FSAE賽車車身與空氣動力學套件設計及其仿真

段磊，劉紹娜，黃炯炯，楊耀祖

FSAE賽車車身與空氣動力學套件設計及其仿真

段磊，劉紹娜，黃炯炯，楊耀祖

（鹽城工學院，江蘇 鹽城 224001）

為了提高賽車的成績，FSAE賽車上通常會引入空氣動力學套件來提高整車的操縱性。文章通過CFD對定風翼翼型、迎角、翼片布置等因素進行分析，確定了具備良好氣動特性的定風翼設計方案；通過調整風壓中心的位置影響車輛的實際軸荷分配，進而影響整車的轉向特性；對賽車車身及涂裝渲染的設計；通過CFD分析，整車升阻比達到2.9，整車具有較好的氣動特性。

中國大學生方程式賽車；空氣動力學；CFD

前言

空氣動力學套件可以增大作用于車輪的垂直載荷可以有效提高車輪的側偏剛度[1]，而通過空氣動力學手段可以在不增加賽車附重的情況下增加整車的下壓力，特別是在彎道時可以增加了輪胎的抓地力，提高了過彎速度，增強了整車的行駛穩定性。設計者通常在保證下壓力分配平衡的前提下提高負升力系數值，同時控制氣動阻力，即空動力學裝置在獲取下壓力的同時必須具備一定的氣動效率。

1 賽車車身及涂裝設計

隨著汽車的發展，汽車的外形也是多種多樣的，但是不難發現，大多數汽車的造型都是采用流線型設計。流線型汽車首先在外觀上面就非常吸引人的目光，其次車子設計呈流線型，能大大的減少汽車行進間的風阻。不論是汽車還是賽車，流線型造型都是一個不變的根基。

車身設計的靈感更多借鑒于仿生學：我們所知道的最佳流線型——水滴的Cd =0.05，而德國的一份研究報告中指出企鵝的阻力系數為0.03，比水滴還要小，盡管只是細微變化，但要知道對于汽車來說將Cd從0.29減小到0.28相當于給車減重100kg，且速度越快，降低的油耗越明顯。

圖1 整車涂裝渲染

2 設計目標

①在提供足夠的下壓力力下，盡可能降低整車的空氣阻力系數，以使賽車的動力性不受影響。故整車目標下壓力800N（20m/s)，升阻比2.4。

②良好的空氣動力學套件應使賽車有良好的動態性能，考慮到整車前后載荷比約為0.35：0.65的布置，轉向不足明顯，其空氣動力學套件設計應盡可能的減小轉向不足，整車風壓中心（風壓中心為整車氣動力的等效作用點，風壓中心與質心的相對位置確定了氣動力對車輛的作用效果，影響車輛的實際軸荷分配，進而影響整車的轉向特性）在滿足要求的情況下，盡可能靠前。

3 空氣動力學套件的設計

3.1 前翼單件設計

前定風翼是安裝在賽車前部的負升力裝置，如圖2所示，它不僅負責制造賽車前部的下壓力，還影響向后流動的氣流的走向；同時也會在工作過程中產生升流進而影響整車其他空氣動力學套件的作用效果。

通過對不同最大厚度翼型的數據分析，我們發現組合翼兩片襟翼組合效率相對于單片襟翼型組合，會產生更高效率的下壓力，同時也能夠有效減少翼型的氣流分離，提高升阻比，故前翼襟翼設計優先考慮三段組合翼設計。

圖2 前翼單件渲染圖

3.2 尾翼單件設計

尾翼，又稱后定風翼，是安裝于車體后部的具有翼片作用特性的氣動特征部件，如圖3所示，其作用效果為在賽車后部產生下壓力并提供一定的俯仰力矩。后定風翼一般由翼片和端板兩種基本結構組成，此外還包括格尼襟翼、端板開槽及翻邊等選用結構。

尾翼布置為三段翼主要從幾下幾個方面考慮：

式中：1為作用于前軸壓力；2為作用于后軸壓力；為作用于車輛總壓力；

1為風壓中心與前軸距離；2為風壓中心與后軸距離；為賽車軸距

另一方面，由于規則的限制，為了保證在縮小尺寸的前提下保證下壓力的產生。通過三段翼的布置可以在保證下壓力的同時由于三段翼布置的攻角平緩過渡使翼片逆壓梯度相對較小防止氣流分離，從而保證尾翼的升阻特性良好。增設空套能有效地增大車輪載荷，從而降低賽車在高速過彎的情況下發生側翻風險[2]。

圖3 尾翼單件渲染圖

3.3 擴散器單件設計

這是一個整合于底板的氣動部件，利用截面積逐漸擴大的流道實現車底氣流的加速，產生作用于車身的負升力。擴散器可以等效為與地面結合的文丘里管結構，底板下方的氣流在進入擴散腔之前被加速，底板下方形成低壓區,造成壓力差，將擴散器牢牢的吸附在路面。

4 CFD仿真

對于一輛賽車而言，單純地分析空氣動力學套件的意義并不是很大，需要將空氣套件裝配在賽車上，討論整車的流場分析和試驗結果，才能判斷賽車的空氣動力學特性是否可觀[3]。使用icem-cfd建立整車在空氣流場中運動時的有限元模型，來進行fluent負升力測試。該車前后質心比為0.25：0.65，整體流場模型網格數量約為350萬個，設置車速在80km/h的情況下，使用fluent軟件進行求解。

在建立網格的時候，為了避免流場域太小而導致計算的不準確，所以在建立流場域的時候采用了距離車前部4倍于車輛的距離，后部為車輛6倍長度，左右各5倍于車輛寬度，高度為車高度的五倍，在這種大小的流場域下才能盡可能的保證計算結果的準確度。在建立流場域后，對流場的各個部件進行命名，以便于下一步的操作，大致分位inlet，outlet，wall，floor，以及車身及空套的各個部件名稱。由于流體力學中存在邊界層的問題，在車身表面又增加了邊界層，高度為0.5，層數為6層。同時為保證整體流場網格與車身表面網格過渡平緩的目的，在整車周圍添加了一個外形為長方體的加密區，在車尾處要注意，車尾處的亂流比較多，所以加密區在尾部應該盡量的遠離車，同時無需太大，避免網格過多，計算繁瑣的問題。在將網格導入到fluent進行計算的時候，正確的設置才能保證結果的正確，因此，在fluent中設置為如下，模型：K—E standarder 標準壁面函數，邊界條件：inlet面為velocity inlet，同時速度設置為22.2m/s；method:Intensity and Length Scale；Turbulent intensity: 6%；TurbulentLength Scale:0.07*2770=193.9mm。

Pressureout: outlet面；Moving wall：車輛在流場中靜止不動，但對于地面相對運動，所以將地面設置為運動地面，速度與車輛實際行駛速度一樣22.2m/s；Refrence Values: compute from改為inlet，其他一切參數按照所設計的車輛參數進行填寫。最后進行初始化，保存設置開始計算。整車流場如圖4所示。

圖4 整車流線圖

圖5 整車壓力云圖

在模擬整車流場的情況下，整車所受壓力情況如圖所示，由圖5可見，整車所受最大壓力的地方為鼻翼與尾翼，同時，氣流在經過翼片的導流后，很好的避開了輪胎，減少了整車受到的阻力。

5 整車流場整合及干擾因素

5.1 輪胎繞流

對于四輪外露的賽車，車輪是氣動阻力的一個重要來源。特別是對于無負升力裝置的賽車，車輪的阻力占整車阻力的 40%以上，因此對車輪附近區域的氣流進行引導可以降低車輪的阻力和升力。大襟翼攻角的組合翼布置形式更容易產生強烈的升流，同時其受到的車輪的影響也更小。

5.2 頭枕阻擋翼片繞流

氣流在繞過頭枕、進氣管和主環等特征時會在其后部形成分離渦。這部分分離渦在位置上通常恰好位于后定風翼翼片的下方。分離渦會對定風翼翼片下表面的負壓造成擾動，使翼片下方的負壓減小。

6 整車分析結果

通過多次不間斷的分析，多次調整翼片間距以及風壓中心，以求達到最佳效果，最終得出整車的分析結果如下表。

表1 分析結果

[1] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2009:3.

[2] 付艷恕,王震.FSC賽車尾翼攻角對彎道性能影響的研究[J].機械設計與制造,2018(5):261-265.

[3] 吳超,鄧召文,王迪.FSC 方程式賽車空氣動力學套件性能分析[J].湖北汽車工業學院學報,2015(2):28-32.

Design and Simulation of Body and Aerodynamics Suite for FSAE Racing Car

Duan Lei, Liu Shaona, Huang Jiongjiong, Yang Yaozu

( Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224001 )

In order to improve the performance of the car,the FSAE car usually introduces an aerodynamic package to improve the handling of the vehicle.In this paper,CFD is used to analyze the factors such as the fixed-air wing type,Angle of attack,and wing layout,so as to determine theDesign scheme of the fixed-air wing with good aerodynamic characteristics.By adjusting the position of the wind pressure center to affect the actual axle load distribution of the vehicle,and then affect the steering characteristics of the vehicle,the design of the car body and painting rendering,through CFD analysis,the lift-to-drag radio of the vehicle reaches 2.9,and the vehicle has good aerodynamic characteristics.

Chinese College Students Formula; Aerodynamics; CFD

U463.4

A

1671-7988(2019)13-134-03

U463.4

A

1671-7988(2019)13-134-03

段磊（1996.1-），男，就讀于鹽城工學院汽車工程學院車輛工程專業，研究方向為空氣動力學研究。劉紹娜(1982.6-)，女，講師，就職于鹽城工學院汽車工程學院，研究方向為車輛動力學與控制，NVH。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.045