FSC賽車空氣動力學套件的設計及流場分析

吳全君，曹 原，李風剛，朱興軍，姜新甜，呂其峰

（1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261000；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

中國大學生方程式（Formula Student China,FSC）汽車大賽是一項由全國高等院校汽車工程和汽車相關專業的在校學生參加的汽車設計與制造比賽。賽事規則使得賽車在賽道中的最大速度不能超過140 km/h，但是想要在以彎道為主的FSC賽道中發揮出賽車的最佳性能，就必須提高賽車過彎的速度和出彎后的加速能力，這就對賽車的抓地能力提出了很高的要求。通過加裝空氣動力學套件來改善賽車氣動性能的措施被證明是非常有效的，因為在不增加賽車質量的前提下，氣動負升力（即下壓力）能提升輪胎的附著情況，增強賽車在直線賽道高速行駛時的動力性，并且提高急剎車時的制動力，有利于改善賽車操縱穩定性。

1 空氣動力學套件的設計

1.1 前鼻翼的設計

鼻翼是賽車最先接近氣流的部件，它位于賽車的最前端，首要作用是疏導氣流，減少氣流對輪胎的沖擊阻力；其次是兩片式設計的前鼻翼能夠為車身提供足夠大的附著力并能夠平滑過渡氣流，因此，設計時采用兩片式前鼻翼，其最外面粘接了相應的翼型板，與端板以螺釘方式連接，使其連接更加快速、牢固、隱蔽、整潔，安裝方式與機翼相反以提供下壓力。考慮到賽車周圍的雷諾數比較低，設計時選用低雷諾數的低速翼型，經過對比分析，采用NACA6413型作為前翼的主翼，選擇GOE234型作為前翼的襟。得到雷諾數數值和所選翼型后，將其放在同一雷諾數中變化攻角的范圍進行比較得出圖1和圖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°為主翼和襟翼的攻角。

1.2 擴散器的設計

擴散器安裝在FSC賽車底部，它利用了文丘里管效應，即氣流被壓縮在很小空間（底盤下面）內，后續進入擴散器后體積突然擴大幾百倍，車輛高速度行駛時得不到外部空氣補充，就會導致空氣在擴散器內形成真空，從而形成壓差，提升下壓力，使輪胎有更好的抓地力，是很有效的空氣動力學部件。對于擴散器的設計需要關注更多，首先要確保擴散器設計的曲率要同理論相符，保證氣流高速流動時不會與擴散器通道剝離，由于擴散器末端的喇叭狀出口，若曲率過大就會導致氣流與擴散器內壁脫離，降低擴散器導流效率，同時還可能出現渦流，而在出口處增加隔板能夠有效防止渦流的產生。以300 mm的曲率差為間隔，能得到不同弧度下的下壓力和阻力的對應關系，結果表明，弧度越大，提供的下壓力也越大；其次需要考慮和發動機及懸架的干涉問題。

1.3 尾翼的設計

因賽車尾翼安裝方式與機翼相反，當空氣流經尾翼時將產生氣壓差來增加賽車的下壓力，以提高車輛的操縱穩定性，并且能通過優化尾部的氣流來減小賽車的氣動阻力。通過對比分析，本設計采用組合翼的形式，包括三層翼板，最底層為主翼，主要起導流作用，中間和上邊的翼片為襟翼，襟翼角度及攻角逐漸增大。主翼和襟翼分別采用之前分析的升阻比最大時攻角為7°的NACA6413型和GOE234型，它們之間的間隙定為10 mm。在尾翼兩側端板設計上，一方面要在主翼片上端的部位開設三條導流槽，目的是減少氣流對翼片的阻力和主翼片上大量氣流堆積形成的漩渦對翼片工作效率的影響；另一方面是在端板的下端也開三道槽，目的是減小賽車在轉彎時受到的空氣阻力。

2 模型前處理

基于車身基本造型，在CATIA中裝配上設計的空氣動力學套件后的整車三維模型如圖3所示，再將此模型轉換成IGS文件后導入FLUENT模塊中。使用CATIA創建生成賽車的外流場計算域，計算域選取以入口邊界距離車體2倍車長，出口邊界距離車體5倍車長，高度為3倍車高。因為主要分析整車及整車后方的部分流場，所以對其進行加密處理，這樣能使網格劃分更加精確。對外流場計算區域網格的劃分采用了ANSYS WorkBench集成環境中的Mesh模塊，網格要求簡單且便于求解。車身和空氣動力學套件等關鍵表面需要采用較細的六面體網格單元進行網格劃分。最終的網格生成情況如圖4所示，網格數量接近360萬個，數量非常可觀。圖4右下角表示網格的質量，可以看出只有很少的一部分網格小于0.1，總體來說劃分的網格質量很好，有利于分析的進行。通過大量的實驗表明，Realizable K-ε模型相對于其他模型，處理氣體渦流和復雜的數值模擬時結果更加精確，故本文采用Realizable K-ε模型以及有限體積法進行模擬。由于賽車外圍流場的數值模擬是在有限元區域進行的，因此，再對計算區域的邊界條件進行設置，具體施加條件如表1所示。

3 外流場仿真結果對比分析

根據上述設定的賽車計算模型，分別對有無空氣動力學套件的賽車整車進行外流場計算模擬分析，將結果進行整理對比分析。

3.1 三維外流場速度矢量圖對比

賽車附近流場的速度矢量圖如圖5所示。從圖5(a)中賽車頭部方框處可以看出，運動中氣流首先遇到賽車車頭部頂點，在此處，氣流阻塞且流速降低。氣流從此處開始分成四部分流出，兩部分從車頭側面流出，一部分流向車頂，一部分流向車底。流向車頂部的氣流在車頭前部開始提速，在到達車頭后緣時分離。從圖5(b)中能看到，在加裝空氣動力學套件后，氣流先經過前翼，然后分成四部分，一部分經過車頭流向駕駛艙，一部分經過鼻翼繞開前輪流向后方，另一部分經過

鼻翼與車身的間隙順著車身側面流向水箱，達到降溫的目的；還有一部分直接從車底經過擴散器加速后流出。相比之下，加裝空氣動力學套件后的賽車對空氣動力學要求更為嚴格，在導流方面作用更突出，具有較好的空氣動力學性能。

3.2 三維外流場壓力分布圖對比

賽車車身及空氣動力學套件表面的壓力分布如圖6所示。通過分析未安裝空氣動力學套件賽車的壓力分布圖可以看出，賽車運動中主要的壓力分布在賽車車身前端位置1、賽車輪胎位置2、賽車駕駛員3。從圖6中可以看出，在加裝空氣動力學套件后，賽車前輪的下壓力明顯減小，出現的壓強較大的部位分別是鼻翼、駕駛員、尾翼和輪胎。由圖6可知，為了增加下壓力，尾翼與鼻翼處空氣阻力必然會增加，因此，只能在保證提高升力的情況下盡量降低阻力。通過兩幅云圖的對比可以發現，賽車的前輪表面都是高壓區域，而在鼻翼的導流作用下，加裝空氣動力學套件的賽車前輪前部的高壓區范圍明顯減少許多。

3.3 氣動升力和阻力

3.3.1 計算公式

升力系數和風阻系數的計算公式分別為

式中，為氣動阻力；為空氣密度；為車身正投影面積；為車速；為上升力。

3.3.2 結果分析

根據分析結果和相關公式計算得出有關數據，如表2所示。表2對比了加裝空氣動力學套件前后氣動力及氣動系數的變化情況，可以看到，在加裝空氣動力學套件后，雖然風阻系數由0.31增大到0.81，但賽車的升力系數由0.16增大到-1.82，相比之下，氣動升力特性由正變為負，且增幅很大。雖然加裝空氣動力學套件后整車的阻力增加了208.83 N，但下壓力卻增大了609.97 N，整車的升阻比從0.51提高到2.18，有效提升了賽車的抓地性能，且賽車在制動和轉彎時的性能也有顯著提高。同時由于鼻翼的加裝，輪胎的阻力得到了很大的下降，從60.52 N下降到33.49 N。分析結果表明，賽車在加裝空氣動力學套件后氣動性能有較大的提升。

4 實驗驗證

為了驗證所建立的計算模型和分析結果的正確性，把設計分析的方案制成實物，安裝在賽車上測試實際效果。運用碳纖維材料，并采用抽真空的加工工藝制作空氣動力學套件。

“8”字繞環和高速避障是FSC大賽中兩個重要的動態比賽項目，也是空氣動力學套件影響較為顯著的項目。通過測定安裝空氣動力學套件后賽車完成兩個項目的時間來定性說明空氣動力學套件起到的關鍵作用。兩個項目的測試成績如表3、表4所示。可以看到，安裝空氣動力學套件后賽車表現有較大提升，在“8”字繞環項目中平均成績提高0.2 s左右，而在高速避障中成績提升更加明顯，可以提升2s～3s。并通過計算得到的車手測試成績標準差可以發現，車手的駕駛穩定性也得到了一定的提升。

表3“8”字繞環成績5次測試結果

5 結論

結合FSC方程式賽車的具體情況，運用三維建模軟件CATIA設計了符合賽事要求的空氣動力學套件，包括前鼻翼、擴散器和尾翼，并應用軟件ANSYS對建立的整車模型進行了外流場分析。仿真分析結果表明，加裝空氣動力學套件后的賽車與之前相比，氣動升力系數由0.16提升到-1.82，下壓力顯著增加，同時升阻比由0.51提升到2.18，氣動性能優越，賽車在制動和轉彎時的穩定性都有較大提高。最后，對兩個重要的賽事動態項目的實車測試進一步檢驗了本文設計方案的合理性。總體而言，加裝空氣動力學套件后的賽車抓地力增大，賽車在直道和彎道的表現也更好，操縱性能較去年有較大提高。