FSAE赛车空气动力学稳定性和下压力的优化分析

沈钰豪，刘宁宁，黄碧雄，刘丁源，司佳蒙

（上海工程技术大学，上海 201620）

0 引言

Formula SAE (FSAE)由国际汽车工程师学会于1978年开办，被视作为大学生的F1，重要的是该赛事不仅只是单纯的竞速比赛，更是考察学生车对辆性能的理解和设计方面的比赛。经过对FSAE比赛实际条件的研究，赛车大多在60km/h以下的平均速度下行驶，阻力对赛车的影响较小，故确定了上海工程技术大学锐狮车队2020赛季电动赛车（RISE-20E）的空气动力学套件设计方向主要是在保证空气动学稳定性和风压中心与车两质心重合的前提下提高赛车的下压力，而阻力作为设计所考虑的次要因素。

本文研究基于CATIA建模及CFD分析。CFD能够执行CAD模型的理论测试计算。CFD在成本和时间方面拥有极大的优越性，可以大大提高设计效率，缩短工时。CFD精度比不上风洞试验，但却几乎克服了它的局限性[1]。成熟的CFD软件可以拓展实验研究范围，减少大量成本昂贵的实验工作量，减少验证的成本。在模拟参数下对现象进行一次数值模拟相当于进行一次模拟的实验，文献中有许多首先由CFD数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。考虑到计算能力有限，多面体与车体半模的结合便能更进一步节约计算资源并获得更好的收敛性。

1 三维建模及CFD建模

1.1 三维建模

首先在上一赛季的赛车设计的基础上，保留了车身总体概念并进一步强化对于空气动力学稳定性上的开发。利用CATIA进行设计建模，重点在前翼上，为了使得空气动力学的稳定性得到进一步的提升。以前翼为例，首次采用了四层前翼的布置方式，在建模上先将二维翼型安置在规则所限制的排除区平面内，对于四片翼的整体结构进行布置。使用CFD软件在二维下得到较为理想的耦合关系[2]，确认位置后进行三维的绘制，变截面最小截面处用相同方法优化，最后用CATIA创成式模块进行最后的建模。

1.2 前处理

网格一般可以分为结构网格和非结构网格两大类。考虑到赛车的曲面造型复杂，使用了非结构性网格，非结构性网格中最常见的是二维的三角形以及三维的四面体[3]。复杂造型多使用四面体网格，而为了在四面体网格上得到高精度的计算结果和好的收敛性能，需要采用特殊的离散技术和大量的控制体。但是其高质量会带来内存和计算时间的增加。而多面体网格就是克服了四面体网格这些缺点，并保留自动网格的便捷优点。多面体网格的最大的优点是有很多邻居单元（通常为10），所以能更精确地计算控制体的梯度。多面体网格拉伸率相比四面体网格也有着很大优势。使用Star-ccm+完成计算域和网格的绘制。车辆网格如图1所示。

图1 整车网格

1.3 边界条件

湍流速率为约5倍的计算域面积除以计算域周长，流速u为16.67m/s，压力出口设置湍流强度为0.5%，并将地面设置为滑移壁面，滑移速度为16.67m/s，车轮设置为旋转壁面，在地面上做纯滚动。介质设定为空气，地面加入边界层以此模拟相对真实的条件[4]。

2 前翼CFD优化分析

2.1 前翼设计

前翼作为首先接触到自由来流的部件，起到产生下压力和引导车前方气流的作用，相比尾翼和扩散器受到整车较大的干扰。前翼中部的上洗不仅会影响尾翼，更是会影响散热和下游组件的工作效率[5]，而这与RISE-20E需要保证下游组件工作效率的想法背道而驰，虽然前翼中部不受规则高度限制的影响，但是考虑到前翼对整车设计、空力平衡和散热的影响，首先确定了前翼中部较小的等效攻角设计思路。同时，前翼外侧在受到250mm高度限制的情况下也要尽可能引导气流离开前轮。图2为RISE-20E前翼渲染图。

图2 RISE- 20E 前翼渲染图

RISE-20E的前翼采用了内侧高攻角而小弦长的变截面前襟翼设计，同时主翼中部通过改变第二层翼片的形状，中部的气流几乎没有上洗，总压损失极小，第一层的翼片更为靠近地面，更好地利用了地面效应来加速前翼底部气流。前翼外侧既减少了前轮的阻力又减少了前轮乱流对于中后部流场的负面影响。襟翼翼面攻角的变化能够使下游气流也避开前轮，将外侧气流向中部引导，从而在大幅减小了前轮的阻力的同时为中部供给更多的气流。端板和翼面的结合使前翼有充足的外洗，减小了赛车在水平偏转姿态下对车辆空气动力学的影响，增强了空气动力学稳定性。涡管与端板翻边的设计也一定程度上弥补了前翼的下压力，增强了转向情况下前翼的空力稳定性。前翼本身的压力分布也得到了大幅优化，图3是2020年赛车前翼下表面压力云图。

图3 2020 年赛车前翼下表面压力云图

2.2 前翼稳定性分析

前翼在2019赛车上是距离车辆重心最远的部件，在车辆的俯仰状态下，前翼的俯仰变化对前翼离地高度和攻角都有影响。通过对翼片之间相对间隙和位置关系的优化，整个前翼的高压峰分布主要集中在两层襟翼上，进一步增强了前翼在俯仰状态下的空力稳定性。结合对单件的俯仰分析，最终将前翼的离地高度定为42mm。经过对于前翼俯仰状态下的CFD验证，其在正负4°的俯仰角下下压力的变化幅度大约在0.98%，2019赛车此数据为2.1%。不同俯仰角下的下压力：4°为231.1N、2°为229.8N、0°为228.8N、–2°为227.5N、–4°为226.3N，可知其对于俯仰的敏感度较低。前翼在30-50mm的离地间隙下下压力变化幅度约为0.94%，2019赛车变化幅度约为1.8%，具体数值：30mm为230.5N、35mm为229.1N、40mm为228.8N、50mm为228.3N、60mm为227.2N，可以看出RISE-20E赛车前翼相比2019赛车在稳定性上有较显著的提升。

3 整车分析结果对比

在初期整车试验后发现尾翼受到侧面扩散器和前翼的影响较大，难以平衡前部下压力。因此增加了升力翼组件，图4为轮胎周围在添加了升力翼后的俯视速度矢量图，从图中可知，升力翼组件形成的下洗流很好地减少了尾翼所受到的升流影响，并将风压中心后移。由于拉杆悬架的上下横臂及拉杆的位置低，升力翼能够被安装在一个比较理想的低位置。其外侧产生的翼尖涡在受到侧翼抽吸后向外偏转，排出了前轮后侧的乱流[6-9]。

图4 离地高度0.35m 时轮胎周围俯视速度矢量图

最终分析结果：升力系数–4.41、阻力系数–1.46、升阻比–3.03、车速16.67m/s下压力为–805.2N、车速16.67m/s下阻力为–256.5N；车速16.67m/s下压力分配：前翼–228.9N占28.4%、升力翼15.7N占–19%、尾翼–206.0N占25.6%、车身和扩散器–398.6N占49.5%、车轮12.4N占–1.6%。由于尾部扰流板和梁翼的添加，通过车身尾部的气流上洗帮助扩散器提升了效率。底板的离地间隙设定为40mm，在离地高度变化区间内赛车的下压力变化较小，空气动力学稳定性较好。通过CFD分析可得整车下压力在直线状态的60km/h时达到805N，升力系数达到–4.41，整车下压力系数为4.73。前翼和尾翼的下压力分配平均，各占到整车约25%的下压力，而车身和扩散器产生了整车约50%的下压力。整车在不同俯仰角下的下压力也进行了计算，在4°的俯仰角内整车的下压力变化在4.6%。整车下压力对于离地高度的变化不敏感。通过计算，整车风压中心相对质心有约18Nm的力矩，整车的风压中心与质心基本重合。完成优化后整车下压力系数与离地高度的变化关系：30mm为4.72、35mm为4.74、40mm 为4.73mm、50mm 为4.67mm、60mm 为4.61mm。图5为整车流线图。

图5 整车迹线图

4 结语

本文对2020赛季大学生方程式电动赛车的空气动力学套件进行了优化改进，结果表明整车流线型良好，前翼有明显外洗，中部上洗较少符合预期设计，有效降低了前轮产生的紊流并增强了前翼的抽吸作用，低压区总压损失较小，生成涡流较小，保证了侧面扩散器有更多高能气流进入。通过计算，整车风压中心相对质心有约18N·m的力矩，整车的风压中心与质心基本重合。整车的空气动力学稳定性良好，在不同离地高度和俯仰角下下压力变化较小，风压中心位置较好，横摆力矩较小且与车辆过弯时形成力矩相反，有利于提升车辆弯中的稳定性。在确保稳定性的前提下，整车下压力系数水平较高，下压力分配符合初期设计目标。