FSAE賽車空氣動力學穩定性和下壓力的優化分析

沈鈺豪，劉寧寧，黃碧雄，劉丁源，司佳蒙

（上海工程技術大學，上海 201620）

0 引言

Formula SAE (FSAE)由國際汽車工程師學會于1978年開辦，被視作為大學生的F1，重要的是該賽事不僅只是單純的競速比賽，更是考察學生車對輛性能的理解和設計方面的比賽。經過對FSAE比賽實際條件的研究，賽車大多在60km/h以下的平均速度下行駛，阻力對賽車的影響較小，故確定了上海工程技術大學銳獅車隊2020賽季電動賽車（RISE-20E）的空氣動力學套件設計方向主要是在保證空氣動學穩定性和風壓中心與車兩質心重合的前提下提高賽車的下壓力，而阻力作為設計所考慮的次要因素。

本文研究基于CATIA建模及CFD分析。CFD能夠執行CAD模型的理論測試計算。CFD在成本和時間方面擁有極大的優越性，可以大大提高設計效率，縮短工時。CFD精度比不上風洞試驗，但卻幾乎克服了它的局限性[1]。成熟的CFD軟件可以拓展實驗研究范圍，減少大量成本昂貴的實驗工作量，減少驗證的成本。在模擬參數下對現象進行一次數值模擬相當于進行一次模擬的實驗，文獻中有許多首先由CFD數值模擬發現新現象而后由實驗予以證實的例子。考慮到計算能力有限，多面體與車體半模的結合便能更進一步節約計算資源并獲得更好的收斂性。

1 三維建模及CFD建模

1.1 三維建模

首先在上一賽季的賽車設計的基礎上，保留了車身總體概念并進一步強化對于空氣動力學穩定性上的開發。利用CATIA進行設計建模，重點在前翼上，為了使得空氣動力學的穩定性得到進一步的提升。以前翼為例，首次采用了四層前翼的布置方式，在建模上先將二維翼型安置在規則所限制的排除區平面內，對于四片翼的整體結構進行布置。使用CFD軟件在二維下得到較為理想的耦合關系[2]，確認位置后進行三維的繪制，變截面最小截面處用相同方法優化，最后用CATIA創成式模塊進行最后的建模。

1.2 前處理

網格一般可以分為結構網格和非結構網格兩大類。考慮到賽車的曲面造型復雜，使用了非結構性網格，非結構性網格中最常見的是二維的三角形以及三維的四面體[3]。復雜造型多使用四面體網格，而為了在四面體網格上得到高精度的計算結果和好的收斂性能，需要采用特殊的離散技術和大量的控制體。但是其高質量會帶來內存和計算時間的增加。而多面體網格就是克服了四面體網格這些缺點，并保留自動網格的便捷優點。多面體網格的最大的優點是有很多鄰居單元（通常為10），所以能更精確地計算控制體的梯度。多面體網格拉伸率相比四面體網格也有著很大優勢。使用Star-ccm+完成計算域和網格的繪制。車輛網格如圖1所示。

圖1 整車網格

1.3 邊界條件

湍流速率為約5倍的計算域面積除以計算域周長，流速u為16.67m/s，壓力出口設置湍流強度為0.5%，并將地面設置為滑移壁面，滑移速度為16.67m/s，車輪設置為旋轉壁面，在地面上做純滾動。介質設定為空氣，地面加入邊界層以此模擬相對真實的條件[4]。

2 前翼CFD優化分析

2.1 前翼設計

前翼作為首先接觸到自由來流的部件，起到產生下壓力和引導車前方氣流的作用，相比尾翼和擴散器受到整車較大的干擾。前翼中部的上洗不僅會影響尾翼，更是會影響散熱和下游組件的工作效率[5]，而這與RISE-20E需要保證下游組件工作效率的想法背道而馳，雖然前翼中部不受規則高度限制的影響，但是考慮到前翼對整車設計、空力平衡和散熱的影響，首先確定了前翼中部較小的等效攻角設計思路。同時，前翼外側在受到250mm高度限制的情況下也要盡可能引導氣流離開前輪。圖2為RISE-20E前翼渲染圖。

圖2 RISE- 20E 前翼渲染圖

RISE-20E的前翼采用了內側高攻角而小弦長的變截面前襟翼設計，同時主翼中部通過改變第二層翼片的形狀，中部的氣流幾乎沒有上洗，總壓損失極小，第一層的翼片更為靠近地面，更好地利用了地面效應來加速前翼底部氣流。前翼外側既減少了前輪的阻力又減少了前輪亂流對于中后部流場的負面影響。襟翼翼面攻角的變化能夠使下游氣流也避開前輪，將外側氣流向中部引導，從而在大幅減小了前輪的阻力的同時為中部供給更多的氣流。端板和翼面的結合使前翼有充足的外洗，減小了賽車在水平偏轉姿態下對車輛空氣動力學的影響，增強了空氣動力學穩定性。渦管與端板翻邊的設計也一定程度上彌補了前翼的下壓力，增強了轉向情況下前翼的空力穩定性。前翼本身的壓力分布也得到了大幅優化，圖3是2020年賽車前翼下表面壓力云圖。

圖3 2020 年賽車前翼下表面壓力云圖

2.2 前翼穩定性分析

前翼在2019賽車上是距離車輛重心最遠的部件，在車輛的俯仰狀態下，前翼的俯仰變化對前翼離地高度和攻角都有影響。通過對翼片之間相對間隙和位置關系的優化，整個前翼的高壓峰分布主要集中在兩層襟翼上，進一步增強了前翼在俯仰狀態下的空力穩定性。結合對單件的俯仰分析，最終將前翼的離地高度定為42mm。經過對于前翼俯仰狀態下的CFD驗證，其在正負4°的俯仰角下下壓力的變化幅度大約在0.98%，2019賽車此數據為2.1%。不同俯仰角下的下壓力：4°為231.1N、2°為229.8N、0°為228.8N、–2°為227.5N、–4°為226.3N，可知其對于俯仰的敏感度較低。前翼在30-50mm的離地間隙下下壓力變化幅度約為0.94%，2019賽車變化幅度約為1.8%，具體數值：30mm為230.5N、35mm為229.1N、40mm為228.8N、50mm為228.3N、60mm為227.2N，可以看出RISE-20E賽車前翼相比2019賽車在穩定性上有較顯著的提升。

3 整車分析結果對比

在初期整車試驗后發現尾翼受到側面擴散器和前翼的影響較大，難以平衡前部下壓力。因此增加了升力翼組件，圖4為輪胎周圍在添加了升力翼后的俯視速度矢量圖，從圖中可知，升力翼組件形成的下洗流很好地減少了尾翼所受到的升流影響，并將風壓中心后移。由于拉桿懸架的上下橫臂及拉桿的位置低，升力翼能夠被安裝在一個比較理想的低位置。其外側產生的翼尖渦在受到側翼抽吸后向外偏轉，排出了前輪后側的亂流[6-9]。

圖4 離地高度0.35m 時輪胎周圍俯視速度矢量圖

最終分析結果：升力系數–4.41、阻力系數–1.46、升阻比–3.03、車速16.67m/s下壓力為–805.2N、車速16.67m/s下阻力為–256.5N；車速16.67m/s下壓力分配：前翼–228.9N占28.4%、升力翼15.7N占–19%、尾翼–206.0N占25.6%、車身和擴散器–398.6N占49.5%、車輪12.4N占–1.6%。由于尾部擾流板和梁翼的添加，通過車身尾部的氣流上洗幫助擴散器提升了效率。底板的離地間隙設定為40mm，在離地高度變化區間內賽車的下壓力變化較小，空氣動力學穩定性較好。通過CFD分析可得整車下壓力在直線狀態的60km/h時達到805N，升力系數達到–4.41，整車下壓力系數為4.73。前翼和尾翼的下壓力分配平均，各占到整車約25%的下壓力，而車身和擴散器產生了整車約50%的下壓力。整車在不同俯仰角下的下壓力也進行了計算，在4°的俯仰角內整車的下壓力變化在4.6%。整車下壓力對于離地高度的變化不敏感。通過計算，整車風壓中心相對質心有約18Nm的力矩，整車的風壓中心與質心基本重合。完成優化后整車下壓力系數與離地高度的變化關系：30mm為4.72、35mm為4.74、40mm 為4.73mm、50mm 為4.67mm、60mm 為4.61mm。圖5為整車流線圖。

圖5 整車跡線圖

4 結語

本文對2020賽季大學生方程式電動賽車的空氣動力學套件進行了優化改進，結果表明整車流線型良好，前翼有明顯外洗，中部上洗較少符合預期設計，有效降低了前輪產生的紊流并增強了前翼的抽吸作用，低壓區總壓損失較小，生成渦流較小，保證了側面擴散器有更多高能氣流進入。通過計算，整車風壓中心相對質心有約18N·m的力矩，整車的風壓中心與質心基本重合。整車的空氣動力學穩定性良好，在不同離地高度和俯仰角下下壓力變化較小，風壓中心位置較好，橫擺力矩較小且與車輛過彎時形成力矩相反，有利于提升車輛彎中的穩定性。在確保穩定性的前提下，整車下壓力系數水平較高，下壓力分配符合初期設計目標。