FSC賽車空氣套件CFD優化設計

鄧召文，王兵

（湖北汽車工業學院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

設計研究

FSC賽車空氣套件CFD優化設計

鄧召文，王兵

（湖北汽車工業學院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

在滿足FSC賽車設計規則要求前提下，對空氣套件進行了結構優化設計，重點完成了賽車尾翼的優化設計和分析。利用CFD技術對賽車車身模型進行了外流場分析，并通過在賽車尾部加裝不同間隙和攻角的尾翼，進行車身外流場模擬對比分析，研究尾翼在改善賽車氣動特性方面的影響規律，研究確定了空氣動力學裝置在不同比賽項目時的調教策略。通過對比分析賽車車輛周圍氣流的壓力分布和速度分布規律，研究高速賽車的負升力效果，對于提高賽車的操縱穩定性和安全性具有非常重要的意義，對于指導賽車尾翼的正確安裝、確定尾翼在不同比賽項目時的調教策略有一定的指導意義。

FSC賽車；尾翼；數值模擬；CFD

CLC NO.:U462; TP391.7Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-22-06

前言

世界大學生方程式汽車大賽FSAE創辦至今已經有三十多年的歷史，隨著FSAE比賽水平的不斷提高，賽車發動機、底盤技術日益走向成熟，賽車設計者們將借鑒和研究的方向轉向最高水平的F1方程式賽車，從F1賽車優異的空氣動力學技術上找到更高的跳板。于是眾多強隊都開始對賽車的氣動性能進行深入探究，設計了很多帶有空氣動力學套件的賽車。為了提升湖北汽車工業學院HUAT車隊賽車的技術水平，提升賽車的操縱穩定性，本文從空氣動力學的角度出發，利用CFD技術對賽車空氣套件前后擾流板的截面形狀進行合理選型及結構優化設計，對空氣動力學裝置在不同比賽項目時的安裝策略進行了研究分析。

1、車身與空氣套件CFD建模

1.1 三維數字化建模

首先用CATIA軟件IMA模塊對車身進行結構設計，同時運用GSD模塊分割出散熱器進風口，并利用profili翼型軟件對前后擾流板進行初步優化選型與建模，如圖1所示。

為了準確貼合賽車實際行駛情況，將車輪以圓柱代替作了簡化處理。汽車放在風洞中，根據經驗[1]，確定了長方體形的計算域，假設汽車模型長為L，寬為w，高為H，則計算域的尺寸為汽車前部取3L，側面取4W，上部取4H，汽車后部取7L[2][3]，如圖2所示。

1.2 控制方程

流體流動要受物理守恒定律的支配。基本的守恒定律包括：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。由這些定律可以分別導出質量方程、動量方程和能量方程。由它們可以聯立得到納維爾一斯托克斯方程組，簡稱為N-S方程組。N-S方程組是流體流動所需遵守的普遍規律[4]。為了便于對各控制方程進行分析，并用同一程序對各控制方程進行求解，用φ表示通用變量，則各控制方程的通用形式如下[5]：

其展開形式為：

式中，φ為通用變量，可以代表u、v、w、T等求解變量；Г為廣義擴散系數：S為廣義源項。式(2)中各項依次為瞬態項、對流項、擴散項和源項。對于特定的方程，φ、Г和S具有特定的形式[6]，表1給出了三個符號與各特定方程的對應關系：

表1 通用控制方程中各符號的具體形式Table.1 The specific form of symbols in general control equation

1.3 計算網格剖分

網格劃分越細，分析精度越高，計算時間也越長。因此需要一定的經驗選取合適的網格劃分方法。由于車身以及空氣套件表面是關鍵表面，因此采用較細的六面體網格單元，便于后面的體網格劃分，網格模型總的網格單元數為910170，如圖3所示。

1.4 邊界條件

汽車周圍的流體是空氣，空氣是粘性氣體。高速行駛的汽車，當車速高達300km/h時，其馬赫數約為0.245。由計算流體動力學的知識可知，對于馬赫數M≤0.3的流體流動，按不可壓縮流體流動計算所引起的誤差很小。因此目前的高速汽車車身周圍流場一般按定常、等溫、不可壓縮的三維流場處理。而對FSC賽車來說，最高速度都小于200km/h，因此空氣動力學研究可以把周圍氣體考慮成不可壓縮的。考慮到由于車身復雜外形引起的分離，應按湍流處理[7]，湍流強度及耗散率分別取1.5%、0.015。地面設置為移動地面，車身表面設置為無滑移的固壁條件。

2、FSC賽車空氣套件優化對比分析

2.1 尾翼間隙的氣動特性分析

2.1.1 尾翼間隙對氣動升力的影響

尾翼與車身表面的距離是一個很重要的參數。間隙過小，會在車身表面形成局部方向上的負壓，從而減小尾翼的作用；間隙過大，雖然在汽車上方可以不受車身氣流干擾而較好的發揮作用，但是對于尾翼支架的強度要求很高，并且美觀性較差[8]。通常這個距離用尾翼離賽車表面的高度h與賽車的軸距l之比來衡量，一般取值0.25≤h/l≤0.62，并且隨著比值的增大，CL的值會變小的[9]。本文對三種尾翼間隙分別為480mm、580mm、680mm進行了數值計算，分析得出了尾翼間隙對氣動升力的影響規律。

表2 不同尾翼間隙模擬所得的氣動升力值Table.2 The simulation aerodynamic lift values for different wing clearance

表2顯示了不同尾翼間隙模擬所得的氣動升力值，即對無尾翼、尾翼間隙分別為480mm、580mm、680mm四種情況進行數值計算模擬的結果。圖4三種間隙的升力系數值對應的折線圖。從模擬結果可以看出，在間隙為480mm處尾翼下壓力取得最大值，而整車的升力系數也是三種間隙中最大的，其原因在于間隙為480mm時，尾翼的升力系數在三者中是最大的。對于賽車而言，尾翼能夠產生超過尾翼自重數倍的下壓力，因此車身部分的升力增加基本上對結果的影響不大。同時可以得出，通過尾翼產生的下壓力在很大程度上降低了整車的升力系數，這也就增加了車輪與地面的附著力，大大改善

了賽車在高速下的動力性和操縱穩定性。

2.1.2 尾翼間隙對氣動阻力的影響

由汽車理論知識可知，汽車的氣動阻力與汽車表面的摩擦阻力與壓差阻力有關，尾翼的間隙與氣動阻力的關系就不會像與氣動升力那樣簡單。表3是對無尾翼、尾翼間隙分別480mm、580mm和680mm四種情況進行的數值模擬計算的結果。

表3 不同尾翼間隙所得的氣動阻力值Table.3 The simulation aerodynamic resistance values for different wing clearance

表3是對不同尾翼間隙模擬所得的氣動阻力值，圖5是對應阻力的折線圖。可以看出，加裝尾翼會增加整車的阻力系數，但是增加的幅度并不大。同時可以說明，恰當的尾翼間隙可以在不增加阻力系數的前提下，大大的降低升力系數。當間隙為480mm時，阻力系數是四種情況中最大的。圖5是對數據變化的直觀體現，更能清楚地看到阻力系數的變化走勢。

2.2 尾翼攻角的氣動特性分析

2.2.1 尾翼攻角對氣動升力的影響

氣流流過尾翼上表面會產生一個向上偏斜的趨勢，這樣一來，會減小氣流相對尾翼的攻角，從而使得負升力減小。但是如果尾翼的角度設計得好，不僅可以產生局部負升力，而且還可以通過它來改善整車尾部氣流狀況來減小氣動阻力[10]。

通過上面的分析對比，本次取尾翼間隙為480 mm，對攻角分別為10°、20°和30°三種情況的模型進行了數值模擬計算分析。由此得出了尾翼攻角對氣動升力的影響規律。

表4 不同尾翼攻角模擬所得的氣動升力值Table.4 The aerodynamic lift values for different wing angle of attack

表4是對不同尾翼攻角模擬所得的氣動升力值，圖6是對應升力值的折線圖。可以看出，加裝了尾翼后整車的升力系數明顯減小，隨著尾翼攻角的不斷增大，整車升力系數逐漸增大，并且車身的升力系數逐漸減小，因而改善了賽車的操縱穩定性。

2.2.2 尾翼攻角對氣動阻力的影響

表5 不同尾翼攻角模擬所得的氣動阻力值Table.5 The aerodynamic resistance values for different wing angle of attack

表5是對不同尾翼攻角模擬所得的氣動阻力值，圖7是對應阻力值的折線圖。可以看出，加裝了尾翼之后會增加整車的阻力系數，且隨著角度的增加，阻力系數逐漸增大，車身的阻力隨角度的增加變化不大，但是尾翼的阻力隨著角度的增加變化較為明顯。

2.3 尾翼周圍流場對比分析

圖8為無尾翼與不同攻角尾翼速度流線圖，通過對尾翼攻角10°與無尾翼模型速度流線圖對比可知，來流流過擾流板有明顯上揚，由于攻角較小，產生的負升力也較小。

通過10°和20°攻角模型流線圖對比，可以看出較大的攻角能夠產生更大的擾流作用，提供更大的下壓力。氣流沿10°攻角模型上下表面流過，沒有出現附面層分離，20°模型下層翼板下表面有輕微附面層分離。當采用30°攻角時，附面層分離現象較為嚴重。

鼻錐是影響FSC賽車穩定性的重要因素之一，它是賽車車身的前半部分，決定著通過車身上下方、散熱器、后擾流板的氣流比例及方向的關鍵性部件，如圖9所示。通過俯視圖觀察氣流經過前鼻翼和鼻錐之后在前輪周圍形成低壓區，減少了前輪的干擾阻力。鼻翼前上層翼板與車身之間留有足夠空間，使前方未受繞流影響的氣流能直接進入散熱器，保證散熱效果，增加賽車在耐久性項目上的穩定性；受前鼻翼的繞流作用影響的氣流與流過車身和散熱器的氣流在車尾匯合，順利流向后方，沒有產生渦旋，如圖10所示，證明本次在氣動造型設計上的整體效果是比較滿意的。

3、結論

本文描述了空氣套件的優化設計，重點完成了尾翼的優化設計，研究了不同間隙與攻角尾翼CFD模型的氣動特性，并通過對CFD數值模擬結果進行對比分析，得出了它們對氣動特性的影響規律，根據相應的規律得出了在不同比賽項目中尾翼的調教策略，結論如下：

（1）75m直線加速：不使用前翼尾翼，將阻力減少到最低，可使用底部擴散器，這樣在加速末段可以提供一定的下壓力。

（2）耐久賽：尾翼擾流板可調至10°～20°之間，在不增加過多氣動阻力的情況下提供適度的下壓力，兼顧操縱穩定性與燃油經濟性。

（3）高速壁障：尾翼擾流板可調至20°左右，在賽車加速性能允許的范圍內，增加不多的氣動阻力，提供更多的下壓力，兼顧加速性能與彎道性能。

（4）8字繞環：尾翼擾流板可調至30°左右，增加的氣動阻力可以通過增大油門開度來彌補，用

以獲得更大的下壓力，提高單圈速度。

[1] 郭軍朝．理想車身氣動造型研究與F1賽車空氣動力學[D].湖南：湖南大學，2007.

[2] 王淼，劉振俠，黃生勤．FLUENT在汽車外形設計中的應用[J].機械設計與制造，2005，（4）：71-73.

[3] 李楚琳，李堰．車身外流場數值模擬[J]. 湖北汽車工業學院學報，2011，25（2）: 9-11.

[4] 任斌．后擾流板對汽車空氣動力學特性影響的模擬研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[5] 張若平．后擾流板角度對汽車尾部受力的影響的分析[J].中國農業大學工學院，2007.

[6] 呂立坤．擾流板對轎車氣動特性改善的數值仿真[D].吉林大學，2006.

[7] 任斌．后擾流板對汽車空氣動力學特性影響的模擬研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[8] 陳蒨，周江彬，劉勁松．尾翼對車輛的空氣動力學影響模擬分析及試驗驗證．上海大眾汽車有限公司[J]，2012,2.

[9] Matthew Jasper，Katherine Rudell，Hiroshi Sakurai，The Application of Design of Experiments to CFD Studies of Racecar Wing Configurations，2006.

[10] 康寧，姜巖．尾翼攻角對斜背式轎車氣動力特性影響的研究[J]．空氣動力學學報，2006.

The Structural Optimal Design for the air kit of FSC racing car Based on CFD

Deng Zhaowen,Wang Bing
(Department of Automobile Engineering, HuBei Institute of Automotive Technology, Shiyan HuBei 442002)

under the premise of meeting the FSC racing car design rule requirement, the air kit structural optimization design is completed, focusing on the completion of the racing wing optimization design and analysis. First, CFD software FLUENT is used for car body model for the flow field analysis, and through adding the wing of different attack angle and clearance at the end of the car and carry out comparative analysis of body flow field simulation to study the aerodynamic characteristics of the wing in improving aspects of racing law, the study identifies the aerodynamic devices on different events when tuning strategies. Through comparative analysis of the airflow around the vehicle racing pressure distribution and velocity distribution of high-speed racing of negative lift effect, for improving the car's handling and stability and security has a very important significance for guiding racing wing installed correctly identified in the wing different events when tuning strategy has certain guiding significance.

FSC racing; rear wing; numerical simulation；CFD

U462; TP391.7

A

1671-7988(2014)03-22-06

鄧召文，講師，碩士，就職于湖北汽車工業學院，主要從事汽車檢測與診斷、CFD分析研究。

項目編號：FSC賽車設計開發項目：2013052。