F S C赛车空气动力学套件的建模与流场分析

郑燕丽，张 兴，顾 迪，巴炳权，倪 彰

（江苏理工学院汽车与交通工程学院，江苏 常州213000）

大学生方程式赛车（FSC）是由在校大学生根据大赛相关规则，自主设计的一辆单座赛车。赛事的举办丰富了学生的理论知识，锻炼了学生的工程实践能力，提高了学生创新意识和团队协作能力。

安装空气动力学套件，目的是在赛车高速行驶时，能够造成一定的下压力，用以消除大部分上升力的影响，并能够有效地降低风阻系数，增强操纵稳定性，使得赛车在高速运动中保持良好的性能。

1 空气动力学套件翼型特性及参数分析

在设计中所用的翼型是从伊利诺伊州大学翼型库选的，翼型是经过分析它们在不同攻角下的下压力、阻力及升阻比后筛选的，但不应该仅仅只关注这些数据，最重要的是找到这几个数据的变化趋势，通过变化趋势，分析其变化原因，并进而指导下一组更小范围的对比实验。选翼型是个重复再重复的过程，选出了一个好的翼型之后，会对后续设计带来极大的便利，也可以一直沿用下去。

主翼加襟翼的组合式翼型可以保证翼型在大攻角下不失速，极大地提高升力系数。但是升阻比是根据主翼和襟翼相对位置的改变而发生变化，因此主翼和襟翼的位置必须要先确定好。翼型组合的确定关键是要找到变量。本次选择的是两式组合翼型，从翼型的侧面看，两片翼都有极大的活动空间。总攻角是影响翼型升阻比的另一个重要的因素，但是由于升阻比会随着翼型组合的变化而变化，所以很难保证翼型变动的同时总攻角不变。因此，选择攻角的原则就是保证变量统一，在大梯度下做多组对比实验，找到规律后，再做小梯度实验。升阻比对于整车来说越大越好，在其他变量不变的情况下以阻力系数和升力系数为变量，如图1所示，用不同的颜色色区分圈速区间，如果升阻比范围已经基本确定，权衡条件就需要适当改变。如果赛车的升力系数为2.45，阻力系数是1.1，则升阻比为2.23，其在图中对应的是下面圈位置；如果赛车的升力系数为3.3，阻力系数是1.6，则升阻比为2.19，其在图中对应的是上面圈位置。实际的选择需要与动力、轮胎、底盘进行合理的匹配，直接从圈速上体现出来。总之，下压力和阻力的取舍最终取决于圈速，在设计阶段可以借助圈速仿真来指导升力阻力的趋势选择，而在实车测试阶段也需要做大量的调试工作。

图1 升阻比示意图

针对FSC赛车而言，它的平均速度在20 m/s左右，在这种较低速度下较容易实现导流措施。在惯性下高速气流会增强，因为气流有粘性，所以墙壁走势的变化会使靠近壁面的气流贴合着墙壁流动并随之改变其流向，一般简化称为气流贴壁效应，如图2所示。

图2 车轮分析示意图

升力翼空气动力学特性随着它的结构不同也不尽相同，这些特性与翼型的弧度、翼型攻角、后弦比成正比。升力翼的设计主要体现在前鼻翼和后尾翼上，设计主要依靠不同的组成和组合方式来获得足够的负升力。气流分离的产生是由于攻角过于大或者翼型的弧度过大，这将会造成很大的气动阻力，并且要比粘性和摩擦阻力大，与此同时也会造成动力损失。针对FSC赛车升力翼的特殊情况，需要选择拥有一定弧度的、升力系数较大、雷诺数较低的升力翼翼型，以得到较大的压力[1-2]。

2 空气动力学套件结构设计

2.1 前翼设计

前翼的设计理念是通过选取增大升力翼的尺寸、大弧度的翼型来提高负升力。受到FSC设计规则的影响，鼻翼与前轮的距离很近，这导致了设计上必须使得前鼻翼要足够的大，把车轮阻挡住，将气流从车轮边导过，使得气流不与车轮正面冲突，减少阻力。本次设计的前鼻翼具有三层翼型设计方案，如图3所示，底部采用传统的两片式设计，在前端左右两边加装短小的翼片，用于平衡气流的作用，与此同时在中间部位加装两片隔板，分开受干扰气流和干净气流。作为气流最先到达的部位，前翼受到前轮的影响巨大，这种形式的设计能最大程度的降低这种干扰，保证对发动机散热影响较小的同时达到增加下压力的根本目的。

图3 前翼设计示意图

2.2 尾翼设计

根据FSC大赛赛事规则，尾翼得设计要求则比鼻翼简单得多，只需要尽可能的增大负升力，提高下压力即可。经过多方面的研究和资料查询，最终决定采用三层翼片的结构，结构的具体三维图如图4所示。顶层分布两层翼片，底部单层翼片，侧边有导流的开槽，也是具有一定的弧度。这种翼片形式是组合式的翼片，升力翼选择了大面积的翼片，升力翼之间留有合理的间隙和弧度，使得气流流经时能产生较大的升力系数。尾翼安装应与驾驶员头部相持平，过高或过低会导致气流导入受到干扰，无法产生预期效果。顶层的两个翼片由于离地面的距离较远，收到地面的影响也最小，流经气流得流速也十分迅速，而处于最底层的翼面需要有较为上扬的曲线和较小的攻角，因为它主要的作用是导流，使气流贴紧翼面滑过，并且使气流在流过时流向顶层翼片的吸力面，以便于得到更好的气动性[3-4]。

图4 尾翼设计示意图

3 整车空气动力学流体仿真分析

3.1 流体域的建立

流体域的建立类似于风洞的模拟，如图5所示将所赛车模型放入计算好的空间里，这个外部空间就是流体域。赛车在流体域之中，没有空间的限制，唯一与空间有所联系的就是轮胎，轮胎底部需要与地面接触，模拟赛车在地面行驶的过程。

图5 流体域示意图

流体域一般在仿真过程中被设置成为一个长方体，具体地长宽高和所计算地模型尺寸有所关联。流体域有边界条件，在建立域之前，先了解车身三维模型地数据参数。车身前地入口边界处前越需要2～3倍车长，后面约为5～7倍车长，高度约5倍车高，左右约为2～3倍车宽，车轮按照上述所说与地面接触。

3.2 网格划分

划分网格对于CFD仿真来说是极为重要的部分，无论是需要精准的计算还是分析模拟出流场之中流体的运动情况，都需要细腻的网格划分来虚拟出物质以及流体。一般网格划分需要用到ICEM模块，大体的划分过程从面网格开始，然后设置密度区，接下来是体网格，最后则是边界层。针对于面网格的划分，由于计算机是位二进制计算方法，所以各个部分网格数据最好选用2的阶层来划分。密度区简而言之就是对所选模型的周围区域生成适合的密度。按照顺序生成网格，根据设计过程中的参数，数量会有所不同，并且随着数量的增多，计算得到的数据也相应的更加准确，而且划分的图形形状越标准，计算所得结果越迅速，并且还能保证良好的收敛性。整车网格划分如图6所示。

图6 车身网格划分

3.3 流线分布

经过计算以后，得到了车身表面压力云图，如图7所示。从图片中可以看出，前两个车轮、车身前端和驾驶员头部压差阻力十分的明显，这些地方都是处在迎风面的受力之处。如图8所示对赛车对称面速度分布云图进行分析。从图中可以看出，气流在流经驾驶员头顶的时候，速度达到了巅峰。气流沿着车身流动，再遇到驾驶员车身前遇到了阻碍，在车身前形成了涡流，使得后面的气流受到了阻塞，使驾驶员受到了冲击。在赛车高速行驶时，危险等级达到较高的层次，可能会很大程度上对驾驶员的头部和脊椎造成较大的负担甚至于不同程度的损伤。

图7 整车仿真分析压力云图

图8 赛车对称面速度矢量图

从各个分析示意图中还可以看到，赛车的尾部在运动过程中处于极其不稳定的状态，因此需要加装尾翼以保持整个车身的稳定性。尾翼的位置大概与驾驶员头部相持平，以获取较大的气流速度，并且也不会因为重心过高过低而造成侧翻或丧失其应有的效应。

4 结束语

本文通过分析与计算赛车定风翼空气动力学特性、优化翼型攻角、优化扩散器离地间隙并且运用FLUENT对空气动力学套件进行网格划分、求解边界条件、仿真其流线分布。其结果表明该分析方法切实可行，符合设计要求。设计参数及分析结果可为方程式赛车空气动力学套件结构设计提供理论依据。