FSC赛车空气套件CFD优化设计

邓召文，王兵

（湖北汽车工业学院 汽车工程系，湖北 十堰 442002）

设计研究

FSC赛车空气套件CFD优化设计

邓召文，王兵

（湖北汽车工业学院 汽车工程系，湖北 十堰 442002）

在满足FSC赛车设计规则要求前提下，对空气套件进行了结构优化设计，重点完成了赛车尾翼的优化设计和分析。利用CFD技术对赛车车身模型进行了外流场分析，并通过在赛车尾部加装不同间隙和攻角的尾翼，进行车身外流场模拟对比分析，研究尾翼在改善赛车气动特性方面的影响规律，研究确定了空气动力学装置在不同比赛项目时的调教策略。通过对比分析赛车车辆周围气流的压力分布和速度分布规律，研究高速赛车的负升力效果，对于提高赛车的操纵稳定性和安全性具有非常重要的意义，对于指导赛车尾翼的正确安装、确定尾翼在不同比赛项目时的调教策略有一定的指导意义。

FSC赛车；尾翼；数值模拟；CFD

CLC NO.:U462; TP391.7Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-22-06

前言

世界大学生方程式汽车大赛FSAE创办至今已经有三十多年的历史，随着FSAE比赛水平的不断提高，赛车发动机、底盘技术日益走向成熟，赛车设计者们将借鉴和研究的方向转向最高水平的F1方程式赛车，从F1赛车优异的空气动力学技术上找到更高的跳板。于是众多强队都开始对赛车的气动性能进行深入探究，设计了很多带有空气动力学套件的赛车。为了提升湖北汽车工业学院HUAT车队赛车的技术水平，提升赛车的操纵稳定性，本文从空气动力学的角度出发，利用CFD技术对赛车空气套件前后扰流板的截面形状进行合理选型及结构优化设计，对空气动力学装置在不同比赛项目时的安装策略进行了研究分析。

1、车身与空气套件CFD建模

1.1 三维数字化建模

首先用CATIA软件IMA模块对车身进行结构设计，同时运用GSD模块分割出散热器进风口，并利用profili翼型软件对前后扰流板进行初步优化选型与建模，如图1所示。

为了准确贴合赛车实际行驶情况，将车轮以圆柱代替作了简化处理。汽车放在风洞中，根据经验[1]，确定了长方体形的计算域，假设汽车模型长为L，宽为w，高为H，则计算域的尺寸为汽车前部取3L，侧面取4W，上部取4H，汽车后部取7L[2][3]，如图2所示。

1.2 控制方程

流体流动要受物理守恒定律的支配。基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。由这些定律可以分别导出质量方程、动量方程和能量方程。由它们可以联立得到纳维尔一斯托克斯方程组，简称为N-S方程组。N-S方程组是流体流动所需遵守的普遍规律[4]。为了便于对各控制方程进行分析，并用同一程序对各控制方程进行求解，用φ表示通用变量，则各控制方程的通用形式如下[5]：

其展开形式为：

式中，φ为通用变量，可以代表u、v、w、T等求解变量；Г为广义扩散系数：S为广义源项。式(2)中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。对于特定的方程，φ、Г和S具有特定的形式[6]，表1给出了三个符号与各特定方程的对应关系：

表1 通用控制方程中各符号的具体形式Table.1 The specific form of symbols in general control equation

1.3 计算网格剖分

网格划分越细，分析精度越高，计算时间也越长。因此需要一定的经验选取合适的网格划分方法。由于车身以及空气套件表面是关键表面，因此采用较细的六面体网格单元，便于后面的体网格划分，网格模型总的网格单元数为910170，如图3所示。

1.4 边界条件

汽车周围的流体是空气，空气是粘性气体。高速行驶的汽车，当车速高达300km/h时，其马赫数约为0.245。由计算流体动力学的知识可知，对于马赫数M≤0.3的流体流动，按不可压缩流体流动计算所引起的误差很小。因此目前的高速汽车车身周围流场一般按定常、等温、不可压缩的三维流场处理。而对FSC赛车来说，最高速度都小于200km/h，因此空气动力学研究可以把周围气体考虑成不可压缩的。考虑到由于车身复杂外形引起的分离，应按湍流处理[7]，湍流强度及耗散率分别取1.5%、0.015。地面设置为移动地面，车身表面设置为无滑移的固壁条件。

2、FSC赛车空气套件优化对比分析

2.1 尾翼间隙的气动特性分析

2.1.1 尾翼间隙对气动升力的影响

尾翼与车身表面的距离是一个很重要的参数。间隙过小，会在车身表面形成局部方向上的负压，从而减小尾翼的作用；间隙过大，虽然在汽车上方可以不受车身气流干扰而较好的发挥作用，但是对于尾翼支架的强度要求很高，并且美观性较差[8]。通常这个距离用尾翼离赛车表面的高度h与赛车的轴距l之比来衡量，一般取值0.25≤h/l≤0.62，并且随着比值的增大，CL的值会变小的[9]。本文对三种尾翼间隙分别为480mm、580mm、680mm进行了数值计算，分析得出了尾翼间隙对气动升力的影响规律。

表2 不同尾翼间隙模拟所得的气动升力值Table.2 The simulation aerodynamic lift values for different wing clearance

表2显示了不同尾翼间隙模拟所得的气动升力值，即对无尾翼、尾翼间隙分别为480mm、580mm、680mm四种情况进行数值计算模拟的结果。图4三种间隙的升力系数值对应的折线图。从模拟结果可以看出，在间隙为480mm处尾翼下压力取得最大值，而整车的升力系数也是三种间隙中最大的，其原因在于间隙为480mm时，尾翼的升力系数在三者中是最大的。对于赛车而言，尾翼能够产生超过尾翼自重数倍的下压力，因此车身部分的升力增加基本上对结果的影响不大。同时可以得出，通过尾翼产生的下压力在很大程度上降低了整车的升力系数，这也就增加了车轮与地面的附着力，大大改善

了赛车在高速下的动力性和操纵稳定性。

2.1.2 尾翼间隙对气动阻力的影响

由汽车理论知识可知，汽车的气动阻力与汽车表面的摩擦阻力与压差阻力有关，尾翼的间隙与气动阻力的关系就不会像与气动升力那样简单。表3是对无尾翼、尾翼间隙分别480mm、580mm和680mm四种情况进行的数值模拟计算的结果。

表3 不同尾翼间隙所得的气动阻力值Table.3 The simulation aerodynamic resistance values for different wing clearance

表3是对不同尾翼间隙模拟所得的气动阻力值，图5是对应阻力的折线图。可以看出，加装尾翼会增加整车的阻力系数，但是增加的幅度并不大。同时可以说明，恰当的尾翼间隙可以在不增加阻力系数的前提下，大大的降低升力系数。当间隙为480mm时，阻力系数是四种情况中最大的。图5是对数据变化的直观体现，更能清楚地看到阻力系数的变化走势。

2.2 尾翼攻角的气动特性分析

2.2.1 尾翼攻角对气动升力的影响

气流流过尾翼上表面会产生一个向上偏斜的趋势，这样一来，会减小气流相对尾翼的攻角，从而使得负升力减小。但是如果尾翼的角度设计得好，不仅可以产生局部负升力，而且还可以通过它来改善整车尾部气流状况来减小气动阻力[10]。

通过上面的分析对比，本次取尾翼间隙为480 mm，对攻角分别为10°、20°和30°三种情况的模型进行了数值模拟计算分析。由此得出了尾翼攻角对气动升力的影响规律。

表4 不同尾翼攻角模拟所得的气动升力值Table.4 The aerodynamic lift values for different wing angle of attack

表4是对不同尾翼攻角模拟所得的气动升力值，图6是对应升力值的折线图。可以看出，加装了尾翼后整车的升力系数明显减小，随着尾翼攻角的不断增大，整车升力系数逐渐增大，并且车身的升力系数逐渐减小，因而改善了赛车的操纵稳定性。

2.2.2 尾翼攻角对气动阻力的影响

表5 不同尾翼攻角模拟所得的气动阻力值Table.5 The aerodynamic resistance values for different wing angle of attack

表5是对不同尾翼攻角模拟所得的气动阻力值，图7是对应阻力值的折线图。可以看出，加装了尾翼之后会增加整车的阻力系数，且随着角度的增加，阻力系数逐渐增大，车身的阻力随角度的增加变化不大，但是尾翼的阻力随着角度的增加变化较为明显。

2.3 尾翼周围流场对比分析

图8为无尾翼与不同攻角尾翼速度流线图，通过对尾翼攻角10°与无尾翼模型速度流线图对比可知，来流流过扰流板有明显上扬，由于攻角较小，产生的负升力也较小。

通过10°和20°攻角模型流线图对比，可以看出较大的攻角能够产生更大的扰流作用，提供更大的下压力。气流沿10°攻角模型上下表面流过，没有出现附面层分离，20°模型下层翼板下表面有轻微附面层分离。当采用30°攻角时，附面层分离现象较为严重。

鼻锥是影响FSC赛车稳定性的重要因素之一，它是赛车车身的前半部分，决定着通过车身上下方、散热器、后扰流板的气流比例及方向的关键性部件，如图9所示。通过俯视图观察气流经过前鼻翼和鼻锥之后在前轮周围形成低压区，减少了前轮的干扰阻力。鼻翼前上层翼板与车身之间留有足够空间，使前方未受绕流影响的气流能直接进入散热器，保证散热效果，增加赛车在耐久性项目上的稳定性；受前鼻翼的绕流作用影响的气流与流过车身和散热器的气流在车尾汇合，顺利流向后方，没有产生涡旋，如图10所示，证明本次在气动造型设计上的整体效果是比较满意的。

3、结论

本文描述了空气套件的优化设计，重点完成了尾翼的优化设计，研究了不同间隙与攻角尾翼CFD模型的气动特性，并通过对CFD数值模拟结果进行对比分析，得出了它们对气动特性的影响规律，根据相应的规律得出了在不同比赛项目中尾翼的调教策略，结论如下：

（1）75m直线加速：不使用前翼尾翼，将阻力减少到最低，可使用底部扩散器，这样在加速末段可以提供一定的下压力。

（2）耐久赛：尾翼扰流板可调至10°～20°之间，在不增加过多气动阻力的情况下提供适度的下压力，兼顾操纵稳定性与燃油经济性。

（3）高速壁障：尾翼扰流板可调至20°左右，在赛车加速性能允许的范围内，增加不多的气动阻力，提供更多的下压力，兼顾加速性能与弯道性能。

（4）8字绕环：尾翼扰流板可调至30°左右，增加的气动阻力可以通过增大油门开度来弥补，用

以获得更大的下压力，提高单圈速度。

[1] 郭军朝．理想车身气动造型研究与F1赛车空气动力学[D].湖南：湖南大学，2007.

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The Structural Optimal Design for the air kit of FSC racing car Based on CFD

Deng Zhaowen,Wang Bing
(Department of Automobile Engineering, HuBei Institute of Automotive Technology, Shiyan HuBei 442002)

under the premise of meeting the FSC racing car design rule requirement, the air kit structural optimization design is completed, focusing on the completion of the racing wing optimization design and analysis. First, CFD software FLUENT is used for car body model for the flow field analysis, and through adding the wing of different attack angle and clearance at the end of the car and carry out comparative analysis of body flow field simulation to study the aerodynamic characteristics of the wing in improving aspects of racing law, the study identifies the aerodynamic devices on different events when tuning strategies. Through comparative analysis of the airflow around the vehicle racing pressure distribution and velocity distribution of high-speed racing of negative lift effect, for improving the car's handling and stability and security has a very important significance for guiding racing wing installed correctly identified in the wing different events when tuning strategy has certain guiding significance.

FSC racing; rear wing; numerical simulation；CFD

U462; TP391.7

A

1671-7988(2014)03-22-06

邓召文，讲师，硕士，就职于湖北汽车工业学院，主要从事汽车检测与诊断、CFD分析研究。

项目编号：FSC赛车设计开发项目：2013052。