方程式賽車空氣動力學套件設(shè)計與流場分析

龍 權(quán) 梁 成 高小林

0 引言

近年來，隨著方程式賽事在世界范圍內(nèi)的快速發(fā)展，賽車底盤和動力技術(shù)日益成熟，為取得賽車成績的進一步突破，各車隊將目光轉(zhuǎn)向了空氣動力學套件。在中國大學生電動方程式汽車大賽(Formula Student Electric China，F(xiàn)SEC)中，空氣動力學套件主要包括前翼、尾翼以及底盤尾流擴散器，為了整車的操控平衡，需要對不同部分分配不同比重的壓力分配比，通常來說前翼產(chǎn)生的下壓力約占全部下壓力的30%，后翼約占30%，擴散器約占40%，因此，空氣動力學套件與賽車的動力性、操縱穩(wěn)定性以及彎道超車性能等有著密切關(guān)系。空氣動力學套件能增加車輪上的垂直載荷，能有效提高車輪的轉(zhuǎn)彎剛度，空氣動力學裝置產(chǎn)生的負升力可以提高輪胎的側(cè)偏剛度與側(cè)向加速度，改善車輛的操縱穩(wěn)定性。

目前國內(nèi)具有參賽經(jīng)驗的車隊一般都會使用空氣動力學套件，大多數(shù)是先確定造型，再利用仿真軟件對其進行優(yōu)化分析。文獻[1]通過調(diào)整風壓中心的位置，影響車輛的實際軸重分布，進而影響整車的轉(zhuǎn)向特性；文獻[2]對前翼襟翼弦長與翼片進行調(diào)整，以減小其對整車氣流的不利干擾，增加了前翼產(chǎn)生的下壓力，減小了前輪阻力；文獻[3]對尾翼分區(qū)域設(shè)計不同主翼攻角值有效提升了賽車尾翼產(chǎn)生負升力的能力。

綜合上述研究現(xiàn)狀，本文首先結(jié)合方程式賽車規(guī)則和空氣動力學原理，利用Catia 建模軟件對空氣動力學套件前翼、尾翼以及尾部擴散器進行設(shè)計；在此基礎(chǔ)上對空氣動力學套件進行網(wǎng)格劃分，在Ansys Fluent中進行流場分析，并對尾翼的攻角和主翼與襟翼之間的距離進行優(yōu)化。

1 空氣動力學套件設(shè)計

在賽車領(lǐng)域中，空氣動力學起著重要的作用，它對賽車性能的影響巨大。賽車裝配整套空氣動力學套件如圖1所示，本文研究的賽車空氣動力學套件主要包含前翼、后翼和擴散器，分析車身氣動造型和空氣動力學套件的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對其空氣動力學性能的影響規(guī)律，進行前定風翼、尾翼和擴散器的優(yōu)化設(shè)計。

賽車行駛過程中，由前翼、尾翼和底部擴散器產(chǎn)生下壓力，巨大的下壓力可以提高賽車的過彎極限，由繞翼環(huán)量的影響而產(chǎn)生的賽車翼片負升力如圖2所示。

圖2 繞翼環(huán)量描述圖

當負升力翼處于速度為v的直勻流中時，外部存在一個強度為Γ的逆時針環(huán)量，假設(shè)環(huán)量在流動疊加中引起的速度變化為△v，則在翼片的上表面，實際流速為v-△v，而下表面的流速為v+△v，因此，下表面的流速大于上表面，結(jié)合伯努利方程式（1）可知，翼片上表面的壓力大于下表面的壓力，從而產(chǎn)生下壓力。

式中，p為空氣流體中翼片表面某點的壓強，V為翼片表面空氣實際流速，ρ為空氣流體密度，g為重力加速度，h為翼片表面該點的高度，C為常量。

1.1 前翼設(shè)計

前翼，又稱前定風翼，是安裝在賽車前部的負升力裝置，是最先接觸氣流的部分，也是決定整車氣流流動的重要部分，如圖3所示，其結(jié)構(gòu)包含主翼、襟翼和端板，前鼻翼的設(shè)計不僅要提供足夠的下壓力來平衡擴散器和定風翼產(chǎn)生的后下壓力，還要調(diào)整翼面，使氣流盡可能繞過前輪，降低行駛阻力。前翼的尺寸為560mm×1452mm×200mm，前翼的主要作用就是可以有效引導(dǎo)運動的氣流穿過整車車身以及汽車尾部區(qū)域，可以產(chǎn)生一定的負升力，增大賽車車輪的地面附著力，提高賽車高速行駛時的轉(zhuǎn)向能力，并且使氣流盡量繞開前輪，減小行駛阻力。

圖3 前翼模型圖

通過對單襟翼結(jié)構(gòu)和雙襟翼結(jié)構(gòu)的對比分析，發(fā)現(xiàn)雙襟翼組合比單襟翼結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生更高的下壓力，與單襟翼結(jié)構(gòu)相比，雙翼片結(jié)構(gòu)總體的翼片相對彎度更大，大大提高了翼片的失速角，并且產(chǎn)生更多的負升力[4]。

1.2 尾翼設(shè)計

尾翼，又稱后定風翼，是安裝在賽車后部的具有翼片作用特性的氣動特征部件，是重要的負升力來源，后翼一般由翼片和端板兩種基本結(jié)構(gòu)組成，其作用效果為在賽車后部產(chǎn)生下壓力并提供一定的俯仰力矩，改善后輪的附著性能。

尾翼分為三個部分，主要從以下兩個方面展開[5]：

式中，F(xiàn)1為作用于前軸壓力，F(xiàn)2為作用于后軸壓力，F(xiàn) 為作用于車輛總壓力，L1為風壓中心與前軸距離，L2為風壓中心與后軸距離，L 為賽車軸距，如圖4所示，其中x 為壓力中心相對重心偏移量，G 為車輛重力。

圖4 相關(guān)參數(shù)描述圖

另一方面，尾翼設(shè)計考慮采用雙層三翼板結(jié)構(gòu)，分為主翼、襟翼1和襟翼2，如圖5所示。三翼板的布置方式既能保證下壓力，又能防止氣體分離，從而保證尾翼升阻特性良好。離地距離越高，氣流受干擾影響越小，氣流流速也越快，因此襟翼2 氣流質(zhì)量比主翼好。由于主翼起導(dǎo)流作用，所以采用較小攻角使氣流與翼面不產(chǎn)生分離，進而尾部的上揚曲線能夠引導(dǎo)氣流流向，使其更貼合襟翼2的吸力面。襟翼2 采用較大攻角，能使其吸力面氣流不發(fā)生分離，進而提高尾翼的氣動性能；在襟翼1和襟翼2之間采用適當?shù)拈g隙，以加速間隙處的氣流并產(chǎn)生下壓力[6]。

圖5 尾翼模型圖

尾部擴散器設(shè)計

擴散器顧名思義，就是要引起氣體的擴散，這是一個整合于底板的氣動部件，原理主要是利用截面積逐漸擴大的流道實現(xiàn)車底氣流的加速。由于賽車底盤距地面的高度很小，氣流受空氣黏性的影響，流速較慢，對車身產(chǎn)生向上的升力，不利于賽車行駛，因此須在賽車尾部加裝擴散器。根據(jù)伯努利方程式（1），可知流速高的地方壓強低，由于氣流的高速運動在車底形成低壓區(qū)，便使車體獲得了巨大的負升力，有利于賽車在高速行駛下的穩(wěn)定性。

仿真優(yōu)化

文獻[7]表明，加裝空氣動力學套件后，車身表面上的氣流在賽車尾翼末端發(fā)生分離，降低了能量的損失。在判斷賽車空氣動力學特性是否可行之前，有必要在賽車模型上裝配空氣動力學套件，進一步對整車的流場和試驗結(jié)果進行分析。

首先使用Catia 建立用于有限元分析的簡易模型，然后運用Ansys Fluent 模塊對進行賽車外流場分析。在Catia 中，對三維模型進行一定程度的簡化處理，省略車輛懸架桿件，簡化駕駛艙內(nèi)部和車輪的細節(jié)，以便于網(wǎng)格劃分和流場計算，轉(zhuǎn)換成IGS文件，將其導(dǎo)入到Ansys Fluent模塊中；在進行網(wǎng)格劃分前，需要確定整車外流場計算域，根據(jù)簡化的車身整體外形尺寸按比例進行劃分，入口長度約為整車長度的3倍，出口長度約為整車長度的7倍。在計算域的確定上，在最大限度地保證賽車模型周圍流場特性的前提下，應(yīng)縮小計算域的范圍，以達到減小計算量，提高計算速度。

建立計算域網(wǎng)格

計算域網(wǎng)格主要分為空氣流域網(wǎng)格、空氣流域加密網(wǎng)格、車身曲面網(wǎng)格和前翼、尾翼曲面網(wǎng)格及特征網(wǎng)格，在Fluid Flow(Fluent)-Meshing 中對相關(guān)網(wǎng)格進行設(shè)置。

為將有限的計算資源用于提升模型的分析精度，因此采用半模型，在整車模型縱向上建立對稱面?？諝饬饔蚓W(wǎng)格根據(jù)整車模型的大小設(shè)置為空氣流域網(wǎng)格前端距離整車模型最前端9000mm，后端距離整車模型最后端18000mm，上端距離整車模型最上端6000mm，左端距離整車模型最左端6000mm，下端距離整車模型最下端0mm，單個網(wǎng)格尺寸512mm?？諝饬饔蚣用芫W(wǎng)格前端距離整車模型最前端6000mm，后端距離整車模型最后端12000mm，上端距離整車模型最上端3000mm，左端距離整車模型最左端3000mm，下端距離整車模型下端0mm，單個網(wǎng)格尺寸為26mm。車身曲面網(wǎng)格為16mm，前翼和尾翼的曲面網(wǎng)格尺寸為8mm，其中前翼、尾翼的前緣和尾緣為特征網(wǎng)格，其網(wǎng)格尺寸為2mm。車身和前翼、尾翼的邊界層均設(shè)置為3層，如圖6所示，網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為968 486，單元總數(shù)為4 864 428，雅克比為3.76，網(wǎng)格總體連續(xù)、均勻、美觀，過渡平緩。

圖6 計算域網(wǎng)格的劃分

2.2 仿真結(jié)果分析

如圖7所示，迭代步數(shù)設(shè)置為3000步時，阻力系數(shù)Cd未達到收斂，阻力系數(shù)Cd在0.21 上下波動。通過CFD-Post 對模型進行直觀的分析時，發(fā)現(xiàn)尾翼末端氣流出現(xiàn)失速情況，襟翼1前緣和襟翼2前緣處均出現(xiàn)漩渦氣流，初步分析為尾翼整體攻角過大和三片翼型之間的坐標距離過小導(dǎo)致。

圖7 優(yōu)化前的阻力系數(shù)

3 優(yōu)化過程

根據(jù)第一次計算分析得出的結(jié)果，對尾翼的攻角和主翼與襟翼之間的距離進行優(yōu)化。如圖8所示，尾翼的翼弦線與來流方向的夾角，稱為攻角或迎角；襟翼之間的距離即為相鄰兩翼片其一尾緣上平面到另一前緣下平面的垂直距離。攻角優(yōu)化：主翼攻角由之前的6°降低為2°，襟翼1 由之前的30°降低為22°，襟翼2 由之前的80°降低為64°。翼間垂直距離優(yōu)化：主翼尾緣上平面到襟翼1前緣下平面的垂直距離增加到20mm，襟翼1 尾緣上平面的到襟翼2 前緣下平面的距離增加到14mm。

圖8 尾翼攻角

對經(jīng)過優(yōu)化后的尾翼模型進行再次計算分析，結(jié)果顯示在迭代步數(shù)為700步時開始趨于收斂，最終的阻力系數(shù)Cd為0.17，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后的阻力系數(shù)

4 結(jié)語

以2020年江西科技學院藍凌方程式賽車作為研究對象，完成了對其空氣動力學套件的設(shè)計和優(yōu)化。本文利用Catia軟件進行空氣動力學套件三維建模，運用仿真軟件Ansys 對FSEC 賽車進行外流場分析，包括模型處理與簡化、網(wǎng)格劃分策略、邊界條件設(shè)置等，并基于空氣動力學原理及賽車外流場分布特性進行優(yōu)化工作，最終得出一套適用于2020年版賽車的空氣動力學套件。加裝空氣動力學套件后能夠大大提升賽車的抓地力，為更進一步的賽車動力性能和操縱穩(wěn)定性能研究研究提供理論參考。