FSC赛车空气动力学套件的设计及流场分析

吴全君，曹 原，李风刚，朱兴军，姜新甜，吕其峰

（1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261000；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261000）

中国大学生方程式（Formula Student China,FSC）汽车大赛是一项由全国高等院校汽车工程和汽车相关专业的在校学生参加的汽车设计与制造比赛。赛事规则使得赛车在赛道中的最大速度不能超过140 km/h，但是想要在以弯道为主的FSC赛道中发挥出赛车的最佳性能，就必须提高赛车过弯的速度和出弯后的加速能力，这就对赛车的抓地能力提出了很高的要求。通过加装空气动力学套件来改善赛车气动性能的措施被证明是非常有效的，因为在不增加赛车质量的前提下，气动负升力（即下压力）能提升轮胎的附着情况，增强赛车在直线赛道高速行驶时的动力性，并且提高急刹车时的制动力，有利于改善赛车操纵稳定性。

1 空气动力学套件的设计

1.1 前鼻翼的设计

鼻翼是赛车最先接近气流的部件，它位于赛车的最前端，首要作用是疏导气流，减少气流对轮胎的冲击阻力；其次是两片式设计的前鼻翼能够为车身提供足够大的附着力并能够平滑过渡气流，因此，设计时采用两片式前鼻翼，其最外面粘接了相应的翼型板，与端板以螺钉方式连接，使其连接更加快速、牢固、隐蔽、整洁，安装方式与机翼相反以提供下压力。考虑到赛车周围的雷诺数比较低，设计时选用低雷诺数的低速翼型，经过对比分析，采用NACA6413型作为前翼的主翼，选择GOE234型作为前翼的襟。得到雷诺数数值和所选翼型后，将其放在同一雷诺数中变化攻角的范围进行比较得出图1和图2，可知升力最大在12°左右，阻力最大在-2°左右，而升阻比在7°左右最大。因此，采用7°为主翼和襟翼的攻角。

1.2 扩散器的设计

扩散器安装在FSC赛车底部，它利用了文丘里管效应，即气流被压缩在很小空间（底盘下面）内，后续进入扩散器后体积突然扩大几百倍，车辆高速度行驶时得不到外部空气补充，就会导致空气在扩散器内形成真空，从而形成压差，提升下压力，使轮胎有更好的抓地力，是很有效的空气动力学部件。对于扩散器的设计需要关注更多，首先要确保扩散器设计的曲率要同理论相符，保证气流高速流动时不会与扩散器通道剥离，由于扩散器末端的喇叭状出口，若曲率过大就会导致气流与扩散器内壁脱离，降低扩散器导流效率，同时还可能出现涡流，而在出口处增加隔板能够有效防止涡流的产生。以300 mm的曲率差为间隔，能得到不同弧度下的下压力和阻力的对应关系，结果表明，弧度越大，提供的下压力也越大；其次需要考虑和发动机及悬架的干涉问题。

1.3 尾翼的设计

因赛车尾翼安装方式与机翼相反，当空气流经尾翼时将产生气压差来增加赛车的下压力，以提高车辆的操纵稳定性，并且能通过优化尾部的气流来减小赛车的气动阻力。通过对比分析，本设计采用组合翼的形式，包括三层翼板，最底层为主翼，主要起导流作用，中间和上边的翼片为襟翼，襟翼角度及攻角逐渐增大。主翼和襟翼分别采用之前分析的升阻比最大时攻角为7°的NACA6413型和GOE234型，它们之间的间隙定为10 mm。在尾翼两侧端板设计上，一方面要在主翼片上端的部位开设三条导流槽，目的是减少气流对翼片的阻力和主翼片上大量气流堆积形成的漩涡对翼片工作效率的影响；另一方面是在端板的下端也开三道槽，目的是减小赛车在转弯时受到的空气阻力。

2 模型前处理

基于车身基本造型，在CATIA中装配上设计的空气动力学套件后的整车三维模型如图3所示，再将此模型转换成IGS文件后导入FLUENT模块中。使用CATIA创建生成赛车的外流场计算域，计算域选取以入口边界距离车体2倍车长，出口边界距离车体5倍车长，高度为3倍车高。因为主要分析整车及整车后方的部分流场，所以对其进行加密处理，这样能使网格划分更加精确。对外流场计算区域网格的划分采用了ANSYS WorkBench集成环境中的Mesh模块，网格要求简单且便于求解。车身和空气动力学套件等关键表面需要采用较细的六面体网格单元进行网格划分。最终的网格生成情况如图4所示，网格数量接近360万个，数量非常可观。图4右下角表示网格的质量，可以看出只有很少的一部分网格小于0.1，总体来说划分的网格质量很好，有利于分析的进行。通过大量的实验表明，Realizable K-ε模型相对于其他模型，处理气体涡流和复杂的数值模拟时结果更加精确，故本文采用Realizable K-ε模型以及有限体积法进行模拟。由于赛车外围流场的数值模拟是在有限元区域进行的，因此，再对计算区域的边界条件进行设置，具体施加条件如表1所示。

3 外流场仿真结果对比分析

根据上述设定的赛车计算模型，分别对有无空气动力学套件的赛车整车进行外流场计算模拟分析，将结果进行整理对比分析。

3.1 三维外流场速度矢量图对比

赛车附近流场的速度矢量图如图5所示。从图5(a)中赛车头部方框处可以看出，运动中气流首先遇到赛车车头部顶点，在此处，气流阻塞且流速降低。气流从此处开始分成四部分流出，两部分从车头侧面流出，一部分流向车顶，一部分流向车底。流向车顶部的气流在车头前部开始提速，在到达车头后缘时分离。从图5(b)中能看到，在加装空气动力学套件后，气流先经过前翼，然后分成四部分，一部分经过车头流向驾驶舱，一部分经过鼻翼绕开前轮流向后方，另一部分经过

鼻翼与车身的间隙顺着车身侧面流向水箱，达到降温的目的；还有一部分直接从车底经过扩散器加速后流出。相比之下，加装空气动力学套件后的赛车对空气动力学要求更为严格，在导流方面作用更突出，具有较好的空气动力学性能。

3.2 三维外流场压力分布图对比

赛车车身及空气动力学套件表面的压力分布如图6所示。通过分析未安装空气动力学套件赛车的压力分布图可以看出，赛车运动中主要的压力分布在赛车车身前端位置1、赛车轮胎位置2、赛车驾驶员3。从图6中可以看出，在加装空气动力学套件后，赛车前轮的下压力明显减小，出现的压强较大的部位分别是鼻翼、驾驶员、尾翼和轮胎。由图6可知，为了增加下压力，尾翼与鼻翼处空气阻力必然会增加，因此，只能在保证提高升力的情况下尽量降低阻力。通过两幅云图的对比可以发现，赛车的前轮表面都是高压区域，而在鼻翼的导流作用下，加装空气动力学套件的赛车前轮前部的高压区范围明显减少许多。

3.3 气动升力和阻力

3.3.1 计算公式

升力系数和风阻系数的计算公式分别为

式中，为气动阻力；为空气密度；为车身正投影面积；为车速；为上升力。

3.3.2 结果分析

根据分析结果和相关公式计算得出有关数据，如表2所示。表2对比了加装空气动力学套件前后气动力及气动系数的变化情况，可以看到，在加装空气动力学套件后，虽然风阻系数由0.31增大到0.81，但赛车的升力系数由0.16增大到-1.82，相比之下，气动升力特性由正变为负，且增幅很大。虽然加装空气动力学套件后整车的阻力增加了208.83 N，但下压力却增大了609.97 N，整车的升阻比从0.51提高到2.18，有效提升了赛车的抓地性能，且赛车在制动和转弯时的性能也有显著提高。同时由于鼻翼的加装，轮胎的阻力得到了很大的下降，从60.52 N下降到33.49 N。分析结果表明，赛车在加装空气动力学套件后气动性能有较大的提升。

4 实验验证

为了验证所建立的计算模型和分析结果的正确性，把设计分析的方案制成实物，安装在赛车上测试实际效果。运用碳纤维材料，并采用抽真空的加工工艺制作空气动力学套件。

“8”字绕环和高速避障是FSC大赛中两个重要的动态比赛项目，也是空气动力学套件影响较为显著的项目。通过测定安装空气动力学套件后赛车完成两个项目的时间来定性说明空气动力学套件起到的关键作用。两个项目的测试成绩如表3、表4所示。可以看到，安装空气动力学套件后赛车表现有较大提升，在“8”字绕环项目中平均成绩提高0.2 s左右，而在高速避障中成绩提升更加明显，可以提升2s～3s。并通过计算得到的车手测试成绩标准差可以发现，车手的驾驶稳定性也得到了一定的提升。

表3“8”字绕环成绩5次测试结果

5 结论

结合FSC方程式赛车的具体情况，运用三维建模软件CATIA设计了符合赛事要求的空气动力学套件，包括前鼻翼、扩散器和尾翼，并应用软件ANSYS对建立的整车模型进行了外流场分析。仿真分析结果表明，加装空气动力学套件后的赛车与之前相比，气动升力系数由0.16提升到-1.82，下压力显著增加，同时升阻比由0.51提升到2.18，气动性能优越，赛车在制动和转弯时的稳定性都有较大提高。最后，对两个重要的赛事动态项目的实车测试进一步检验了本文设计方案的合理性。总体而言，加装空气动力学套件后的赛车抓地力增大，赛车在直道和弯道的表现也更好，操纵性能较去年有较大提高。