F S C賽車空氣動力學套件的建模與流場分析

鄭燕麗，張 興，顧 迪，巴炳權，倪 彰

（江蘇理工學院汽車與交通工程學院，江蘇 常州213000）

大學生方程式賽車（FSC）是由在校大學生根據大賽相關規則，自主設計的一輛單座賽車。賽事的舉辦豐富了學生的理論知識，鍛煉了學生的工程實踐能力，提高了學生創新意識和團隊協作能力。

安裝空氣動力學套件，目的是在賽車高速行駛時，能夠造成一定的下壓力，用以消除大部分上升力的影響，并能夠有效地降低風阻系數，增強操縱穩定性，使得賽車在高速運動中保持良好的性能。

1 空氣動力學套件翼型特性及參數分析

在設計中所用的翼型是從伊利諾伊州大學翼型庫選的，翼型是經過分析它們在不同攻角下的下壓力、阻力及升阻比后篩選的，但不應該僅僅只關注這些數據，最重要的是找到這幾個數據的變化趨勢，通過變化趨勢，分析其變化原因，并進而指導下一組更小范圍的對比實驗。選翼型是個重復再重復的過程，選出了一個好的翼型之后，會對后續設計帶來極大的便利，也可以一直沿用下去。

主翼加襟翼的組合式翼型可以保證翼型在大攻角下不失速，極大地提高升力系數。但是升阻比是根據主翼和襟翼相對位置的改變而發生變化，因此主翼和襟翼的位置必須要先確定好。翼型組合的確定關鍵是要找到變量。本次選擇的是兩式組合翼型，從翼型的側面看，兩片翼都有極大的活動空間?？偣ソ鞘怯绊懸硇蜕璞鹊牧硪粋€重要的因素，但是由于升阻比會隨著翼型組合的變化而變化，所以很難保證翼型變動的同時總攻角不變。因此，選擇攻角的原則就是保證變量統一，在大梯度下做多組對比實驗，找到規律后，再做小梯度實驗。升阻比對于整車來說越大越好，在其他變量不變的情況下以阻力系數和升力系數為變量，如圖1所示，用不同的顏色色區分圈速區間，如果升阻比范圍已經基本確定，權衡條件就需要適當改變。如果賽車的升力系數為2.45，阻力系數是1.1，則升阻比為2.23，其在圖中對應的是下面圈位置；如果賽車的升力系數為3.3，阻力系數是1.6，則升阻比為2.19，其在圖中對應的是上面圈位置。實際的選擇需要與動力、輪胎、底盤進行合理的匹配，直接從圈速上體現出來。總之，下壓力和阻力的取舍最終取決于圈速，在設計階段可以借助圈速仿真來指導升力阻力的趨勢選擇，而在實車測試階段也需要做大量的調試工作。

圖1 升阻比示意圖

針對FSC賽車而言，它的平均速度在20 m/s左右，在這種較低速度下較容易實現導流措施。在慣性下高速氣流會增強，因為氣流有粘性，所以墻壁走勢的變化會使靠近壁面的氣流貼合著墻壁流動并隨之改變其流向，一般簡化稱為氣流貼壁效應，如圖2所示。

圖2 車輪分析示意圖

升力翼空氣動力學特性隨著它的結構不同也不盡相同，這些特性與翼型的弧度、翼型攻角、后弦比成正比。升力翼的設計主要體現在前鼻翼和后尾翼上，設計主要依靠不同的組成和組合方式來獲得足夠的負升力。氣流分離的產生是由于攻角過于大或者翼型的弧度過大，這將會造成很大的氣動阻力，并且要比粘性和摩擦阻力大，與此同時也會造成動力損失。針對FSC賽車升力翼的特殊情況，需要選擇擁有一定弧度的、升力系數較大、雷諾數較低的升力翼翼型，以得到較大的壓力[1-2]。

2 空氣動力學套件結構設計

2.1 前翼設計

前翼的設計理念是通過選取增大升力翼的尺寸、大弧度的翼型來提高負升力。受到FSC設計規則的影響，鼻翼與前輪的距離很近，這導致了設計上必須使得前鼻翼要足夠的大，把車輪阻擋住，將氣流從車輪邊導過，使得氣流不與車輪正面沖突，減少阻力。本次設計的前鼻翼具有三層翼型設計方案，如圖3所示，底部采用傳統的兩片式設計，在前端左右兩邊加裝短小的翼片，用于平衡氣流的作用，與此同時在中間部位加裝兩片隔板，分開受干擾氣流和干凈氣流。作為氣流最先到達的部位，前翼受到前輪的影響巨大，這種形式的設計能最大程度的降低這種干擾，保證對發動機散熱影響較小的同時達到增加下壓力的根本目的。

圖3 前翼設計示意圖

2.2 尾翼設計

根據FSC大賽賽事規則，尾翼得設計要求則比鼻翼簡單得多，只需要盡可能的增大負升力，提高下壓力即可。經過多方面的研究和資料查詢，最終決定采用三層翼片的結構，結構的具體三維圖如圖4所示。頂層分布兩層翼片，底部單層翼片，側邊有導流的開槽，也是具有一定的弧度。這種翼片形式是組合式的翼片，升力翼選擇了大面積的翼片，升力翼之間留有合理的間隙和弧度，使得氣流流經時能產生較大的升力系數。尾翼安裝應與駕駛員頭部相持平，過高或過低會導致氣流導入受到干擾，無法產生預期效果。頂層的兩個翼片由于離地面的距離較遠，收到地面的影響也最小，流經氣流得流速也十分迅速，而處于最底層的翼面需要有較為上揚的曲線和較小的攻角，因為它主要的作用是導流，使氣流貼緊翼面滑過，并且使氣流在流過時流向頂層翼片的吸力面，以便于得到更好的氣動性[3-4]。

圖4 尾翼設計示意圖

3 整車空氣動力學流體仿真分析

3.1 流體域的建立

流體域的建立類似于風洞的模擬，如圖5所示將所賽車模型放入計算好的空間里，這個外部空間就是流體域。賽車在流體域之中，沒有空間的限制，唯一與空間有所聯系的就是輪胎，輪胎底部需要與地面接觸，模擬賽車在地面行駛的過程。

圖5 流體域示意圖

流體域一般在仿真過程中被設置成為一個長方體，具體地長寬高和所計算地模型尺寸有所關聯。流體域有邊界條件，在建立域之前，先了解車身三維模型地數據參數。車身前地入口邊界處前越需要2～3倍車長，后面約為5～7倍車長，高度約5倍車高，左右約為2～3倍車寬，車輪按照上述所說與地面接觸。

3.2 網格劃分

劃分網格對于CFD仿真來說是極為重要的部分，無論是需要精準的計算還是分析模擬出流場之中流體的運動情況，都需要細膩的網格劃分來虛擬出物質以及流體。一般網格劃分需要用到ICEM模塊，大體的劃分過程從面網格開始，然后設置密度區，接下來是體網格，最后則是邊界層。針對于面網格的劃分，由于計算機是位二進制計算方法，所以各個部分網格數據最好選用2的階層來劃分。密度區簡而言之就是對所選模型的周圍區域生成適合的密度。按照順序生成網格，根據設計過程中的參數，數量會有所不同，并且隨著數量的增多，計算得到的數據也相應的更加準確，而且劃分的圖形形狀越標準，計算所得結果越迅速，并且還能保證良好的收斂性。整車網格劃分如圖6所示。

圖6 車身網格劃分

3.3 流線分布

經過計算以后，得到了車身表面壓力云圖，如圖7所示。從圖片中可以看出，前兩個車輪、車身前端和駕駛員頭部壓差阻力十分的明顯，這些地方都是處在迎風面的受力之處。如圖8所示對賽車對稱面速度分布云圖進行分析。從圖中可以看出，氣流在流經駕駛員頭頂的時候，速度達到了巔峰。氣流沿著車身流動，再遇到駕駛員車身前遇到了阻礙，在車身前形成了渦流，使得后面的氣流受到了阻塞，使駕駛員受到了沖擊。在賽車高速行駛時，危險等級達到較高的層次，可能會很大程度上對駕駛員的頭部和脊椎造成較大的負擔甚至于不同程度的損傷。

圖7 整車仿真分析壓力云圖

圖8 賽車對稱面速度矢量圖

從各個分析示意圖中還可以看到，賽車的尾部在運動過程中處于極其不穩定的狀態，因此需要加裝尾翼以保持整個車身的穩定性。尾翼的位置大概與駕駛員頭部相持平，以獲取較大的氣流速度，并且也不會因為重心過高過低而造成側翻或喪失其應有的效應。

4 結束語

本文通過分析與計算賽車定風翼空氣動力學特性、優化翼型攻角、優化擴散器離地間隙并且運用FLUENT對空氣動力學套件進行網格劃分、求解邊界條件、仿真其流線分布。其結果表明該分析方法切實可行，符合設計要求。設計參數及分析結果可為方程式賽車空氣動力學套件結構設計提供理論依據。