胡 溧，羅世敏，楊啟梁，楊 勝

(1.武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,湖北 武漢,430081；2.東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢,430056)

大學(xué)生方程式賽車空氣動(dòng)力學(xué)套件設(shè)計(jì)

胡 溧1，羅世敏1，楊啟梁1，楊 勝2

(1.武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,湖北 武漢,430081；2.東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢,430056)

針對(duì)武漢科技大學(xué)FSC赤驥車隊(duì)設(shè)計(jì)的賽車，進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行定風(fēng)翼及擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)和建模，并利用FLUENT軟件對(duì)定風(fēng)翼進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化；然后把空氣動(dòng)力學(xué)套件安裝在賽車上，建立整車模型，進(jìn)行常用工況下整車的空氣動(dòng)力學(xué)仿真，分析加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件對(duì)賽車高速穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)彎性能的影響。結(jié)果表明，加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件后，賽車的高速穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)彎性能均有明顯提升。

FSAE；空氣動(dòng)力學(xué)；定風(fēng)翼；擴(kuò)散器；攻角；升阻比；仿真分析

大學(xué)生方程式賽車(FSAE)在國際上被視為“學(xué)生界的F1方程式賽車”。近年來，F(xiàn)SAE賽事在中國得到大力發(fā)展，全國許多高校積極參加比賽。隨著比賽競(jìng)爭(zhēng)激烈程度的增加，前、后定風(fēng)翼和擴(kuò)散器等空氣動(dòng)力學(xué)套件越來越多地應(yīng)用在賽車上[1-2]。本文針對(duì)武漢科技大學(xué)FSC赤驥車隊(duì)設(shè)計(jì)的賽車，進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高賽車運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和安全性的目的。

1 原車氣動(dòng)性能仿真分析

為研究賽車的氣動(dòng)阻力與氣動(dòng)升力特性，在FLUENT中建立原車的簡(jiǎn)化計(jì)算模型并確定外流場(chǎng)計(jì)算域。一般根據(jù)風(fēng)洞測(cè)試經(jīng)驗(yàn)來確定外流場(chǎng)計(jì)算域，計(jì)算域長度為5～7倍的車長，寬度為3～4倍的車寬，高度為4倍的車高[3]。所建立的外流場(chǎng)計(jì)算模型取計(jì)算域的長為12 500 mm，寬為4500 mm，高為4000 mm，如圖1所示。

圖1 賽車外流場(chǎng)計(jì)算模型

Fig.1 Model for calculation of flow field around the racing car

賽車在行駛中，阻力和升力都會(huì)隨著車速的變化而改變。對(duì)車速為10、20、30 m/s工況下原車的氣動(dòng)力進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如表1所示。從表1中可知，原車在低速行駛時(shí)所受阻力很小，但隨著車速的提高，阻力會(huì)急劇增大，形成不可忽略的阻礙作用；輪胎阻力超過了總阻力的40%，可通過降低輪胎阻力減少整車的阻力；隨著車速的提高，車身升力也顯著增大，升力太大會(huì)導(dǎo)致車輛對(duì)地面的附著力減小，降低賽車高速行駛的穩(wěn)定性，同時(shí)不利于賽車快速轉(zhuǎn)彎[4]。因此，有必要為賽車設(shè)計(jì)一套合適的空氣動(dòng)力學(xué)套件以提高其高速行駛穩(wěn)定性和安全性。

表1 不同車速時(shí)車身部件的氣動(dòng)力(單位：N)

Table 1 Aerodynamic force of vehicle parts at different vehicle speeds

2 賽車空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)

2.1 前后定風(fēng)翼的選擇及優(yōu)化

定風(fēng)翼的作用是利用空氣流經(jīng)其表面時(shí)的壓力差形成下壓力。由于NACA640翼型的升阻比較高、氣動(dòng)特性較好，同時(shí)考慮到車速、設(shè)計(jì)加工成本等因素，故本次設(shè)計(jì)的賽車前、后定風(fēng)翼選取幾何尺寸一樣的雙片式NACA640翼型，其三維模型如圖2所示。

圖2 定風(fēng)翼三維模型

Fig.2 3D model of the wing

定風(fēng)翼的升阻比隨其翼片攻角的改變而改變，因此須對(duì)定風(fēng)翼攻角進(jìn)行優(yōu)化選擇。本文先確定雙片式組合翼中主翼攻角，再根據(jù)主翼攻角來確定襟翼攻角。

建立單片主翼時(shí)定風(fēng)翼的三維幾何模型。將模型導(dǎo)入ANSYS中劃分網(wǎng)格，再在FLUENT中進(jìn)行邊界條件設(shè)置及計(jì)算，根據(jù)賽車的實(shí)際工況，將來流速度取為20 m/s。計(jì)算可得大步長攻角下主翼的升阻比，如表2所示。由表2中可見，單片主翼攻角為0°～8°時(shí)，其升阻比是逐漸升高的；而當(dāng)攻角為8°～16°時(shí)，其升阻比開始下降。依據(jù)一維搜索法可以確定，攻角為4°～8°時(shí)升阻比存在最值。在4°～8°之間縮小迭代步長，以1°的步長進(jìn)行仿真計(jì)算，邊界條件保持不變，只調(diào)整

主翼攻角，計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知，攻角為5°時(shí)，單片主翼可獲得最大升阻比。

表2 大步長攻角下主翼的升阻比

Table 2 Lift-to-drag ratios of the main wing at large step angles of attack

表3 小步長攻角下主翼的升阻比

Table 3 Life-to-drag ratios of the main wing at small step angles of attack

在單片主翼的基礎(chǔ)上，加入襟翼，并建立組合翼的三維幾何模型進(jìn)行仿真計(jì)算，邊界條件不變。計(jì)算可得主翼攻角為5°時(shí)，不同襟翼攻角下組合翼的升力、輪胎阻力與升阻比的值如表4所示。由表4中可知, 主翼攻角為5°時(shí)，隨著襟翼攻角的增大，組合翼升阻比單調(diào)減小，而組合翼的升力卻呈先增大后減小的趨勢(shì)。因?yàn)榻M合翼的設(shè)計(jì)是為了在阻力增加的可控范圍內(nèi)盡量加大下壓力，而從表4中可見，這幾個(gè)攻角下的賽車的輪胎阻力都小于50 N，所以選取的目標(biāo)攻角應(yīng)是確保升力最大時(shí)的攻角，而不是升阻比最大時(shí)的攻角，可見襟翼攻角選取25°為最佳。

綜上所述，本賽車組合翼的主翼攻角選取為5°，襟翼攻角選取為25°。

2.2 擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)

由于賽車底盤距地面的高度很小，氣流受空氣黏性的影響，流速較慢，對(duì)車身產(chǎn)生向上的升力，不利于賽車行駛，因此須在賽車尾部加裝擴(kuò)散器。加裝擴(kuò)散器后，底盤下方的氣流流出底盤進(jìn)入擴(kuò)散器時(shí)，氣流會(huì)由于康達(dá)效應(yīng)而順著擴(kuò)散器的斜坡流動(dòng)，使車底氣流的流速加快。根據(jù)伯努利方程，流速高的地方壓強(qiáng)低，車底由于氣流的高速運(yùn)動(dòng)而形成了低壓區(qū)，便使車身獲得了巨大的負(fù)升力，有利于賽車保持高速行駛的穩(wěn)定性。

根據(jù)原賽車的尾部尺寸和離地間隙，借鑒相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[5]，將擴(kuò)散器兩側(cè)通道長度設(shè)計(jì)為660 mm,擴(kuò)散角設(shè)計(jì)為10°，其三維模型如圖3所示。

圖3 擴(kuò)散器三維模型

Fig.3 3D model of the diffuser

3 加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件后賽車氣動(dòng)性能仿真分析

3.1 賽車氣動(dòng)力的變化

建立加裝動(dòng)力學(xué)套件后賽車的三維模型如圖4所示。對(duì)車速為20 m/s時(shí)賽車的行駛情況進(jìn)行外流場(chǎng)仿真分析，計(jì)算結(jié)果如表5所示。比較表5與表1可知，加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件后，賽車由正升力特性轉(zhuǎn)變成負(fù)升力特性，其高速行駛時(shí)的抓地性能顯著提高，穩(wěn)定性得以提升；加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件之后整車的阻力增加了41.4 N，而下壓力卻增大了510.9 N，表明空氣動(dòng)力學(xué)套件的加裝雖然會(huì)有增阻的副作用，但增大下壓力的效果更為明顯。

車速為20 m/s時(shí)，安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件前后整車的靜壓云圖如圖5所示。對(duì)比圖5(a)、(b)可以看出，安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件后賽車輪胎的高壓區(qū)面積較未安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件時(shí)輪胎的高壓區(qū)面積稍有減小。

圖4 安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件的賽車模型

Fig.4 Model of the racing car with the aerodynamic kit

Fig.5Staticpressure nephogramsofthe racing car at the speed of 20 m/s

3.2 賽車不側(cè)滑時(shí)的最大轉(zhuǎn)彎速度比較

賽車不側(cè)滑時(shí)的最大轉(zhuǎn)彎速度為[6]

(4)

式中：ε為車輛側(cè)向力附著系數(shù)；m為賽車質(zhì)量；R為賽車的轉(zhuǎn)彎半徑；G為賽車重力;G′為安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件后賽車增加的額外下壓力。

由式(4)可看出，在地面情況不變即ε不變時(shí)，賽車不側(cè)滑時(shí)的最大轉(zhuǎn)彎速度與下壓力G′有關(guān)，G′越大，則轉(zhuǎn)彎能達(dá)到的最大速度Vhmax也越高。

本文中，賽車原車的質(zhì)量為326 kg,空氣動(dòng)力學(xué)套件質(zhì)量為6.3 kg，取ε=0.9，計(jì)算可得加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件前后賽車不側(cè)滑時(shí)的最大轉(zhuǎn)彎速度如表6所示。

表6 賽車不側(cè)滑時(shí)的最大轉(zhuǎn)彎速度

Table 6 Maximum turning speeds of the racing car without causing sideslip

由表6中可知，安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件后，賽車不側(cè)滑時(shí)的最大轉(zhuǎn)彎速度明顯增大，增幅約為7.8%。

3.3 賽車不側(cè)翻時(shí)最大轉(zhuǎn)彎速度比較

賽車不側(cè)翻情況下的最大轉(zhuǎn)彎速度為

(5)

式中：B為賽車輪距；h為賽車質(zhì)心高度。

安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件前后賽車不側(cè)翻時(shí)的最大轉(zhuǎn)彎速度如表7所示。由表7可知，安裝空氣動(dòng)力套件后，賽車不側(cè)翻時(shí)的最大轉(zhuǎn)彎速度明顯提高。

表7 賽車不側(cè)翻時(shí)的最大轉(zhuǎn)彎速度

Table 7 Maximum turning speeds of the racing car without causing rollover

4 結(jié)語

本文結(jié)合武漢科技大學(xué)FSC赤驥車隊(duì)賽車的具體情況，設(shè)計(jì)了符合大賽要求的空氣動(dòng)力學(xué)套件，包括前、后定風(fēng)翼及擴(kuò)散器。對(duì)加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件前后賽車的氣動(dòng)特性的仿真分析表明，所設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力學(xué)套件能在賽車阻力增加較少的前提下，較大地增加賽車的下壓力，有效地提高了賽車的過彎速度和行駛穩(wěn)定性。

[1] 張國忠,賴征海. 汽車空氣動(dòng)力學(xué)與車身造型研究最新進(jìn)展[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報(bào),2005,17(6)：39-44.

[2] 鄧召文，王兵.FSC賽車空氣套件CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2014(3):23-27.

[3] 郭軍朝. 理想車身氣動(dòng)造型研究與F1賽車氣動(dòng)特性初探[D].長沙：湖南大學(xué)，2007.

[4] 潘小衛(wèi). 賽車CFD仿真及風(fēng)洞試驗(yàn)研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)，2009.

[5] 焦雅麗. 大學(xué)生方程式賽車外流場(chǎng)模擬分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)，2013.

[6] 曾飛云. 萬得FSC賽車空氣動(dòng)力學(xué)特性研究[D].錦州：遼寧工業(yè)大學(xué),2014.

[責(zé)任編輯 鄭淑芳]

Design of aerodynamic kit for the FSC racing car

HuLi1，LuoShimin1，YangQiliang1,YangSheng2

(1. College of Automobile and Traffic Engineering, Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081, China; 2. Technical Center of Dongfeng Commercial Vehicle Co.,Ltd.,Wuhan 430056, China)

The aerodynamic kit was designed for the FSC racing car from Wuhan University of Science and Technology. First, the fixed wing and the diffuser were designed and modeled, and the former was aerodynamically simulated and optimized by using FLUENT software. Secondly, the aerodynamic kit was fixed on the racing car, and the full car model was set up for aerodynamic simulation and analysis of the car under the common condition so as to determine the influence of the aerodynamic kit on the high-speed stability and turning performance of the car. The results show that the aerodynamic kit has greatly improved the high-speed stability and turning performance of the car.

FSAE; aerodynamics; fixed wing; diffuser; angle of attack; lift-to-drag ratio; simulation analysis

2015-07-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51105283).

胡 溧(1977-), 男, 武漢科技大學(xué)副教授，博士.E-mail:hunklin@163.com

U463.1

A

1674-3644(2015)05-0377-04