FSC方程式賽車尾翼的氣動性能領(lǐng)域的研究進(jìn)展

摘 要：空氣動力學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析是方程式賽車中極其重要的一部分，本篇綜述的設(shè)計(jì)與分析是基于現(xiàn)有的一些關(guān)于FSC大學(xué)生方程式賽車和其他類別的方程式賽車的研究而進(jìn)行的，主要研究對象是可用于FSC賽事的空氣動力學(xué)套件和尾翼。首先對現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和模擬結(jié)果進(jìn)行分析，然后將得出的結(jié)論結(jié)合，最后得出提高賽車氣動性能的改進(jìn)方案，與這些方案的其他應(yīng)用前景結(jié)合。

關(guān)鍵詞：方程式賽車 空氣動力學(xué) 設(shè)計(jì)與分析

大學(xué)生方程式汽車大賽是一項(xiàng)具有國際影響力的賽事，它旨在推動全球高等教育中汽車工程領(lǐng)域的教育和交流。在這個(gè)賽場上，各路精英云集，共同挑戰(zhàn)速度與激情的極限，一展雄風(fēng)。

該賽事由一系列靜態(tài)和動態(tài)項(xiàng)目組成，全面考察參賽隊(duì)伍在汽車設(shè)計(jì)、制造、營銷等方面的綜合能力。靜態(tài)項(xiàng)目包括設(shè)計(jì)審查、成本與商業(yè)計(jì)劃等，而動態(tài)項(xiàng)目則涵蓋了直線加速、剎車、操控性等嚴(yán)苛的考驗(yàn)。參賽者需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，自行設(shè)計(jì)和制造一輛符合賽事標(biāo)準(zhǔn)的方程式賽車，并在賽場上展現(xiàn)出卓越的性能。

大學(xué)生方程式汽車大賽不僅是一個(gè)競技場，更是一個(gè)創(chuàng)新和學(xué)習(xí)的平臺。在這個(gè)平臺上，參賽者們可以充分展示自己的才華和創(chuàng)意，同時(shí)也能從其他隊(duì)伍身上學(xué)到寶貴的經(jīng)驗(yàn)和知識。通過賽事的歷練，他們將在未來的職業(yè)生涯中更好地發(fā)揮自己的價(jià)值，為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

值得一提的是，大學(xué)生方程式汽車大賽還為參賽者提供了一個(gè)難得的交流機(jī)會。在這里，他們可以結(jié)識來自世界各地的同行，拓寬國際視野，增進(jìn)友誼。這些交流與合作對于促進(jìn)全球汽車產(chǎn)業(yè)的共同進(jìn)步具有重要意義。

總的來說，大學(xué)生方程式汽車大賽是一個(gè)集創(chuàng)新、競技、學(xué)習(xí)、交流于一體的平臺。它不僅激發(fā)了年輕人的創(chuàng)新熱情和團(tuán)隊(duì)合作精神，還為汽車產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展注入了源源不斷的活力。

隨著大學(xué)生方程式賽車比賽的迅速進(jìn)步，參賽車輛的整體表現(xiàn)不斷提升。特別是在空氣動力學(xué)性能領(lǐng)域的探索成為眾多院校團(tuán)隊(duì)的核心課題之一。優(yōu)秀的空氣動力學(xué)性能夠極大地增強(qiáng)車輛駕駛過程中的穩(wěn)定性和操控精度。車身上的空氣動力學(xué)組件不僅直接關(guān)系到整個(gè)車體面對風(fēng)阻的表現(xiàn)，而且作為承載元件，還需符合特定振動模式及堅(jiān)固程度的標(biāo)準(zhǔn)。所以在規(guī)劃這些關(guān)鍵部件時(shí)，必須綜合考量其對于提高整體空氣動力學(xué)的作用以及它們自身應(yīng)具備的物理強(qiáng)度條件。

該文聚焦于大學(xué)生參與設(shè)計(jì)的方程式賽車，旨在通過提升其空氣動力學(xué)組件的整體效能來進(jìn)行深入探討。文章不僅致力于改善車輛整體上的氣動特性，還運(yùn)用了多種工程技術(shù)手段如振動模式評估、硬度測試以及流體－固體相互作用仿真等技術(shù)來檢驗(yàn)各相關(guān)零件的設(shè)計(jì)是否滿足力學(xué)強(qiáng)度的要求。這一系列的研究工作有助于確保設(shè)計(jì)方案既科學(xué)又貼近現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景的需求。

1 FSC方程式賽車尾翼的氣動性能領(lǐng)域的研究進(jìn)展

1.1 可調(diào)式尾翼設(shè)計(jì)

為了提高賽車在不同賽況下的性能，研究者們設(shè)計(jì)了可調(diào)式尾翼，通過改變上層翼片的攻角來適應(yīng)不同的賽道條件。這種設(shè)計(jì)可以在轉(zhuǎn)彎時(shí)提供充足的下壓力，而在直道加速時(shí)減少阻力。利用fluent等仿真軟件進(jìn)行流場仿真，指導(dǎo)尾翼的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以滿足比賽的需求。

可調(diào)式尾翼系統(tǒng)（DRS）是賽車領(lǐng)域采用的一種技術(shù)手段，其主要目標(biāo)是在確保車輛維持必要的抓地力及操作穩(wěn)定性的同時(shí)，提升直線路段上的行駛速度。

DRS的主要目的是在賽車的直線部分減少空氣阻力，以便賽車能夠達(dá)到更高的速度。在彎道上，DRS關(guān)閉以保持賽車的下壓力，提高過彎穩(wěn)定性。DRS技術(shù)最初在2011年的F1賽季中引入，旨在增加比賽中的超車機(jī)會，提高比賽的觀賞性。除了F1，其他賽車賽事，如FSC（大學(xué)生方程式汽車大賽），也采用了類似的可調(diào)尾翼技術(shù)，以適應(yīng)不同的賽道條件和提高賽車性能。

下述為一特定車隊(duì)所使用的尾翼設(shè)計(jì)概覽（見圖1），該部件主要是采用碳纖維構(gòu)建而成。此裝置包含了六個(gè)關(guān)鍵部分：主翼、左右端板、襟翼1、襟翼2、連桿機(jī)構(gòu)和舵機(jī)。具體而言，主翼被穩(wěn)固地安置于端板之上而不會發(fā)生位移；連桿及舵機(jī)則配置在端板上面；同時(shí)，兩個(gè)可調(diào)式的襟翼1、襟翼2均以活動的方式連接于端板邊緣。

使用ANSYS軟件進(jìn)行仿真，得出圖2的仿真數(shù)據(jù)，其中展示的是當(dāng)風(fēng)速為水平方向15 m/s時(shí)，尾翼在不同狀態(tài)下空氣水平壓強(qiáng)分布。當(dāng)DRS系統(tǒng)未啟用時(shí)，襟翼設(shè)定在一個(gè)較大的傾斜角度，在這種狀態(tài)下，其遭遇的最大氣動阻力系數(shù)為0.2030，并且感受到最大的空氣下壓力系數(shù)達(dá)到了0.4998。而一旦激活了DRS功能，襟翼則會調(diào)整至幾乎平行于地面的位置，隨之而來的是顯著降低的空氣阻力系數(shù)降至0.0237，同時(shí)空氣下壓力系數(shù)也隨之減弱到了僅0.1173（圖3）。

由模擬結(jié)果可以得出當(dāng)賽車進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)，應(yīng)當(dāng)停用DRS系統(tǒng)來提高車身的空氣下壓力，這樣能夠擴(kuò)大賽車后輪與地面的有效接觸區(qū)域并加大其承受的壓力，從而增強(qiáng)抓地性能，進(jìn)而優(yōu)化了通過彎道的速度表現(xiàn)。而當(dāng)賽車進(jìn)行直線加速時(shí)，應(yīng)該打開DRS，讓三個(gè)襟翼處于水平狀態(tài)，減少賽車后輪與路面的接觸面積，從而減少摩擦，提升圈速。

1.2 氣動性能與賽車性能匹配

研究者們還關(guān)注了空氣動力學(xué)套件（包括前翼、尾翼和擴(kuò)散器）與賽車性能的匹配問題。通過CFD軟件進(jìn)行流場分析，并在此基礎(chǔ)上完成賽車空套的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高賽車的操穩(wěn)性和安全性。

以下是基于 FLUENT 的 FSC 賽車空氣動力學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析（圖4、圖5）。

通過觀察圖6中展示的對稱面（symmetry）壓強(qiáng)等高線圖可以發(fā)現(xiàn)，在配備了空氣動力學(xué)組件的情況下，尤其是在安裝了前翼之后，賽車鼻錐部分存在一個(gè)顯著擴(kuò)大的高壓區(qū)域。這一現(xiàn)象導(dǎo)致行車時(shí)所受迎風(fēng)阻力有所提升。此外，從壓強(qiáng)等高線圖還可以清晰地辨識出因前翼和尾翼而形成的高低不同氣壓帶。盡管賽車底部利用特定設(shè)計(jì)形成了減小氣壓的效果，但由于缺乏專門用于引導(dǎo)氣流快速逸散的擴(kuò)散器，使得底部被加速后的氣流未能有效疏散，從而無法充分轉(zhuǎn)化為有益于提高抓地性能所需的負(fù)升力。

通過觀察等高線圖表可以發(fā)現(xiàn)，在安裝前翼之后，賽車前端形成了一個(gè)低壓區(qū)域。根據(jù)環(huán)繞車輛的壓力等高線圖，我們可以了解到，由于新增的前翼使得更多空氣沿著車體表面流動，并且有效地引導(dǎo)這些氣流向賽車尾部移動，這樣有助于增強(qiáng)尾翼的功能。此外，借助于前翼對氣流的有效疏導(dǎo)，也縮小了直接撞擊到前輪胎上的風(fēng)阻面積，進(jìn)而減輕前輪所受的壓力，從而減少了行進(jìn)中的阻力（圖7）。

從圖8輪胎的壓力等高線圖和表1中輪胎阻力的變化能清晰地發(fā)現(xiàn)：輪胎阻力對加裝前翼后的賽車影響更小。

1.3 尾翼攻角對彎道性能的影響

研究者們通過虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)（VWT）探討了不同尾翼攻角對整車氣動性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)增大尾翼攻角可以獲得較大的側(cè)向加速度，并且可以降低賽車過彎側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)。但是，當(dāng)尾翼攻角增加到一定程度后，由于尾翼失速會造成下壓力損失，繼續(xù)增大攻角反而不利于獲得較大的側(cè)向加速度。

1.4 優(yōu)化氣動設(shè)計(jì)

在氣動設(shè)計(jì)方面，研究者們探索了使用曲線翼面來優(yōu)化賽車的氣動性能，以提高其在高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性和操控性。

在使用合理的曲面翼面的情況下，還可以通過將多翼面組合來進(jìn)一步提升氣動性能。以下是在此應(yīng)用的研究案例，如圖9所示。

在確保賽車速度不受影響的情況下，調(diào)整翼片的傾斜角度和曲率能夠顯著增強(qiáng)主翼的各項(xiàng)性能指標(biāo)。通過比較當(dāng)前流行的三種翼型——即CH10、S1223與NACA6412（詳情參閱圖表九）發(fā)現(xiàn)，相較于其他兩者而言，S1223擁有更大的弧度特性，因此被選為首選方案。此外，在采用此型號時(shí)還需設(shè)定各部分之間的理想夾角及間距值（具體配置如附圖10所示）。

樣例通過疊加兩個(gè)翼片（主翼和襟翼）來達(dá)到對下壓力更好的控制。試驗(yàn)中將該系統(tǒng)預(yù)組裝到賽車尾部，并對襟翼攻角從42°到47°之間的性能變化做仿真分析，得出表2。

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，在襟翼與主翼的角度均為45度的情況下，產(chǎn)生的向下力達(dá)到峰值，并且升力與阻力的比例相對較低。因此，確定將襟翼角度設(shè)置為45度。根據(jù)對表2信息的整體考量，建議采用如下配置：主翼設(shè)為5度角，而襟翼則維持在45度位置。由此確定了最佳攻角方案，之后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，確定方案可行性。

實(shí)際車輛測試數(shù)據(jù)顯示，裝備了空氣動力學(xué)套件的方程式賽車，在各項(xiàng)評估指標(biāo)中（如單圈最快速度及過彎能力等方面）的表現(xiàn)，明顯好于未安裝此類裝置的情況。氣動套件對方程式賽車的提升可見一斑，在FSC賽事中研究出更合理的套件方案也顯得尤為重要。

2 總結(jié)與展望

利用電腦模擬來對DRS系統(tǒng)進(jìn)行控制，能顯著提升賽車性能，由此可以證明使用可調(diào)節(jié)式尾翼設(shè)計(jì)是有前景的可行方案。為了提升DRS尾翼的效能，通過評估各種主翼和襟翼的角度配置來尋找最優(yōu)解，從而設(shè)定翼片本身及翼片相互間最適宜的角度設(shè)置，以增強(qiáng)車輛整體的空氣動力學(xué)性能。借助使用空氣動力學(xué)套件（包括前翼、尾翼和擴(kuò)散器等）能有效提高尾翼的工作效率，并且能顯著提升賽車性能。

參考以上研究也能體現(xiàn)出FSC大學(xué)方程式賽車的未來發(fā)展方向，深入研究尾翼與車身其他部件的相互作用；探索新型材料在尾翼制造中的應(yīng)用；研究尾翼在不同賽道條件下的適應(yīng)性。

提升尾翼氣動性能的同時(shí)降低成本；實(shí)現(xiàn)尾翼設(shè)計(jì)與賽車整體設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化。在方程式賽車上空氣套件的應(yīng)用也可應(yīng)用于其他類型賽車的氣動優(yōu)化，可推廣至高速列車等交通工具的設(shè)計(jì)，可能為未來無人駕駛車輛提供氣動解決方案。

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