大學生方程式賽車空氣動力學套件設計

胡 溧，羅世敏，楊啟梁，楊 勝

(1.武漢科技大學汽車與交通工程學院,湖北 武漢,430081；2.東風商用車有限公司技術中心，湖北 武漢,430056)

大學生方程式賽車空氣動力學套件設計

胡 溧1，羅世敏1，楊啟梁1，楊 勝2

(1.武漢科技大學汽車與交通工程學院,湖北 武漢,430081；2.東風商用車有限公司技術中心，湖北 武漢,430056)

針對武漢科技大學FSC赤驥車隊設計的賽車，進行空氣動力學套件的設計。首先進行定風翼及擴散器的設計和建模，并利用FLUENT軟件對定風翼進行空氣動力學仿真優化；然后把空氣動力學套件安裝在賽車上，建立整車模型，進行常用工況下整車的空氣動力學仿真，分析加裝空氣動力學套件對賽車高速穩定性及轉彎性能的影響。結果表明，加裝空氣動力學套件后，賽車的高速穩定性和轉彎性能均有明顯提升。

FSAE；空氣動力學；定風翼；擴散器；攻角；升阻比；仿真分析

大學生方程式賽車(FSAE)在國際上被視為“學生界的F1方程式賽車”。近年來，FSAE賽事在中國得到大力發展，全國許多高校積極參加比賽。隨著比賽競爭激烈程度的增加，前、后定風翼和擴散器等空氣動力學套件越來越多地應用在賽車上[1-2]。本文針對武漢科技大學FSC赤驥車隊設計的賽車，進行空氣動力學套件的設計，以達到提高賽車運動穩定性和安全性的目的。

1 原車氣動性能仿真分析

為研究賽車的氣動阻力與氣動升力特性，在FLUENT中建立原車的簡化計算模型并確定外流場計算域。一般根據風洞測試經驗來確定外流場計算域，計算域長度為5～7倍的車長，寬度為3～4倍的車寬，高度為4倍的車高[3]。所建立的外流場計算模型取計算域的長為12 500 mm，寬為4500 mm，高為4000 mm，如圖1所示。

圖1 賽車外流場計算模型

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

賽車在行駛中，阻力和升力都會隨著車速的變化而改變。對車速為10、20、30 m/s工況下原車的氣動力進行仿真計算，結果如表1所示。從表1中可知，原車在低速行駛時所受阻力很小，但隨著車速的提高，阻力會急劇增大，形成不可忽略的阻礙作用；輪胎阻力超過了總阻力的40%，可通過降低輪胎阻力減少整車的阻力；隨著車速的提高，車身升力也顯著增大，升力太大會導致車輛對地面的附著力減小，降低賽車高速行駛的穩定性，同時不利于賽車快速轉彎[4]。因此，有必要為賽車設計一套合適的空氣動力學套件以提高其高速行駛穩定性和安全性。

表1 不同車速時車身部件的氣動力(單位：N)

Table 1 Aerodynamic force of vehicle parts at different vehicle speeds

2 賽車空氣動力學套件的設計

2.1 前后定風翼的選擇及優化

定風翼的作用是利用空氣流經其表面時的壓力差形成下壓力。由于NACA640翼型的升阻比較高、氣動特性較好，同時考慮到車速、設計加工成本等因素，故本次設計的賽車前、后定風翼選取幾何尺寸一樣的雙片式NACA640翼型，其三維模型如圖2所示。

圖2 定風翼三維模型

Fig.2 3D model of the wing

定風翼的升阻比隨其翼片攻角的改變而改變，因此須對定風翼攻角進行優化選擇。本文先確定雙片式組合翼中主翼攻角，再根據主翼攻角來確定襟翼攻角。

建立單片主翼時定風翼的三維幾何模型。將模型導入ANSYS中劃分網格，再在FLUENT中進行邊界條件設置及計算，根據賽車的實際工況，將來流速度取為20 m/s。計算可得大步長攻角下主翼的升阻比，如表2所示。由表2中可見，單片主翼攻角為0°～8°時，其升阻比是逐漸升高的；而當攻角為8°～16°時，其升阻比開始下降。依據一維搜索法可以確定，攻角為4°～8°時升阻比存在最值。在4°～8°之間縮小迭代步長，以1°的步長進行仿真計算，邊界條件保持不變，只調整

主翼攻角，計算結果如表3所示。由表3可知，攻角為5°時，單片主翼可獲得最大升阻比。

表2 大步長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 小步長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

在單片主翼的基礎上，加入襟翼，并建立組合翼的三維幾何模型進行仿真計算，邊界條件不變。計算可得主翼攻角為5°時，不同襟翼攻角下組合翼的升力、輪胎阻力與升阻比的值如表4所示。由表4中可知, 主翼攻角為5°時，隨著襟翼攻角的增大，組合翼升阻比單調減小，而組合翼的升力卻呈先增大后減小的趨勢。因為組合翼的設計是為了在阻力增加的可控范圍內盡量加大下壓力，而從表4中可見，這幾個攻角下的賽車的輪胎阻力都小于50 N，所以選取的目標攻角應是確保升力最大時的攻角，而不是升阻比最大時的攻角，可見襟翼攻角選取25°為最佳。

綜上所述，本賽車組合翼的主翼攻角選取為5°，襟翼攻角選取為25°。

2.2 擴散器的設計

由于賽車底盤距地面的高度很小，氣流受空氣黏性的影響，流速較慢，對車身產生向上的升力，不利于賽車行駛，因此須在賽車尾部加裝擴散器。加裝擴散器后，底盤下方的氣流流出底盤進入擴散器時，氣流會由于康達效應而順著擴散器的斜坡流動，使車底氣流的流速加快。根據伯努利方程，流速高的地方壓強低，車底由于氣流的高速運動而形成了低壓區，便使車身獲得了巨大的負升力，有利于賽車保持高速行駛的穩定性。

根據原賽車的尾部尺寸和離地間隙，借鑒相關的設計經驗[5]，將擴散器兩側通道長度設計為660 mm,擴散角設計為10°，其三維模型如圖3所示。

圖3 擴散器三維模型

Fig.3 3D model of the diffuser

3 加裝空氣動力學套件后賽車氣動性能仿真分析

3.1 賽車氣動力的變化

建立加裝動力學套件后賽車的三維模型如圖4所示。對車速為20 m/s時賽車的行駛情況進行外流場仿真分析，計算結果如表5所示。比較表5與表1可知，加裝空氣動力學套件后，賽車由正升力特性轉變成負升力特性，其高速行駛時的抓地性能顯著提高，穩定性得以提升；加裝空氣動力學套件之后整車的阻力增加了41.4 N，而下壓力卻增大了510.9 N，表明空氣動力學套件的加裝雖然會有增阻的副作用，但增大下壓力的效果更為明顯。

車速為20 m/s時，安裝空氣動力學套件前后整車的靜壓云圖如圖5所示。對比圖5(a)、(b)可以看出，安裝空氣動力學套件后賽車輪胎的高壓區面積較未安裝空氣動力學套件時輪胎的高壓區面積稍有減小。

圖4 安裝空氣動力學套件的賽車模型

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 賽車不側滑時的最大轉彎速度比較

賽車不側滑時的最大轉彎速度為[6]

(4)

式中：ε為車輛側向力附著系數；m為賽車質量；R為賽車的轉彎半徑；G為賽車重力;G′為安裝空氣動力學套件后賽車增加的額外下壓力。

由式(4)可看出，在地面情況不變即ε不變時，賽車不側滑時的最大轉彎速度與下壓力G′有關，G′越大，則轉彎能達到的最大速度Vhmax也越高。

本文中，賽車原車的質量為326 kg,空氣動力學套件質量為6.3 kg，取ε=0.9，計算可得加裝空氣動力學套件前后賽車不側滑時的最大轉彎速度如表6所示。

表6 賽車不側滑時的最大轉彎速度

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

由表6中可知，安裝空氣動力學套件后，賽車不側滑時的最大轉彎速度明顯增大，增幅約為7.8%。

3.3 賽車不側翻時最大轉彎速度比較

賽車不側翻情況下的最大轉彎速度為

(5)

式中：B為賽車輪距；h為賽車質心高度。

安裝空氣動力學套件前后賽車不側翻時的最大轉彎速度如表7所示。由表7可知，安裝空氣動力套件后，賽車不側翻時的最大轉彎速度明顯提高。

表7 賽車不側翻時的最大轉彎速度

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

4 結語

本文結合武漢科技大學FSC赤驥車隊賽車的具體情況，設計了符合大賽要求的空氣動力學套件，包括前、后定風翼及擴散器。對加裝空氣動力學套件前后賽車的氣動特性的仿真分析表明，所設計的空氣動力學套件能在賽車阻力增加較少的前提下，較大地增加賽車的下壓力，有效地提高了賽車的過彎速度和行駛穩定性。

[1] 張國忠,賴征海. 汽車空氣動力學與車身造型研究最新進展[J]. 沈陽大學學報,2005,17(6)：39-44.

[2] 鄧召文，王兵.FSC賽車空氣套件CFD優化設計[J]. 汽車實用技術，2014(3):23-27.

[3] 郭軍朝. 理想車身氣動造型研究與F1賽車氣動特性初探[D].長沙：湖南大學，2007.

[4] 潘小衛. 賽車CFD仿真及風洞試驗研究[D]. 長沙：湖南大學，2009.

[5] 焦雅麗. 大學生方程式賽車外流場模擬分析及結構優化[D]. 昆明：昆明理工大學，2013.

[6] 曾飛云. 萬得FSC賽車空氣動力學特性研究[D].錦州：遼寧工業大學,2014.

[責任編輯 鄭淑芳]

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

國家自然科學基金資助項目(51105283).

胡 溧(1977-), 男, 武漢科技大學副教授，博士.E-mail:hunklin@163.com

U463.1

A

1674-3644(2015)05-0377-04