FSAE賽車空氣動力學(xué)穩(wěn)定性和下壓力的優(yōu)化分析

沈鈺豪，劉寧寧，黃碧雄，劉丁源，司佳蒙

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

0 引言

Formula SAE (FSAE)由國際汽車工程師學(xué)會于1978年開辦，被視作為大學(xué)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(xué)生車對輛性能的理解和設(shè)計方面的比賽。經(jīng)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(shù)大學(xué)銳獅車隊2020賽季電動賽車（RISE-20E）的空氣動力學(xué)套件設(shè)計方向主要是在保證空氣動學(xué)穩(wěn)定性和風(fēng)壓中心與車兩質(zhì)心重合的前提下提高賽車的下壓力，而阻力作為設(shè)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(zhí)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(yōu)越性，可以大大提高設(shè)計效率，縮短工時。CFD精度比不上風(fēng)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(shù)下對現(xiàn)象進行一次數(shù)值模擬相當(dāng)于進行一次模擬的實驗，文獻中有許多首先由CFD數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象而后由實驗予以證實的例子?？紤]到計算能力有限，多面體與車體半模的結(jié)合便能更進一步節(jié)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(shè)計的基礎(chǔ)上，保留了車身總體概念并進一步強化對于空氣動力學(xué)穩(wěn)定性上的開發(fā)。利用CATIA進行設(shè)計建模，重點在前翼上，為了使得空氣動力學(xué)的穩(wěn)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(guī)則所限制的排除區(qū)平面內(nèi)，對于四片翼的整體結(jié)構(gòu)進行布置。使用CFD軟件在二維下得到較為理想的耦合關(guān)系[2]，確認(rèn)位置后進行三維的繪制，變截面最小截面處用相同方法優(yōu)化，最后用CATIA創(chuàng)成式模塊進行最后的建模。

1.2 前處理

網(wǎng)格一般可以分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩大類?？紤]到賽車的曲面造型復(fù)雜，使用了非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格中最常見的是二維的三角形以及三維的四面體[3]。復(fù)雜造型多使用四面體網(wǎng)格，而為了在四面體網(wǎng)格上得到高精度的計算結(jié)果和好的收斂性能，需要采用特殊的離散技術(shù)和大量的控制體。但是其高質(zhì)量會帶來內(nèi)存和計算時間的增加。而多面體網(wǎng)格就是克服了四面體網(wǎng)格這些缺點，并保留自動網(wǎng)格的便捷優(yōu)點。多面體網(wǎng)格的最大的優(yōu)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(wǎng)格拉伸率相比四面體網(wǎng)格也有著很大優(yōu)勢。使用Star-ccm+完成計算域和網(wǎng)格的繪制。車輛網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 整車網(wǎng)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(shè)置湍流強度為0.5%，并將地面設(shè)置為滑移壁面，滑移速度為16.67m/s，車輪設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，在地面上做純滾動。介質(zhì)設(shè)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(yōu)化分析

2.1 前翼設(shè)計

前翼作為首先接觸到自由來流的部件，起到產(chǎn)生下壓力和引導(dǎo)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(guī)則高度限制的影響，但是考慮到前翼對整車設(shè)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(shè)計思路。同時，前翼外側(cè)在受到250mm高度限制的情況下也要盡可能引導(dǎo)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(nèi)側(cè)高攻角而小弦長的變截面前襟翼設(shè)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(yīng)來加速前翼底部氣流。前翼外側(cè)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(fù)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(cè)氣流向中部引導(dǎo)，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(jié)合使前翼有充足的外洗，減小了賽車在水平偏轉(zhuǎn)姿態(tài)下對車輛空氣動力學(xué)的影響，增強了空氣動力學(xué)穩(wěn)定性。渦管與端板翻邊的設(shè)計也一定程度上彌補了前翼的下壓力，增強了轉(zhuǎn)向情況下前翼的空力穩(wěn)定性。前翼本身的壓力分布也得到了大幅優(yōu)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(wěn)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(tài)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(guān)系的優(yōu)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(tài)下的空力穩(wěn)定性。結(jié)合對單件的俯仰分析，最終將前翼的離地高度定為42mm。經(jīng)過對于前翼俯仰狀態(tài)下的CFD驗證，其在正負(fù)4°的俯仰角下下壓力的變化幅度大約在0.98%，2019賽車此數(shù)據(jù)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(shù)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(wěn)定性上有較顯著的提升。

3 整車分析結(jié)果對比

在初期整車試驗后發(fā)現(xiàn)尾翼受到側(cè)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(fēng)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(cè)產(chǎn)生的翼尖渦在受到側(cè)翼抽吸后向外偏轉(zhuǎn)，排出了前輪后側(cè)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(jié)果：升力系數(shù)–4.41、阻力系數(shù)–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(shè)定為40mm，在離地高度變化區(qū)間內(nèi)賽車的下壓力變化較小，空氣動力學(xué)穩(wěn)定性較好。通過CFD分析可得整車下壓力在直線狀態(tài)的60km/h時達到805N，升力系數(shù)達到–4.41，整車下壓力系數(shù)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(chǎn)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(nèi)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(fēng)壓中心相對質(zhì)心有約18Nm的力矩，整車的風(fēng)壓中心與質(zhì)心基本重合。完成優(yōu)化后整車下壓力系數(shù)與離地高度的變化關(guān)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(jié)語

本文對2020賽季大學(xué)生方程式電動賽車的空氣動力學(xué)套件進行了優(yōu)化改進，結(jié)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(yù)期設(shè)計，有效降低了前輪產(chǎn)生的紊流并增強了前翼的抽吸作用，低壓區(qū)總壓損失較小，生成渦流較小，保證了側(cè)面擴散器有更多高能氣流進入。通過計算，整車風(fēng)壓中心相對質(zhì)心有約18N·m的力矩，整車的風(fēng)壓中心與質(zhì)心基本重合。整車的空氣動力學(xué)穩(wěn)定性良好，在不同離地高度和俯仰角下下壓力變化較小，風(fēng)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(wěn)定性。在確保穩(wěn)定性的前提下，整車下壓力系數(shù)水平較高，下壓力分配符合初期設(shè)計目標(biāo)。