拥有负升力即下压力的特性，大大提升了赛车的抓地性能。表1对比了加装空气套件前后赛车的气动系数及气动力变化情况，由表1可以看出，车身气动阻力系数值为0.67和1.12，可见开放式车轮赛车的空气阻力系数还是比较大的，尤其在加装一些气动套件之后会产生大于1的情况。通过气动阻力和气动升力的数据可以看出，加装空气动力套件相当于在赛车原模型基础上增加1.6 倍的气动阻力，但是同时带来近4 倍于原气动升力的负气动升力，即空气套件升阻比约为 2.6，因此，本次设计的空气套件气动性能比较理想。

表1　有无空气动力学套件分析结果对比

4　结束语

本文介绍了运用 CFD 软件对FSAE赛车进行外流场分析的基本流程，包括模型处理与简化、添加模拟风洞流体域、网格划分策略、边界条件设置以及求解设置等，并运用空气动力学原理及赛车外流场分布特性为其匹配了空气动力学套件。在后处理中得到了车身表面的压力分布以及速度矢量分布，获得了车身的气动阻力和气动升力系数，并对赛车整体空气动力学特性进行分析，分析结果表明，原车型气动阻力适中，气动升力系数在 0.32左右，意味着赛车行驶过程中会产生气动升力使赛车丧失一部分抓地力，不利于赛车过弯及高速行驶的稳定性。加装空气动力学套件后的赛车与原始模型比，气动升力系数由 0.32提高到-2.45，下压力增加显著，且空气动力学套件升阻比约为2.6，气动性能优越。总体而言，加装空气动力学套件后能够极大提升赛车的抓地力，并可以通过手动控制实现尾翼攻角的调整，从而使赛车在直道和弯道都具备最佳的气动性能。

[1]李理光.中国大学生方程式汽车大赛规则(2014版)[S].北京：中国汽车工程学会，2013.

[2]何忆斌，李伟平，刘孟祥. F1方程式赛车后升力翼的气动特性[J]. 航空动力学报，2013(10): 2343-2347.

[3]潘小卫，谷正气，何忆斌. F1赛车气动特性的CFD仿真和试验研究[J]. 汽车工程，2009(3): 274-277.

[4]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.

[5]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.

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Design of an Aerodynamic Package for FSAE Racing Car and CFD Analysis

HANG Xiaoqiang，WANG Hongyu，HOU Wenbin

(School of Automotive Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

In the field of racing cars，air dynamics research has become the focus of competition between the events and teams. For Formula SAE，aerodynamic research is very important.This paper through aerodynamic simulation analysis of G03C racing car，finds out influence aerodynamic factors of the vehicle model，and designs an aerodynamics package for it according to the principle of aerodynamics，including the front wing，rear wing and diffuser. Compared the aerodynamic performance of the car before and after modification，the results show that the increase of pressure makes the car high-speed stability improve under suite aerodynamic package.

FSAE racing car; aerodynamic; flow field; drag coefficient

2014-12-16；修改日期: 2015-01-07

辽宁省普通高等教育本科教学改革研究(UPRP20140797)。

韩小强(1968-)，男，硕士，工程师，主要从事大学生创新项目指导及实验教学工作。

U463.9

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.002