方程式賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)套件設(shè)計(jì)與流場(chǎng)分析

龍 權(quán) 梁 成 高小林

0 引言

近年來(lái)，隨著方程式賽事在世界范圍內(nèi)的快速發(fā)展，賽車(chē)底盤(pán)和動(dòng)力技術(shù)日益成熟，為取得賽車(chē)成績(jī)的進(jìn)一步突破，各車(chē)隊(duì)將目光轉(zhuǎn)向了空氣動(dòng)力學(xué)套件。在中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式汽車(chē)大賽(Formula Student Electric China，F(xiàn)SEC)中，空氣動(dòng)力學(xué)套件主要包括前翼、尾翼以及底盤(pán)尾流擴(kuò)散器，為了整車(chē)的操控平衡，需要對(duì)不同部分分配不同比重的壓力分配比，通常來(lái)說(shuō)前翼產(chǎn)生的下壓力約占全部下壓力的30%，后翼約占30%，擴(kuò)散器約占40%，因此，空氣動(dòng)力學(xué)套件與賽車(chē)的動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性以及彎道超車(chē)性能等有著密切關(guān)系?？諝鈩?dòng)力學(xué)套件能增加車(chē)輪上的垂直載荷，能有效提高車(chē)輪的轉(zhuǎn)彎剛度，空氣動(dòng)力學(xué)裝置產(chǎn)生的負(fù)升力可以提高輪胎的側(cè)偏剛度與側(cè)向加速度，改善車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性。

目前國(guó)內(nèi)具有參賽經(jīng)驗(yàn)的車(chē)隊(duì)一般都會(huì)使用空氣動(dòng)力學(xué)套件，大多數(shù)是先確定造型，再利用仿真軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析。文獻(xiàn)[1]通過(guò)調(diào)整風(fēng)壓中心的位置，影響車(chē)輛的實(shí)際軸重分布，進(jìn)而影響整車(chē)的轉(zhuǎn)向特性；文獻(xiàn)[2]對(duì)前翼襟翼弦長(zhǎng)與翼片進(jìn)行調(diào)整，以減小其對(duì)整車(chē)氣流的不利干擾，增加了前翼產(chǎn)生的下壓力，減小了前輪阻力；文獻(xiàn)[3]對(duì)尾翼分區(qū)域設(shè)計(jì)不同主翼攻角值有效提升了賽車(chē)尾翼產(chǎn)生負(fù)升力的能力。

綜合上述研究現(xiàn)狀，本文首先結(jié)合方程式賽車(chē)規(guī)則和空氣動(dòng)力學(xué)原理，利用Catia 建模軟件對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)套件前翼、尾翼以及尾部擴(kuò)散器進(jìn)行設(shè)計(jì)；在此基礎(chǔ)上對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)套件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在Ansys Fluent中進(jìn)行流場(chǎng)分析，并對(duì)尾翼的攻角和主翼與襟翼之間的距離進(jìn)行優(yōu)化。

1 空氣動(dòng)力學(xué)套件設(shè)計(jì)

在賽車(chē)領(lǐng)域中，空氣動(dòng)力學(xué)起著重要的作用，它對(duì)賽車(chē)性能的影響巨大。賽車(chē)裝配整套空氣動(dòng)力學(xué)套件如圖1所示，本文研究的賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)套件主要包含前翼、后翼和擴(kuò)散器，分析車(chē)身氣動(dòng)造型和空氣動(dòng)力學(xué)套件的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律，進(jìn)行前定風(fēng)翼、尾翼和擴(kuò)散器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

賽車(chē)行駛過(guò)程中，由前翼、尾翼和底部擴(kuò)散器產(chǎn)生下壓力，巨大的下壓力可以提高賽車(chē)的過(guò)彎極限，由繞翼環(huán)量的影響而產(chǎn)生的賽車(chē)翼片負(fù)升力如圖2所示。

圖2 繞翼環(huán)量描述圖

當(dāng)負(fù)升力翼處于速度為v的直勻流中時(shí)，外部存在一個(gè)強(qiáng)度為Γ的逆時(shí)針環(huán)量，假設(shè)環(huán)量在流動(dòng)疊加中引起的速度變化為△v，則在翼片的上表面，實(shí)際流速為v-△v，而下表面的流速為v+△v，因此，下表面的流速大于上表面，結(jié)合伯努利方程式（1）可知，翼片上表面的壓力大于下表面的壓力，從而產(chǎn)生下壓力。

式中，p為空氣流體中翼片表面某點(diǎn)的壓強(qiáng)，V為翼片表面空氣實(shí)際流速，ρ為空氣流體密度，g為重力加速度，h為翼片表面該點(diǎn)的高度，C為常量。

1.1 前翼設(shè)計(jì)

前翼，又稱(chēng)前定風(fēng)翼，是安裝在賽車(chē)前部的負(fù)升力裝置，是最先接觸氣流的部分，也是決定整車(chē)氣流流動(dòng)的重要部分，如圖3所示，其結(jié)構(gòu)包含主翼、襟翼和端板，前鼻翼的設(shè)計(jì)不僅要提供足夠的下壓力來(lái)平衡擴(kuò)散器和定風(fēng)翼產(chǎn)生的后下壓力，還要調(diào)整翼面，使氣流盡可能繞過(guò)前輪，降低行駛阻力。前翼的尺寸為560mm×1452mm×200mm，前翼的主要作用就是可以有效引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的氣流穿過(guò)整車(chē)車(chē)身以及汽車(chē)尾部區(qū)域，可以產(chǎn)生一定的負(fù)升力，增大賽車(chē)車(chē)輪的地面附著力，提高賽車(chē)高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向能力，并且使氣流盡量繞開(kāi)前輪，減小行駛阻力。

圖3 前翼模型圖

通過(guò)對(duì)單襟翼結(jié)構(gòu)和雙襟翼結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)雙襟翼組合比單襟翼結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生更高的下壓力，與單襟翼結(jié)構(gòu)相比，雙翼片結(jié)構(gòu)總體的翼片相對(duì)彎度更大，大大提高了翼片的失速角，并且產(chǎn)生更多的負(fù)升力[4]。

1.2 尾翼設(shè)計(jì)

尾翼，又稱(chēng)后定風(fēng)翼，是安裝在賽車(chē)后部的具有翼片作用特性的氣動(dòng)特征部件，是重要的負(fù)升力來(lái)源，后翼一般由翼片和端板兩種基本結(jié)構(gòu)組成，其作用效果為在賽車(chē)后部產(chǎn)生下壓力并提供一定的俯仰力矩，改善后輪的附著性能。

尾翼分為三個(gè)部分，主要從以下兩個(gè)方面展開(kāi)[5]：

式中，F(xiàn)1為作用于前軸壓力，F(xiàn)2為作用于后軸壓力，F(xiàn) 為作用于車(chē)輛總壓力，L1為風(fēng)壓中心與前軸距離，L2為風(fēng)壓中心與后軸距離，L 為賽車(chē)軸距，如圖4所示，其中x 為壓力中心相對(duì)重心偏移量，G 為車(chē)輛重力。

圖4 相關(guān)參數(shù)描述圖

另一方面，尾翼設(shè)計(jì)考慮采用雙層三翼板結(jié)構(gòu)，分為主翼、襟翼1和襟翼2，如圖5所示。三翼板的布置方式既能保證下壓力，又能防止氣體分離，從而保證尾翼升阻特性良好。離地距離越高，氣流受干擾影響越小，氣流流速也越快，因此襟翼2 氣流質(zhì)量比主翼好。由于主翼起導(dǎo)流作用，所以采用較小攻角使氣流與翼面不產(chǎn)生分離，進(jìn)而尾部的上揚(yáng)曲線能夠引導(dǎo)氣流流向，使其更貼合襟翼2的吸力面。襟翼2 采用較大攻角，能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；在襟翼1和襟翼2之間采用適當(dāng)?shù)拈g隙，以加速間隙處的氣流并產(chǎn)生下壓力[6]。

圖5 尾翼模型圖

尾部擴(kuò)散器設(shè)計(jì)

擴(kuò)散器顧名思義，就是要引起氣體的擴(kuò)散，這是一個(gè)整合于底板的氣動(dòng)部件，原理主要是利用截面積逐漸擴(kuò)大的流道實(shí)現(xiàn)車(chē)底氣流的加速。由于賽車(chē)底盤(pán)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(chē)身產(chǎn)生向上的升力，不利于賽車(chē)行駛，因此須在賽車(chē)尾部加裝擴(kuò)散器。根據(jù)伯努利方程式（1），可知流速高的地方壓強(qiáng)低，由于氣流的高速運(yùn)動(dòng)在車(chē)底形成低壓區(qū)，便使車(chē)體獲得了巨大的負(fù)升力，有利于賽車(chē)在高速行駛下的穩(wěn)定性。

仿真優(yōu)化

文獻(xiàn)[7]表明，加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件后，車(chē)身表面上的氣流在賽車(chē)尾翼末端發(fā)生分離，降低了能量的損失。在判斷賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)特性是否可行之前，有必要在賽車(chē)模型上裝配空氣動(dòng)力學(xué)套件，進(jìn)一步對(duì)整車(chē)的流場(chǎng)和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

首先使用Catia 建立用于有限元分析的簡(jiǎn)易模型，然后運(yùn)用Ansys Fluent 模塊對(duì)進(jìn)行賽車(chē)外流場(chǎng)分析。在Catia 中，對(duì)三維模型進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化處理，省略車(chē)輛懸架桿件，簡(jiǎn)化駕駛艙內(nèi)部和車(chē)輪的細(xì)節(jié)，以便于網(wǎng)格劃分和流場(chǎng)計(jì)算，轉(zhuǎn)換成IGS文件，將其導(dǎo)入到Ansys Fluent模塊中；在進(jìn)行網(wǎng)格劃分前，需要確定整車(chē)外流場(chǎng)計(jì)算域，根據(jù)簡(jiǎn)化的車(chē)身整體外形尺寸按比例進(jìn)行劃分，入口長(zhǎng)度約為整車(chē)長(zhǎng)度的3倍，出口長(zhǎng)度約為整車(chē)長(zhǎng)度的7倍。在計(jì)算域的確定上，在最大限度地保證賽車(chē)模型周?chē)鲌?chǎng)特性的前提下，應(yīng)縮小計(jì)算域的范圍，以達(dá)到減小計(jì)算量，提高計(jì)算速度。

建立計(jì)算域網(wǎng)格

計(jì)算域網(wǎng)格主要分為空氣流域網(wǎng)格、空氣流域加密網(wǎng)格、車(chē)身曲面網(wǎng)格和前翼、尾翼曲面網(wǎng)格及特征網(wǎng)格，在Fluid Flow(Fluent)-Meshing 中對(duì)相關(guān)網(wǎng)格進(jìn)行設(shè)置。

為將有限的計(jì)算資源用于提升模型的分析精度，因此采用半模型，在整車(chē)模型縱向上建立對(duì)稱(chēng)面?？諝饬饔蚓W(wǎng)格根據(jù)整車(chē)模型的大小設(shè)置為空氣流域網(wǎng)格前端距離整車(chē)模型最前端9000mm，后端距離整車(chē)模型最后端18000mm，上端距離整車(chē)模型最上端6000mm，左端距離整車(chē)模型最左端6000mm，下端距離整車(chē)模型最下端0mm，單個(gè)網(wǎng)格尺寸512mm?？諝饬饔蚣用芫W(wǎng)格前端距離整車(chē)模型最前端6000mm，后端距離整車(chē)模型最后端12000mm，上端距離整車(chē)模型最上端3000mm，左端距離整車(chē)模型最左端3000mm，下端距離整車(chē)模型下端0mm，單個(gè)網(wǎng)格尺寸為26mm。車(chē)身曲面網(wǎng)格為16mm，前翼和尾翼的曲面網(wǎng)格尺寸為8mm，其中前翼、尾翼的前緣和尾緣為特征網(wǎng)格，其網(wǎng)格尺寸為2mm。車(chē)身和前翼、尾翼的邊界層均設(shè)置為3層，如圖6所示，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為968 486，單元總數(shù)為4 864 428，雅克比為3.76，網(wǎng)格總體連續(xù)、均勻、美觀，過(guò)渡平緩。

圖6 計(jì)算域網(wǎng)格的劃分

2.2 仿真結(jié)果分析

如圖7所示，迭代步數(shù)設(shè)置為3000步時(shí)，阻力系數(shù)Cd未達(dá)到收斂，阻力系數(shù)Cd在0.21 上下波動(dòng)。通過(guò)CFD-Post 對(duì)模型進(jìn)行直觀的分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)尾翼末端氣流出現(xiàn)失速情況，襟翼1前緣和襟翼2前緣處均出現(xiàn)漩渦氣流，初步分析為尾翼整體攻角過(guò)大和三片翼型之間的坐標(biāo)距離過(guò)小導(dǎo)致。

圖7 優(yōu)化前的阻力系數(shù)

3 優(yōu)化過(guò)程

根據(jù)第一次計(jì)算分析得出的結(jié)果，對(duì)尾翼的攻角和主翼與襟翼之間的距離進(jìn)行優(yōu)化。如圖8所示，尾翼的翼弦線與來(lái)流方向的夾角，稱(chēng)為攻角或迎角；襟翼之間的距離即為相鄰兩翼片其一尾緣上平面到另一前緣下平面的垂直距離。攻角優(yōu)化：主翼攻角由之前的6°降低為2°，襟翼1 由之前的30°降低為22°，襟翼2 由之前的80°降低為64°。翼間垂直距離優(yōu)化：主翼尾緣上平面到襟翼1前緣下平面的垂直距離增加到20mm，襟翼1 尾緣上平面的到襟翼2 前緣下平面的距離增加到14mm。

圖8 尾翼攻角

對(duì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的尾翼模型進(jìn)行再次計(jì)算分析，結(jié)果顯示在迭代步數(shù)為700步時(shí)開(kāi)始趨于收斂，最終的阻力系數(shù)Cd為0.17，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后的阻力系數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

以2020年江西科技學(xué)院藍(lán)凌方程式賽車(chē)作為研究對(duì)象，完成了對(duì)其空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。本文利用Catia軟件進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)套件三維建模，運(yùn)用仿真軟件Ansys 對(duì)FSEC 賽車(chē)進(jìn)行外流場(chǎng)分析，包括模型處理與簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分策略、邊界條件設(shè)置等，并基于空氣動(dòng)力學(xué)原理及賽車(chē)外流場(chǎng)分布特性進(jìn)行優(yōu)化工作，最終得出一套適用于2020年版賽車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)套件。加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件后能夠大大提升賽車(chē)的抓地力，為更進(jìn)一步的賽車(chē)動(dòng)力性能和操縱穩(wěn)定性能研究研究提供理論參考。