韓小強(qiáng)，王洪宇，侯文彬

(大連理工大學(xué)　汽車工程學(xué)院，遼寧　大連　116024)

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基于FSAE賽車的空氣動(dòng)力學(xué)套件設(shè)計(jì)及CFD分析

韓小強(qiáng)，王洪宇，侯文彬

(大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，遼寧大連116024)

在賽車領(lǐng)域，空氣動(dòng)力學(xué)研究已經(jīng)成為各項(xiàng)賽事以及車隊(duì)之間競爭的焦點(diǎn)。文中通過對(duì)G03C賽車進(jìn)行整車空氣動(dòng)力學(xué)分析，找出整車造型對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的影響因素，并根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)了一套相匹配的空氣動(dòng)力學(xué)套件，包括鼻翼、尾翼及擴(kuò)散器。對(duì)比改裝前后賽車的空氣力學(xué)性能，結(jié)果表明，安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件后，產(chǎn)生一定的下壓力使得賽車的高速穩(wěn)定性能得到提升。

FSAE賽車； 空氣動(dòng)力；外流場；阻力系數(shù)

FSAE方程式賽車(formula SAE)在國際上被視為學(xué)生界的 F1方程式賽車。該賽事是一項(xiàng)考察車輛性能設(shè)計(jì)方面的比賽，而不是一項(xiàng)單純的競技比賽。它是由美國汽車工程師協(xié)會(huì)于1979年創(chuàng)辦的，已經(jīng)有30多年的歷史了，目前舉辦賽事的國家除美、英、德、意、澳、巴西及日本，我國也于 2010年加入推廣這項(xiàng)比賽，借以培養(yǎng)及訓(xùn)練車輛工程研發(fā)設(shè)計(jì)人才。

中國大學(xué)生方程式汽車大賽(簡稱“FSC”)是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽，到2014年已經(jīng)成功舉辦了五屆比賽。各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年的時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動(dòng)、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。賽事對(duì)賽車各系統(tǒng)的材料、結(jié)構(gòu)等都提出了一些規(guī)則，但是比賽規(guī)則比較開放，以鼓勵(lì)學(xué)生的原創(chuàng)設(shè)計(jì)和各種形式的賽車出現(xiàn)。另外，比賽通過一系列靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的項(xiàng)目來評(píng)判汽車的性能和優(yōu)劣，包括技術(shù)檢驗(yàn)、成本分析、商業(yè)陳述、工程設(shè)計(jì)、單項(xiàng)性能測試、耐久測試和燃油經(jīng)濟(jì)性。[1]。

1　空氣動(dòng)力學(xué)套件設(shè)計(jì)

對(duì)于開放式車輪賽車來說，可以把流過車身的氣流大致分成三個(gè)部分：頂部氣流、兩側(cè)氣流和底部氣流。氣流首先到達(dá)賽車前部位置，在鼻翼和車頭共同作用下，氣流路徑開始發(fā)生變化。車鼻上方氣流沿車身上表面運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過駕駛艙上方，一部分氣流流入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口，其余氣流通往尾翼區(qū)域。車身兩側(cè)氣流也可以分成兩部分:車輪前方氣流和車頭與車輪間通往側(cè)廂的散熱格柵。在不加任何導(dǎo)流板的前提下，前輪受到的氣動(dòng)阻力幾乎占據(jù)整車氣動(dòng)阻力的一半。為了處理這一部分氣流，工程師利用鼻翼襟翼作為導(dǎo)流板[4]。一般來說，在車輪前部的鼻翼迎風(fēng)面積較大，目的是為了誘導(dǎo)其上方氣流繞到前輪頂部，避免直接沖擊前輪；同時(shí)為保證發(fā)動(dòng)機(jī)散熱，靠近鼻錐的前翼迎風(fēng)面積較小，使散熱氣流能夠順利進(jìn)入側(cè)廂。兩側(cè)氣流最后沿側(cè)艙表面進(jìn)入可樂瓶區(qū)流向擴(kuò)散器。氣流沿鼻錐和鼻翼下方進(jìn)入賽車底部，在擴(kuò)散器地面效應(yīng)的作用下迅速加速，使底盤與地面之間形成負(fù)壓區(qū)，從而增大整車下壓力。裝配整套空氣動(dòng)力學(xué)套件的三維模型如圖1所示。

圖1　裝配空氣動(dòng)力學(xué)套件的三維模型示意圖

1.1升力翼型設(shè)計(jì)

鼻翼、尾翼完全是靠升力翼來獲得下壓力，而不同的升力翼結(jié)構(gòu)有著不同的空氣動(dòng)力學(xué)特性。因此，升力翼設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接決定賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能。翼型氣動(dòng)升力系數(shù)隨翼型攻角、厚弦比、弧度的增加而增大。對(duì)于因翼型弧度過大或者攻角過大而發(fā)生氣流分離，所產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力遠(yuǎn)大于摩擦阻力和粘性阻力，同時(shí)還造成氣動(dòng)升力損失，因此，避免氣流分離是減小氣動(dòng)阻力非常重要的手段。因?yàn)橘愜嚿σ碇車字Z數(shù)很低，一般的航空翼型在低雷諾數(shù)的條件下氣動(dòng)效果并不理想，需要重新選擇適合 FSAE 賽車的低雷諾數(shù)、大升力系數(shù)的翼型截面。為了得到更多負(fù)升力，升力翼型還應(yīng)具備一定弧度，本次設(shè)計(jì)根據(jù)賽事資料以及各種翼型升力阻力特性選取NACA翼型截面庫的NACA6412低速翼型。

1.2鼻翼設(shè)計(jì)

作為氣流最先到達(dá)的部位，鼻翼控制著空氣在賽車各個(gè)部位的流動(dòng)，而且它的寬度使它擋在前輪前面，翼面能讓氣流盡量繞開前輪，以減小阻力。鼻翼可以通過增大尺寸和攻角來產(chǎn)生更大的下壓力，但它的用途主要是用來平衡擴(kuò)散器及尾翼所產(chǎn)生的后部下壓力，同時(shí)它還受到賽事規(guī)則和空間布置的制約，因此，鼻翼的設(shè)計(jì)相對(duì)其他氣動(dòng)套件來說更加困難。與其他方程式賽車不同，F(xiàn)SAE賽車鼻翼布置很靠近前輪，因此前翼外側(cè)氣流受到前輪的影響破壞非常嚴(yán)重。為了減小氣流分離，本次前翼設(shè)計(jì)方案采用二片式，同時(shí)在前翼中間添加隔板。采用兩片式設(shè)計(jì)方案的原因是為了保證有更多的氣流通過賽車側(cè)廂，把安裝鼻翼對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱的影響降到最小，同時(shí)由于前翼外側(cè)氣流受前輪干擾強(qiáng)烈，利用隔板劃分出氣流通道，分開受干擾氣流和干凈氣流。

1.3尾翼設(shè)計(jì)

相對(duì)鼻翼的各種要求，尾翼的用途只有一個(gè)，產(chǎn)生下壓力。同時(shí)盡可能減小產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力，對(duì)于尾翼來說，想要獲得較高氣動(dòng)壓力的途徑主要有：增加升力翼表面積；增加升力翼弧度；通過翼型開縫或者吹風(fēng)來延遲氣流分離。對(duì)于方程式賽車，最流行的做法就是使用組合翼的形式。通過翼型疊加能夠獲得更大的翼型攻角，升力系數(shù)也隨之增加[5]，這是因?yàn)闅饬鹘?jīng)過兩翼間縫隙時(shí)，通過前方翼型尾部的導(dǎo)流作用，使氣流方向能夠更加貼合后方翼型，因此后方翼型可以獲得比前方翼型更大的攻角而不產(chǎn)生氣流分離。本次尾翼設(shè)計(jì)采用雙層三翼板結(jié)構(gòu)，分為底層主翼、中層襟翼和頂層襟翼。這樣設(shè)計(jì)的原因?yàn)椋弘x地越高氣流受干擾越小，流速越快，頂層翼氣流質(zhì)量比底層翼好；底層翼主要起導(dǎo)流作用，采用較小攻角使氣流與翼面不產(chǎn)生分離，其尾部的上揚(yáng)曲線能夠引導(dǎo)氣流流向更貼合頂層翼的吸力面，在頂層翼采用較大攻角的情況下，使其吸力面氣流不發(fā)生分離，進(jìn)而提高尾翼的氣動(dòng)性能；兩層翼之間采用合適的間隙，使氣流在間隙處得到加速，從而增加氣流流過尾翼的雷諾數(shù)。

變頻調(diào)速系統(tǒng)的電壓暫降免疫度計(jì)算及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)//莫文雄,許中,馬智遠(yuǎn),陳偉坤,鐘慶//(18):157

1.4擴(kuò)散器設(shè)計(jì)

擴(kuò)散器主要是利用流體速度的大小與壓強(qiáng)成反比的原理，氣流速度越高，與氣流垂直方向的氣壓會(huì)越小。將這種裝置裝配在賽車底部，使得賽車上部的氣流壓力大于底部的氣流壓力，從而形成氣壓差，使賽車產(chǎn)生一股往地面方向的壓力，達(dá)到增強(qiáng)賽車下壓力的效果，使賽車輪胎有很好的抓地力。在設(shè)計(jì)賽車擴(kuò)散器時(shí)，由于賽車后橋傳動(dòng)系、后懸架桿跳動(dòng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼干涉等原因，留給擴(kuò)散器的空間非常有限，綜合考慮，本次設(shè)計(jì)的G03C賽車擴(kuò)散器兩側(cè)通道長度為1 480 mm，擴(kuò)散角度為13°。

2　整車CFD分析

通過對(duì)國內(nèi)外車隊(duì)的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)車隊(duì)?wèi)?yīng)用商業(yè)CFD軟件進(jìn)行仿真模擬分析。本文主要應(yīng)用到ICEM和FLUENT這兩款A(yù)NASYS旗下的商業(yè)軟件，下面將具體介紹本次研究的思路。

2.1模型前處理

本次仿真模擬采用的是全車模型。由于原車模型來自于概念造型的三維數(shù)模，表面存在大量的細(xì)小特征，以及殘缺面、重復(fù)面等情況，而這些是生成質(zhì)量較好網(wǎng)格的一大障礙，需要?jiǎng)h除一些對(duì)仿真結(jié)果影響不大但會(huì)影響網(wǎng)格質(zhì)量的細(xì)節(jié)，最后得到滿足仿真要求的三維模型。因此，在進(jìn)行分析前要花費(fèi)大量的時(shí)間通過UG NX軟件對(duì)模型進(jìn)行簡化和修補(bǔ)：去掉前后懸架雙橫臂桿、轉(zhuǎn)向橫拉桿、主環(huán)等對(duì)流場干擾相對(duì)較小的桿件； 添加駕駛員簡化模型，圓球位置是駕駛員坐進(jìn)駕駛艙時(shí)頭部的實(shí)際位置；輪胎簡化為圓柱形，尺寸參照實(shí)際輪胎尺寸；在輪胎與地面接觸部分，為了避免輪胎型線與地面相切形成尖角而使這部分網(wǎng)格質(zhì)量變差，在接觸部分創(chuàng)建小凸臺(tái)，凸臺(tái)部分模擬了賽車輪胎的承重變形，對(duì)整個(gè)流場造成的影響可以忽略不計(jì)，又改善了車輪與地面相接處的網(wǎng)格質(zhì)量；將發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系及車身內(nèi)部附件簡化或去除，保留輪胎、車身、側(cè)廂、空氣動(dòng)力學(xué)套件等主要部件，再將車身表面以及各附件的碎面縫合起來，形成若干個(gè)封閉的殼體[6]。在其車頭前部取2倍車長，車尾后部取7倍車長，車身外側(cè)取2.5 倍車寬，車頂上部取4倍車高，最后得到如圖2 所示的外部流場計(jì)算域，賽車與風(fēng)洞的相對(duì)位置也如圖2所示。

圖2　賽車外流場計(jì)算域示意圖

2.2 流體網(wǎng)格劃分

將簡化后的車身外流場幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因?yàn)檐嚿肀砻媲孑^復(fù)雜，所以劃分采用四面體混合網(wǎng)格，如圖3所示。總體網(wǎng)格設(shè)置越小，計(jì)算越精確，但會(huì)造成網(wǎng)格數(shù)目巨大，計(jì)算時(shí)間成本成倍增加。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，又保證計(jì)算精度，在車身周圍和車尾后部湍流強(qiáng)烈的區(qū)域創(chuàng)建網(wǎng)格加密區(qū)，加密區(qū)之外區(qū)域設(shè)置 T-Glib網(wǎng)格生長策略，使加密區(qū)邊沿的小尺寸網(wǎng)格迅速生長成大尺寸網(wǎng)格，填滿整個(gè)計(jì)算域?？諝庾鳛檎承粤黧w，沿賽車表面流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生壁面邊界層，流動(dòng)參數(shù)沿壁面法向梯度大、沿流向梯度小，對(duì)網(wǎng)格沿法向方向加密要求較高，因此，為了模擬出賽車表面粘性邊界層，需要在賽車表面沿法線方向設(shè)置三棱柱網(wǎng)格。車身的外表面生成為非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格，單元大小尺寸為8～20 mm；車身外的空氣域生成為非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，長度為400～500 mm。整車單元總數(shù)150 萬個(gè)左右，網(wǎng)格總體連續(xù)、均勻、美觀，過渡平緩。

圖3　網(wǎng)格加密區(qū)及車身表面網(wǎng)格

2.3邊界條件及求解

流場入口設(shè)為速度入口邊界，按規(guī)則要求仿真時(shí)車速為115 km/h，即入口風(fēng)速為32 m/s。流場出口采用壓力出口；地面設(shè)為移動(dòng)壁面，移動(dòng)速度與車速保持一致；其余壁面設(shè)為對(duì)稱邊界，消除壁面對(duì)流體切向速度的影響?？諝獾拿芏葹?.225 kg/m3，計(jì)算中不考慮溫度的影響。由于仿真模型雷諾數(shù)小，計(jì)算模型采用k-omega湍流模型，非平衡壁面函數(shù)法進(jìn)行壁面處理。壓強(qiáng)離散采用SST格式，動(dòng)量及湍流動(dòng)能、湍流粘性耗散比采用二階迎風(fēng)格式，收斂容差設(shè)為1.0×10-4[7-8]。在 FLUENT 計(jì)算過程中，各方程殘差都小于指定值或者監(jiān)測值不再發(fā)生明顯變化時(shí)，可認(rèn)為計(jì)算收斂。

3　計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)上述模型及邊界條件，分別對(duì)有無空氣動(dòng)力學(xué)套件進(jìn)行外流場計(jì)算，現(xiàn)將計(jì)算模擬結(jié)果整理如下。

3.1壓力分布

圖4是賽車在外流場中車身及空氣動(dòng)力學(xué)套件表面的壓力分布圖，圖中色柱表示的是在圖中對(duì)應(yīng)顏色的不同壓力值。從圖4可以看到，車頭正前方為正壓區(qū)且壓力最大，通過減小車頭正壓區(qū)的范圍可以明顯改善整車空氣動(dòng)力效果，車頭的造型對(duì)整車風(fēng)阻系數(shù)有決定性的影響；整車正壓梯度大的地方出現(xiàn)在輪胎、駕駛員臉部和車身前部這幾個(gè)主要迎風(fēng)面上，可以認(rèn)為這些面是產(chǎn)生壓差阻力的主要來源。前輪是受氣動(dòng)阻力最大的部件之一，這是因?yàn)闅饬髟谇拜啗]有鼻翼引流的情況下直接沖擊前輪的結(jié)果。對(duì)于開放式車輪的賽車來說，如何避免氣流直接沖擊前輪向來都是賽車工程師關(guān)注的焦點(diǎn)。設(shè)計(jì)者的目標(biāo)就是盡量減小前輪所受的氣動(dòng)力。通過兩幅壓力云圖對(duì)比可知，鼻翼跟尾翼的上表面都是高壓區(qū)域，在鼻翼的導(dǎo)流作用下前輪前部的高壓區(qū)范圍明顯減少。所以，鼻翼跟尾翼都很好地發(fā)揮了作用。

圖4　賽車表面壓力分布云圖

3.2速度分布

圖5為賽車附近流場的速度矢量圖。從圖5可以看出，氣流從車頭駐點(diǎn)處沿車身上表面加速運(yùn)動(dòng)，到達(dá)駕駛艙時(shí)，由于斷面的影響，氣流脫離車身表面而形成渦流。此時(shí)渦流的阻塞作用使一部分氣流沿漩渦頂部到達(dá)駕駛員頭盔處，并沿著頭盔型線繼續(xù)加速流動(dòng)，到頭盔頂部時(shí)，流速達(dá)到最大，之后氣流與賽車分離，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙和賽車后部產(chǎn)生渦流。駕駛員后方是安裝尾翼的區(qū)域，為了保證尾翼能高效工作，一段高速且穩(wěn)定的氣流很重要。從速度云圖明顯看出，駕駛員后方氣流流速隨離地高度的增加而增大，但尾翼安裝位置太高會(huì)造成整車重心過高，過彎時(shí)容易發(fā)生側(cè)翻。綜合考慮，尾翼安裝位置水平高度應(yīng)與駕駛員頭頂位置持平。

圖5　賽車表面速度矢量分布

3.3流線分布

車身及尾渦的流動(dòng)可以通過如圖6所示的車身周圍流線圖來直觀地進(jìn)行觀察。賽車整體流線良好，在車輪后部由于氣流分離，使這部分區(qū)域成為負(fù)壓區(qū)，從而造成漩渦生成、旋轉(zhuǎn)，消耗大量能量，增大氣動(dòng)阻力。如上所述，整個(gè)車身上氣體流動(dòng)平滑，只在車輪和尾部產(chǎn)生較大的漩渦。氣流流經(jīng)尾翼下表面時(shí)幾乎沒有出現(xiàn)分離現(xiàn)象，只有在頂層襟翼尾部出現(xiàn)少量氣流分離。這就意味著尾翼翼型攻角設(shè)置剛好達(dá)到最大值，此時(shí)尾翼擁有最大的下壓力系數(shù)值，可以獲得最大的下壓力。倘若尾翼攻角繼續(xù)增大，尾翼將會(huì)出現(xiàn)失速現(xiàn)象，不僅獲得的下壓力減少，還會(huì)增加額外的氣動(dòng)阻力。

圖6　車身周圍流線圖

3.4氣動(dòng)阻力與氣動(dòng)升力

在空氣動(dòng)力學(xué)中，風(fēng)阻系數(shù)定義為：

式中：D為氣動(dòng)阻力；q為氣流動(dòng)壓；A為車身的正面投影面積。

車身的氣動(dòng)阻力主要由壓差阻力和粘性阻力兩部分組成。壓差阻力是主要部分，主要由車頭迎風(fēng)面和車尾面的靜壓差所引起，因此，降低車身的氣動(dòng)阻力系數(shù)主要從降低車頭和車尾面的壓差著手，主要措施有：減少車頭迎風(fēng)面的面積；減少車身表面的高壓區(qū)面積；減少導(dǎo)致氣流分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。添加空氣套件后，賽車氣動(dòng)升力特性由正變?yōu)樨?fù)，表現(xiàn)為賽車行駛中擁有負(fù)升力即下壓力的特性，大大提升了賽車的抓地性能。表1對(duì)比了加裝空氣套件前后賽車的氣動(dòng)系數(shù)及氣動(dòng)力變化情況，由表1可以看出，車身氣動(dòng)阻力系數(shù)值為0.67和1.12，可見開放式車輪賽車的空氣阻力系數(shù)還是比較大的，尤其在加裝一些氣動(dòng)套件之后會(huì)產(chǎn)生大于1的情況。通過氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力的數(shù)據(jù)可以看出，加裝空氣動(dòng)力套件相當(dāng)于在賽車原模型基礎(chǔ)上增加1.6 倍的氣動(dòng)阻力，但是同時(shí)帶來近4 倍于原氣動(dòng)升力的負(fù)氣動(dòng)升力，即空氣套件升阻比約為 2.6，因此，本次設(shè)計(jì)的空氣套件氣動(dòng)性能比較理想。

表1　有無空氣動(dòng)力學(xué)套件分析結(jié)果對(duì)比

4　結(jié)束語

本文介紹了運(yùn)用 CFD 軟件對(duì)FSAE賽車進(jìn)行外流場分析的基本流程，包括模型處理與簡化、添加模擬風(fēng)洞流體域、網(wǎng)格劃分策略、邊界條件設(shè)置以及求解設(shè)置等，并運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)原理及賽車外流場分布特性為其匹配了空氣動(dòng)力學(xué)套件。在后處理中得到了車身表面的壓力分布以及速度矢量分布，獲得了車身的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力系數(shù)，并對(duì)賽車整體空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，原車型氣動(dòng)阻力適中，氣動(dòng)升力系數(shù)在 0.32左右，意味著賽車行駛過程中會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)升力使賽車喪失一部分抓地力，不利于賽車過彎及高速行駛的穩(wěn)定性。加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件后的賽車與原始模型比，氣動(dòng)升力系數(shù)由 0.32提高到-2.45，下壓力增加顯著，且空氣動(dòng)力學(xué)套件升阻比約為2.6，氣動(dòng)性能優(yōu)越?？傮w而言，加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件后能夠極大提升賽車的抓地力，并可以通過手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)尾翼攻角的調(diào)整，從而使賽車在直道和彎道都具備最佳的氣動(dòng)性能。

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Design of an Aerodynamic Package for FSAE Racing Car and CFD Analysis

HANG Xiaoqiang，WANG Hongyu，HOU Wenbin

(School of Automotive Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

In the field of racing cars，air dynamics research has become the focus of competition between the events and teams. For Formula SAE，aerodynamic research is very important.This paper through aerodynamic simulation analysis of G03C racing car，finds out influence aerodynamic factors of the vehicle model，and designs an aerodynamics package for it according to the principle of aerodynamics，including the front wing，rear wing and diffuser. Compared the aerodynamic performance of the car before and after modification，the results show that the increase of pressure makes the car high-speed stability improve under suite aerodynamic package.

FSAE racing car; aerodynamic; flow field; drag coefficient

2014-12-16；修改日期: 2015-01-07

遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究(UPRP20140797)。

韓小強(qiáng)(1968-)，男，碩士，工程師，主要從事大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目指導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

U463.9

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.002