FSAE賽車車身與空氣動(dòng)力學(xué)套件設(shè)計(jì)及其仿真

段磊，劉紹娜，黃炯炯，楊耀祖

FSAE賽車車身與空氣動(dòng)力學(xué)套件設(shè)計(jì)及其仿真

段磊，劉紹娜，黃炯炯，楊耀祖

（鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224001）

為了提高賽車的成績，F(xiàn)SAE賽車上通常會(huì)引入空氣動(dòng)力學(xué)套件來提高整車的操縱性。文章通過CFD對定風(fēng)翼翼型、迎角、翼片布置等因素進(jìn)行分析，確定了具備良好氣動(dòng)特性的定風(fēng)翼設(shè)計(jì)方案；通過調(diào)整風(fēng)壓中心的位置影響車輛的實(shí)際軸荷分配，進(jìn)而影響整車的轉(zhuǎn)向特性；對賽車車身及涂裝渲染的設(shè)計(jì)；通過CFD分析，整車升阻比達(dá)到2.9，整車具有較好的氣動(dòng)特性。

中國大學(xué)生方程式賽車；空氣動(dòng)力學(xué)；CFD

前言

空氣動(dòng)力學(xué)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(cè)偏剛度[1]，而通過空氣動(dòng)力學(xué)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(shí)可以增加了輪胎的抓地力，提高了過彎速度，增強(qiáng)了整車的行駛穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)者通常在保證下壓力分配平衡的前提下提高負(fù)升力系數(shù)值，同時(shí)控制氣動(dòng)阻力，即空動(dòng)力學(xué)裝置在獲取下壓力的同時(shí)必須具備一定的氣動(dòng)效率。

1 賽車車身及涂裝設(shè)計(jì)

隨著汽車的發(fā)展，汽車的外形也是多種多樣的，但是不難發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)汽車的造型都是采用流線型設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)呈流線型，能大大的減少汽車行進(jìn)間的風(fēng)阻。不論是汽車還是賽車，流線型造型都是一個(gè)不變的根基。

車身設(shè)計(jì)的靈感更多借鑒于仿生學(xué)：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(bào)告中指出企鵝的阻力系數(shù)為0.03，比水滴還要小，盡管只是細(xì)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(dāng)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(shè)計(jì)目標(biāo)

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(shù)，以使賽車的動(dòng)力性不受影響。故整車目標(biāo)下壓力800N（20m/s)，升阻比2.4。

②良好的空氣動(dòng)力學(xué)套件應(yīng)使賽車有良好的動(dòng)態(tài)性能，考慮到整車前后載荷比約為0.35：0.65的布置，轉(zhuǎn)向不足明顯，其空氣動(dòng)力學(xué)套件設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能的減小轉(zhuǎn)向不足，整車風(fēng)壓中心（風(fēng)壓中心為整車氣動(dòng)力的等效作用點(diǎn)，風(fēng)壓中心與質(zhì)心的相對位置確定了氣動(dòng)力對車輛的作用效果，影響車輛的實(shí)際軸荷分配，進(jìn)而影響整車的轉(zhuǎn)向特性）在滿足要求的情況下，盡可能靠前。

3 空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)

3.1 前翼單件設(shè)計(jì)

前定風(fēng)翼是安裝在賽車前部的負(fù)升力裝置，如圖2所示，它不僅負(fù)責(zé)制造賽車前部的下壓力，還影響向后流動(dòng)的氣流的走向；同時(shí)也會(huì)在工作過程中產(chǎn)生升流進(jìn)而影響整車其他空氣動(dòng)力學(xué)套件的作用效果。

通過對不同最大厚度翼型的數(shù)據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)組合翼兩片襟翼組合效率相對于單片襟翼型組合，會(huì)產(chǎn)生更高效率的下壓力，同時(shí)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(shè)計(jì)優(yōu)先考慮三段組合翼設(shè)計(jì)。

圖2 前翼單件渲染圖

3.2 尾翼單件設(shè)計(jì)

尾翼，又稱后定風(fēng)翼，是安裝于車體后部的具有翼片作用特性的氣動(dòng)特征部件，如圖3所示，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。后定風(fēng)翼一般由翼片和端板兩種基本結(jié)構(gòu)組成，此外還包括格尼襟翼、端板開槽及翻邊等選用結(jié)構(gòu)。

尾翼布置為三段翼主要從幾下幾個(gè)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(fēng)壓中心與前軸距離；2為風(fēng)壓中心與后軸距離；為賽車軸距

另一方面，由于規(guī)則的限制，為了保證在縮小尺寸的前提下保證下壓力的產(chǎn)生。通過三段翼的布置可以在保證下壓力的同時(shí)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(shè)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(fā)生側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)[2]。

圖3 尾翼單件渲染圖

3.3 擴(kuò)散器單件設(shè)計(jì)

這是一個(gè)整合于底板的氣動(dòng)部件，利用截面積逐漸擴(kuò)大的流道實(shí)現(xiàn)車底氣流的加速，產(chǎn)生作用于車身的負(fù)升力。擴(kuò)散器可以等效為與地面結(jié)合的文丘里管結(jié)構(gòu)，底板下方的氣流在進(jìn)入擴(kuò)散腔之前被加速，底板下方形成低壓區(qū),造成壓力差，將擴(kuò)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(dòng)力學(xué)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(yàn)結(jié)果，才能判斷賽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性是否可觀[3]。使用icem-cfd建立整車在空氣流場中運(yùn)動(dòng)時(shí)的有限元模型，來進(jìn)行fluent負(fù)升力測試。該車前后質(zhì)心比為0.25：0.65，整體流場模型網(wǎng)格數(shù)量約為350萬個(gè)，設(shè)置車速在80km/h的情況下，使用fluent軟件進(jìn)行求解。

在建立網(wǎng)格的時(shí)候，為了避免流場域太小而導(dǎo)致計(jì)算的不準(zhǔn)確，所以在建立流場域的時(shí)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(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。在建立流場域后，對流場的各個(gè)部件進(jìn)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(gè)部件名稱。由于流體力學(xué)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(shù)為6層。同時(shí)為保證整體流場網(wǎng)格與車身表面網(wǎng)格過渡平緩的目的，在整車周圍添加了一個(gè)外形為長方體的加密區(qū)，在車尾處要注意，車尾處的亂流比較多，所以加密區(qū)在尾部應(yīng)該盡量的遠(yuǎn)離車，同時(shí)無需太大，避免網(wǎng)格過多，計(jì)算繁瑣的問題。在將網(wǎng)格導(dǎo)入到fluent進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，正確的設(shè)置才能保證結(jié)果的正確，因此，在fluent中設(shè)置為如下，模型：K—E standarder 標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，邊界條件：inlet面為velocity inlet，同時(shí)速度設(shè)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(dòng)，但對于地面相對運(yùn)動(dòng)，所以將地面設(shè)置為運(yùn)動(dòng)地面，速度與車輛實(shí)際行駛速度一樣22.2m/s；Refrence Values: compute from改為inlet，其他一切參數(shù)按照所設(shè)計(jì)的車輛參數(shù)進(jìn)行填寫。最后進(jìn)行初始化，保存設(shè)置開始計(jì)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(shí)，氣流在經(jīng)過翼片的導(dǎo)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(dòng)阻力的一個(gè)重要來源。特別是對于無負(fù)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(qū)域的氣流進(jìn)行引導(dǎo)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(chǎn)生強(qiáng)烈的升流，同時(shí)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(jìn)氣管和主環(huán)等特征時(shí)會(huì)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(fēng)翼翼片的下方。分離渦會(huì)對定風(fēng)翼翼片下表面的負(fù)壓造成擾動(dòng)，使翼片下方的負(fù)壓減小。

6 整車分析結(jié)果

通過多次不間斷的分析，多次調(diào)整翼片間距以及風(fēng)壓中心，以求達(dá)到最佳效果，最終得出整車的分析結(jié)果如下表。

表1 分析結(jié)果

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)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(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2018(5):261-265.

[3] 吳超,鄧召文,王迪.FSC 方程式賽車空氣動(dòng)力學(xué)套件性能分析[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),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(xué)院汽車工程學(xué)院車輛工程專業(yè)，研究方向?yàn)榭諝鈩?dòng)力學(xué)研究。劉紹娜(1982.6-)，女，講師，就職于鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)力學(xué)與控制，NVH。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.045