賽車雙層尾翼氣動(dòng)效率研究

馬牧之

摘 要：為了同時(shí)提高賽車在不同行駛狀態(tài)下的性能，設(shè)計(jì)出一種可調(diào)節(jié)攻角的雙層賽車尾翼。該種尾翼可以改善賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能，從而節(jié)省賽車空間，彌補(bǔ)傳統(tǒng)尾翼的不足和局限。本設(shè)計(jì)主要采用了CFD仿真計(jì)算結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)估算的方法，比較NACA四位數(shù)字翼族中翼型的氣動(dòng)效率，分析設(shè)計(jì)出的雙層尾翼的氣動(dòng)特性。通過(guò)計(jì)算和評(píng)估，選定了NACA4309和NACA6309的組合并構(gòu)成了賽車的雙層尾翼。使用該種尾翼兼顧了賽車在直道行駛時(shí)的減阻需求與在彎道行駛時(shí)的下壓力要求，從而提高了賽車的氣動(dòng)性能。

關(guān)鍵詞：CFD仿真;二元翼型;空氣動(dòng)力學(xué);NACA四位數(shù)字翼型

空氣動(dòng)力學(xué)不僅是飛機(jī)研發(fā)的基礎(chǔ)，它在車輛的設(shè)計(jì)中也起著重要作用。對(duì)于賽車或跑車來(lái)說(shuō)，其空氣動(dòng)力學(xué)效率在很大程度上影響車的性能，尤其對(duì)于賽車，氣動(dòng)效率往往決定其設(shè)計(jì)的成敗。

在F1（一級(jí)方程式）賽車的各項(xiàng)氣動(dòng)性能中，空氣阻力與下壓力最為被關(guān)注。較小的阻力有助于賽車的高速行駛和減少能耗，而良好的下壓力則可以使輪胎在賽車過(guò)彎時(shí)提供更大的向心力，防止側(cè)滑，增大過(guò)彎時(shí)的速度，有助于彎道超車。為了充分利用空氣動(dòng)力的收益，F(xiàn)1賽車的氣動(dòng)部件多而復(fù)雜，尾翼是最重要的組成部分之一。尾翼的作用主要是利用局部流場(chǎng)的特性產(chǎn)生負(fù)升力（即通常所說(shuō)的下壓力）使賽車在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)更穩(wěn)定[1]。然而，在直道的情況下，尾翼的存在將使阻力升高，導(dǎo)致不必要的能量耗散，降低賽車在直道上的速度。因此，如何妥協(xié)好彎道上的下壓力和直道上的阻力是賽車尾翼設(shè)計(jì)的重要課題。

本文通過(guò)分析方程式賽車的氣動(dòng)需求，設(shè)計(jì)了一款雙層尾翼，車手可以通過(guò)操縱系統(tǒng)改變其攻角，達(dá)到減阻或是增壓的目的，以同時(shí)滿足賽車在直道上減少阻力和彎道上增加下壓力的要求。

一、設(shè)計(jì)依據(jù)

（一）理論依據(jù)

根據(jù)二元翼型升力理論，增加鼻翼及尾翼擾流板的彎度和攻角，有助于提高下壓力，但在下壓力提高同時(shí)，阻力也相應(yīng)地提高了，但不同翼型有不同的升阻特性。在眾多翼型中，美國(guó)國(guó)家航空咨詢委員會(huì)開發(fā)的NACA4位翼型[2]最具代表性，每個(gè)翼型的代號(hào)由“NACA”這四個(gè)字母與一串?dāng)?shù)字組成，將這串?dāng)?shù)字所描述的幾何參數(shù)代入特定方程中即可得到翼型的精確形狀。NACA四位翼型系列中，不同厚度、不同彎度翼型的升/阻力系數(shù)曲線變化趨勢(shì)大致相同，但其各點(diǎn)曲率、拐點(diǎn)位置存在差異。

（二）現(xiàn)有設(shè)計(jì)

目前，跑車和F1賽車通常采用尾翼開槽和可升降尾翼來(lái)解決下壓力與阻力的矛盾：

1.尾翼開槽。以邁凱輪MP4-25型F1賽車為例，其引入了“F-duct系統(tǒng)”來(lái)解決這一問(wèn)題。如圖1、圖2所示，賽車的尾翼上有一個(gè)15cm的開槽，開槽連接氣流管道，通向鼻錐上的氣流入口。在彎道時(shí)，控制閥門關(guān)閉，氣流不會(huì)進(jìn)入管道，F(xiàn)-duct不工作;而在直道上，車手打開控制閥門，空氣沿圖3中1-2-3-4的順序流動(dòng)，噴在尾翼上的開槽上，造成了尾翼后緣輕微失速，達(dá)到了減小阻力的效果。

2.可升降尾翼。這一類的尾翼以保時(shí)捷911型跑車為代表。如圖3所示，車在直線行駛時(shí)，尾翼與車的后部緊緊貼合成一個(gè)整體，盡可能地使車保持流線型以減小阻力[3];在車過(guò)彎時(shí)，車手可調(diào)節(jié)尾翼使其升起，為跑車制造下壓力。

兩種解決方案目的都是在賽車低速度過(guò)彎時(shí)制造較高下壓力提高彎道速度，而在直道上則減小阻力，提升賽車的圈速。然而，這兩種方案都沒(méi)有把尾翼的氣動(dòng)效率發(fā)揮到極限，還會(huì)占用車內(nèi)非常有限的空間資源。為提升賽車的氣動(dòng)性能，本研究設(shè)計(jì)了可變攻角的雙層尾翼，并與傳統(tǒng)單層尾翼的氣動(dòng)效率進(jìn)行比較。

二、設(shè)計(jì)方案和研究方法

（一）雙層尾翼的設(shè)計(jì)方案

圖1 MP4-25賽車尾翼開槽

圖2 MP4-25賽車F-duct系統(tǒng)圖

圖3 保時(shí)捷911型跑車

圖4 雙層尾翼示意圖

圖4為雙層尾翼示意圖，由兩塊NACA四位數(shù)字翼族組成，車手可調(diào)節(jié)兩塊翼板的攻角α，β：

a） 低速?gòu)澋溃ㄟ^(guò)彎半徑小于100米），將尾翼調(diào)節(jié)至最大升力系數(shù)的攻角，增加下壓力。

b） 高速?gòu)澋溃ㄟ^(guò)彎半徑大于100米），將尾翼調(diào)節(jié)至最大升阻比攻角，妥協(xié)下壓力和阻力。

c） 直線行駛時(shí)，尾翼調(diào)節(jié)至最小阻力系數(shù)攻角，減少阻力。

（二）篩選翼型理論依據(jù)

選型時(shí)評(píng)估翼型好壞的主要指標(biāo)為升力系數(shù)和阻力系數(shù)，理論依據(jù)是庫(kù)塔-茹科夫斯基升力、阻力公式：

其中ρ、v分別表示流體密度、速度，Cl、Cd分別表示升力、阻力系數(shù)，A表示參考面積。

雖然升、阻力系數(shù)與來(lái)流的速度v和雷諾數(shù)Re有關(guān)，但當(dāng)馬赫數(shù)不超過(guò)0.4時(shí)來(lái)流的影響很小，對(duì)于賽車而言，其馬赫數(shù)不會(huì)超過(guò)0.3，因此來(lái)流的影響可以忽略。

（三）研究方法

對(duì)于賽車氣動(dòng)特性研究，主要有四種方式：資料搜集、工程估算、CFD仿真計(jì)算及風(fēng)洞試驗(yàn)。由于風(fēng)洞試驗(yàn)耗資巨大，縮比模型制作安裝時(shí)間長(zhǎng)，本研究沒(méi)有涉及，只基于其余三種方式進(jìn)行研究。

工程估算主要針對(duì)翼型的選擇。為提高研究工作的效率，在選擇翼型的初級(jí)階段采用空氣動(dòng)力學(xué)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步估算，進(jìn)行第一輪篩選，優(yōu)化選擇范圍。

CFD（Computational Fluid Dynamics 計(jì)算流體力學(xué)）仿真模擬計(jì)算在空氣動(dòng)力學(xué)研究中有著不可替代的作用[4]，通過(guò)計(jì)算機(jī)三維仿真軟件（CATIA，UG，ProE等）建立尾翼的3D數(shù)字模型，然后采用網(wǎng)格生成軟件（ICEM，GAMBIT等）進(jìn)行簡(jiǎn)單的網(wǎng)格劃分，最后通過(guò)CFD計(jì)算軟件ANSYS-Fluent選擇相應(yīng)的程序進(jìn)行計(jì)算。

（四）研究實(shí)施過(guò)程

a） 賽車整體受力情況分析。分析賽車在不同行駛條件下的受力，以及對(duì)下壓力與減阻的需求[5]。

b） 尾翼選型。結(jié)合文獻(xiàn)資料，使用氣動(dòng)計(jì)算程序，篩選單層尾翼翼型及雙層尾翼翼型組合。

c） 尾翼氣動(dòng)力計(jì)算。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件分別模擬仿真計(jì)算b）所選單、雙層尾翼在不同速度、攻角下的氣動(dòng)（下壓力、阻力）系數(shù)曲線。

d） 分析與評(píng)估。將c）中的結(jié)果（包括升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比）對(duì)照比較并進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)合a）的需求，對(duì)尾翼選型方案進(jìn)行評(píng)估，并確定最優(yōu)的方案。

三、賽車整體受力情況分析

圖5 賽車受力示意圖

圖5為賽車右轉(zhuǎn)彎時(shí)的受力示意圖，其中G，F(xiàn)d，F(xiàn)c，F(xiàn)f分別表示賽車的重力、氣動(dòng)套件產(chǎn)生的下壓力、過(guò)彎時(shí)的側(cè)向離心力、輪胎所產(chǎn)生的側(cè)向摩擦力。賽車在過(guò)彎時(shí)應(yīng)當(dāng)保證既不側(cè)翻也不側(cè)滑，需要滿足的條件如下：

a） 不側(cè)翻。記車寬為d，賽車中心距地面高度為h，過(guò)彎半徑為R則

（1）

（2）

由（1）（2）可知

b） 不側(cè)滑。記輪胎與地面摩擦系數(shù)為μ，過(guò)彎半徑為R則：Fc≤ Ff （3）

（4）

（5）

由（3）（4）（5）可知：

結(jié)合不側(cè)翻、不測(cè)滑的理論要求，通過(guò)查閱方程式賽車相關(guān)參數(shù)，獲得賽車過(guò)彎時(shí)不同速度對(duì)下壓力的需求，在尾翼篩選時(shí)作出判斷和取舍。

四、尾翼選型

（一）翼型厚度的確定

保持翼型相對(duì)彎度不變，取較為常見的NACA 24XX翼型，用氣動(dòng)計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1、圖6。

注：AOA表示該種翼型在達(dá)到最大升力系數(shù)或最小阻力系數(shù)時(shí)的攻角大小，下同

從中可以看出NACA 2410為其中的最優(yōu)翼型，在此基礎(chǔ)上比較NACA 2410與厚度相鄰近的NACA 24XX的氣動(dòng)性能，結(jié)果見表2。

顯示NACA 2409為最優(yōu)翼型。通過(guò)比較不同彎度的翼型，翼型均在厚度為9%的時(shí)候達(dá)到最優(yōu)。

（二）翼型彎度的確定

設(shè)定翼型厚度為9%不變，改變彎度進(jìn)行比較，從結(jié)果表4可見，NACA 6309和NACA 5309的最大升力系數(shù)相同且最大，均略大于NACA 4309，但考慮到NACA 5309的阻力系數(shù)較大，而NACA 4309的阻力系數(shù)為同組中最小，因此NACA 4309和NACA 6309是最優(yōu)的兩種單層尾翼。表5、表6是兩種翼型的最大升力系數(shù)、最小阻力系數(shù)和最大升阻比及分別達(dá)到該最值時(shí)的攻角：

五、尾翼氣動(dòng)力計(jì)算與氣動(dòng)效率分析

（一）雙層尾翼氣動(dòng)參數(shù)的計(jì)算

確定了性能較優(yōu)的兩種翼型后，我們將NACA 4309和NACA 6309組合起來(lái)成為雙層尾翼，用CFD軟件進(jìn)行整體氣動(dòng)力計(jì)算，改變兩塊翼板之間的距離d，計(jì)算結(jié)果見表7。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各種尾翼的阻力系數(shù)均相同，當(dāng)兩塊翼板距離為30cm時(shí)升力系數(shù)最大。以下是該款尾翼在分別達(dá)到最大升力系數(shù)、最小阻力系數(shù)和最大升阻比時(shí)兩塊翼板各自的攻角。

（二）尾翼氣動(dòng)效率對(duì)比及分析

從上文可知，最優(yōu)的單層尾翼翼型為NACA 4309和NACA 6309，將其與雙層尾翼的各項(xiàng)氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果見表9 。

可以看出，雙層尾翼的最大升力系數(shù)是三種尾翼中最大的，NACA 4309雖然最大升力系數(shù)為三者最小，但它具有最小的最小阻力系數(shù)，其最大升阻比也大于雙層尾翼，而NACA 6309則介于兩者之間。

盡管下層翼的高壓區(qū)在上層翼的引導(dǎo)降壓后，會(huì)在一定程度上影響尾翼效率[6]，但雙層尾翼的最大升力系數(shù)仍比單層尾翼大0.6左右，而最小阻力系數(shù)僅比單層尾翼大0.01左右，根據(jù)庫(kù)塔-茹科夫斯基升力、阻力公式可知，雙層尾翼在下壓力方面優(yōu)勢(shì)明顯，可以彌補(bǔ)其阻力系數(shù)略大的劣勢(shì)。

六、結(jié)論

通過(guò)比較本研究設(shè)計(jì)的NACA 4309/6309雙層尾翼與其他類型的尾翼，可以得出以下結(jié)論：

1.相較于傳統(tǒng)的固定尾翼，雙層尾翼具有以下提高車速和節(jié)省燃油的優(yōu)勢(shì)。車手可以調(diào)節(jié)雙層尾翼的攻角，使尾翼在賽車對(duì)下壓力需求較高的高速?gòu)澋乐刑峁└蟮南聣毫?，而在不需要過(guò)多下壓力的直道上表現(xiàn)為較小的阻力系數(shù)，這樣更容易妥協(xié)高下壓力和低阻力的需求，從而提高賽車的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，高速狀態(tài)下的低阻力設(shè)置，可以使賽車在直線行駛時(shí)減少摩擦阻力和壓差阻力導(dǎo)致的能量損失，從而降低油耗。

2.相較于當(dāng)前比較常見的單層可調(diào)節(jié)尾翼，雙層尾翼具有高升力系數(shù)和節(jié)省空間的優(yōu)勢(shì)。雙層尾翼的最大升力系數(shù)為2.20（NACA 4309攻角5.5°、NACA 6309攻角7°時(shí)取到），大于所有的單層NACA四位數(shù)字翼型，配備該尾翼的賽車可在中速?gòu)澋阔@得較大優(yōu)勢(shì)。此外，由于對(duì)尾翼攻角的控制僅需使用齒輪連接步進(jìn)電機(jī)完成，無(wú)需鋪設(shè)復(fù)雜的氣流管道，因此可以節(jié)省更多的車內(nèi)空間。

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