方程式赛车空气动力学套件设计与流场分析

龙 权 梁 成 高小林

0 引言

近年来，随着方程式赛事在世界范围内的快速发展，赛车底盘和动力技术日益成熟，为取得赛车成绩的进一步突破，各车队将目光转向了空气动力学套件。在中国大学生电动方程式汽车大赛(Formula Student Electric China，FSEC)中，空气动力学套件主要包括前翼、尾翼以及底盘尾流扩散器，为了整车的操控平衡，需要对不同部分分配不同比重的压力分配比，通常来说前翼产生的下压力约占全部下压力的30%，后翼约占30%，扩散器约占40%，因此，空气动力学套件与赛车的动力性、操纵稳定性以及弯道超车性能等有着密切关系。空气动力学套件能增加车轮上的垂直载荷，能有效提高车轮的转弯刚度，空气动力学装置产生的负升力可以提高轮胎的侧偏刚度与侧向加速度，改善车辆的操纵稳定性。

目前国内具有参赛经验的车队一般都会使用空气动力学套件，大多数是先确定造型，再利用仿真软件对其进行优化分析。文献[1]通过调整风压中心的位置，影响车辆的实际轴重分布，进而影响整车的转向特性；文献[2]对前翼襟翼弦长与翼片进行调整，以减小其对整车气流的不利干扰，增加了前翼产生的下压力，减小了前轮阻力；文献[3]对尾翼分区域设计不同主翼攻角值有效提升了赛车尾翼产生负升力的能力。

综合上述研究现状，本文首先结合方程式赛车规则和空气动力学原理，利用Catia 建模软件对空气动力学套件前翼、尾翼以及尾部扩散器进行设计；在此基础上对空气动力学套件进行网格划分，在Ansys Fluent中进行流场分析，并对尾翼的攻角和主翼与襟翼之间的距离进行优化。

1 空气动力学套件设计

在赛车领域中，空气动力学起着重要的作用，它对赛车性能的影响巨大。赛车装配整套空气动力学套件如图1所示，本文研究的赛车空气动力学套件主要包含前翼、后翼和扩散器，分析车身气动造型和空气动力学套件的相关结构参数对其空气动力学性能的影响规律，进行前定风翼、尾翼和扩散器的优化设计。

赛车行驶过程中，由前翼、尾翼和底部扩散器产生下压力，巨大的下压力可以提高赛车的过弯极限，由绕翼环量的影响而产生的赛车翼片负升力如图2所示。

图2 绕翼环量描述图

当负升力翼处于速度为v的直匀流中时，外部存在一个强度为Γ的逆时针环量，假设环量在流动叠加中引起的速度变化为△v，则在翼片的上表面，实际流速为v-△v，而下表面的流速为v+△v，因此，下表面的流速大于上表面，结合伯努利方程式（1）可知，翼片上表面的压力大于下表面的压力，从而产生下压力。

式中，p为空气流体中翼片表面某点的压强，V为翼片表面空气实际流速，ρ为空气流体密度，g为重力加速度，h为翼片表面该点的高度，C为常量。

1.1 前翼设计

前翼，又称前定风翼，是安装在赛车前部的负升力装置，是最先接触气流的部分，也是决定整车气流流动的重要部分，如图3所示，其结构包含主翼、襟翼和端板，前鼻翼的设计不仅要提供足够的下压力来平衡扩散器和定风翼产生的后下压力，还要调整翼面，使气流尽可能绕过前轮，降低行驶阻力。前翼的尺寸为560mm×1452mm×200mm，前翼的主要作用就是可以有效引导运动的气流穿过整车车身以及汽车尾部区域，可以产生一定的负升力，增大赛车车轮的地面附着力，提高赛车高速行驶时的转向能力，并且使气流尽量绕开前轮，减小行驶阻力。

图3 前翼模型图

通过对单襟翼结构和双襟翼结构的对比分析，发现双襟翼组合比单襟翼结构能产生更高的下压力，与单襟翼结构相比，双翼片结构总体的翼片相对弯度更大，大大提高了翼片的失速角，并且产生更多的负升力[4]。

1.2 尾翼设计

尾翼，又称后定风翼，是安装在赛车后部的具有翼片作用特性的气动特征部件，是重要的负升力来源，后翼一般由翼片和端板两种基本结构组成，其作用效果为在赛车后部产生下压力并提供一定的俯仰力矩，改善后轮的附着性能。

尾翼分为三个部分，主要从以下两个方面展开[5]：

式中，F1为作用于前轴压力，F2为作用于后轴压力，F 为作用于车辆总压力，L1为风压中心与前轴距离，L2为风压中心与后轴距离，L 为赛车轴距，如图4所示，其中x 为压力中心相对重心偏移量，G 为车辆重力。

图4 相关参数描述图

另一方面，尾翼设计考虑采用双层三翼板结构，分为主翼、襟翼1和襟翼2，如图5所示。三翼板的布置方式既能保证下压力，又能防止气体分离，从而保证尾翼升阻特性良好。离地距离越高，气流受干扰影响越小，气流流速也越快，因此襟翼2 气流质量比主翼好。由于主翼起导流作用，所以采用较小攻角使气流与翼面不产生分离，进而尾部的上扬曲线能够引导气流流向，使其更贴合襟翼2的吸力面。襟翼2 采用较大攻角，能使其吸力面气流不发生分离，进而提高尾翼的气动性能；在襟翼1和襟翼2之间采用适当的间隙，以加速间隙处的气流并产生下压力[6]。

图5 尾翼模型图

尾部扩散器设计

扩散器顾名思义，就是要引起气体的扩散，这是一个整合于底板的气动部件，原理主要是利用截面积逐渐扩大的流道实现车底气流的加速。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。根据伯努利方程式（1），可知流速高的地方压强低，由于气流的高速运动在车底形成低压区，便使车体获得了巨大的负升力，有利于赛车在高速行驶下的稳定性。

仿真优化

文献[7]表明，加装空气动力学套件后，车身表面上的气流在赛车尾翼末端发生分离，降低了能量的损失。在判断赛车空气动力学特性是否可行之前，有必要在赛车模型上装配空气动力学套件，进一步对整车的流场和试验结果进行分析。

首先使用Catia 建立用于有限元分析的简易模型，然后运用Ansys Fluent 模块对进行赛车外流场分析。在Catia 中，对三维模型进行一定程度的简化处理，省略车辆悬架杆件，简化驾驶舱内部和车轮的细节，以便于网格划分和流场计算，转换成IGS文件，将其导入到Ansys Fluent模块中；在进行网格划分前，需要确定整车外流场计算域，根据简化的车身整体外形尺寸按比例进行划分，入口长度约为整车长度的3倍，出口长度约为整车长度的7倍。在计算域的确定上，在最大限度地保证赛车模型周围流场特性的前提下，应缩小计算域的范围，以达到减小计算量，提高计算速度。

建立计算域网格

计算域网格主要分为空气流域网格、空气流域加密网格、车身曲面网格和前翼、尾翼曲面网格及特征网格，在Fluid Flow(Fluent)-Meshing 中对相关网格进行设置。

为将有限的计算资源用于提升模型的分析精度，因此采用半模型，在整车模型纵向上建立对称面。空气流域网格根据整车模型的大小设置为空气流域网格前端距离整车模型最前端9000mm，后端距离整车模型最后端18000mm，上端距离整车模型最上端6000mm，左端距离整车模型最左端6000mm，下端距离整车模型最下端0mm，单个网格尺寸512mm。空气流域加密网格前端距离整车模型最前端6000mm，后端距离整车模型最后端12000mm，上端距离整车模型最上端3000mm，左端距离整车模型最左端3000mm，下端距离整车模型下端0mm，单个网格尺寸为26mm。车身曲面网格为16mm，前翼和尾翼的曲面网格尺寸为8mm，其中前翼、尾翼的前缘和尾缘为特征网格，其网格尺寸为2mm。车身和前翼、尾翼的边界层均设置为3层，如图6所示，网格节点总数为968 486，单元总数为4 864 428，雅克比为3.76，网格总体连续、均匀、美观，过渡平缓。

图6 计算域网格的划分

2.2 仿真结果分析

如图7所示，迭代步数设置为3000步时，阻力系数Cd未达到收敛，阻力系数Cd在0.21 上下波动。通过CFD-Post 对模型进行直观的分析时，发现尾翼末端气流出现失速情况，襟翼1前缘和襟翼2前缘处均出现漩涡气流，初步分析为尾翼整体攻角过大和三片翼型之间的坐标距离过小导致。

图7 优化前的阻力系数

3 优化过程

根据第一次计算分析得出的结果，对尾翼的攻角和主翼与襟翼之间的距离进行优化。如图8所示，尾翼的翼弦线与来流方向的夹角，称为攻角或迎角；襟翼之间的距离即为相邻两翼片其一尾缘上平面到另一前缘下平面的垂直距离。攻角优化：主翼攻角由之前的6°降低为2°，襟翼1 由之前的30°降低为22°，襟翼2 由之前的80°降低为64°。翼间垂直距离优化：主翼尾缘上平面到襟翼1前缘下平面的垂直距离增加到20mm，襟翼1 尾缘上平面的到襟翼2 前缘下平面的距离增加到14mm。

图8 尾翼攻角

对经过优化后的尾翼模型进行再次计算分析，结果显示在迭代步数为700步时开始趋于收敛，最终的阻力系数Cd为0.17，如图9所示。

图9 优化后的阻力系数

4 结语

以2020年江西科技学院蓝凌方程式赛车作为研究对象，完成了对其空气动力学套件的设计和优化。本文利用Catia软件进行空气动力学套件三维建模，运用仿真软件Ansys 对FSEC 赛车进行外流场分析，包括模型处理与简化、网格划分策略、边界条件设置等，并基于空气动力学原理及赛车外流场分布特性进行优化工作，最终得出一套适用于2020年版赛车的空气动力学套件。加装空气动力学套件后能够大大提升赛车的抓地力，为更进一步的赛车动力性能和操纵稳定性能研究研究提供理论参考。