空气动力学套件的设计要点

空气动力学套件的设计要点
在近几年的FASE的比赛中，空气动力学套件在国内车队中得到越来越多的应用，从我个人的观察来看，14年中国赛使用空气动力学套件的车队至少达到70%以上。

那么，空气动力学套件的设计要考虑那几点呢？我就以我两年在HRT车队做空套的经验，简单地和大家交流一下。

空气动力学套件的设计重点应放在三个方面：升阻比、导流、风压中心。

首先从升阻比来讲吧，我把这一部分分为三个方面来讲，如何选择翼型，如何进行翼型的组合，以及整车下压力及阻力的取舍。

第一点，如何选择翼型。

这对一个刚开始做空套的车队来说花较多的时间选择一个好的翼型是非常有必要的。

那么如何才能算是一个好的翼型呢？第一，好的翼型需要一个较大的升阻比;第二,要保证翼型在大攻角下不失速;第三，翼型要有足够的厚度，以保证可加工性及刚度。

我们车队目前所用的翼型是13年选的，我们使用的翼型是NACA四位数字翼型，我们从3系列到9系列中选出大概10几种翼型，分析他们在不同攻角下的下压力、阻力及升阻比。

但如果只关注这些数据就大错特错了，最重要的是找到从3系列到9系列的这几个数据的变化趋势。

通过变化趋势，分析变化趋势的原因，并进而指导下一组更小范围的对比实验。

总之选翼型是个重复再重复的过程，但选出了一个好的翼型之后，会对以后的设计来了极大的方便，也可以一直沿用下去。

第二点，如何进行翼型的组合。

众所周知，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，主翼和襟翼的不同相对位置自然也会有不同的升阻比，所以，主翼与襟翼的相对位置的确定又成为了一个繁琐但不得不进行的工作。

翼型组合的确定的最大问题是要找到变量是什么。

如图所示，我们车队使用的是三片式组合翼型，如果从翼型的侧面看的话，三片翼都有极大的活动空间。

因此，三片翼是位置应该怎么调，调的梯度是什么，这一系列的问题都需要考虑。

影响翼型的升阻比的一个重要因素就是总攻角，但同一总攻角下，不同翼型的组合又会带来不同的升阻比，而调节翼型相对位置的时候又很难保证总攻角不变。

类似这样棘手的问题，我就不多说了。

我选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，找清规律后，再做小梯度实验。

15赛季我们主要研究了襟翼前缘与主翼后缘形成的流管长度和宽度对总体升阻比的影响。

第三点，整车下压力与阻力的取舍。

首先问一个问题，整车的升阻比越大越好吗？答案是肯定的。

如图所示，这是保持其他变量不变，以升力系数和阻力系数为变量的圈速仿真，越靠右下角圈速越快，以颜色区分不同的圈速区间。

但是，如果升阻比范围已经基本确定，权衡条件就需要适当改变了。

举个例子吧，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，其在图中对应的是红圈位置；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，其在图中对应的是黄圈位置。

很明显，后者比前者的圈速快一个区间。

这就可以说明并不一定是选择升阻比最大的那一点最合适，或者可以这样说不能单单追求升阻比。

实际的选择需要和动力，轮胎，底盘进行合理的匹配，直接由圈速上体现出来。

其实，上面的例子很容易解释，下压力越大，轮胎的极限附着力会越大，如果动力系统匹配合适，那么地面能给轮胎提供的驱动力也越大，虽然阻力一般也是随着升力的增大而增大的，但是最终如果额外的这些驱动力可以弥补阻力并有余力的话，圈速自然会变快。

所以一般来讲，升阻比即使较最高值较小，但有足
够的下压力的保证，圈速也会有相应的提升。

但是，如果发动机带不动，反而得不偿失。

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。

下面说一下导流，就目前的大学生方程式赛车来讲，其平均速度基本上在
15m/s左右，速度比较低，在这种速度下，更容易实现导流措施。

因为气流在高速下其惯性会变得特别大，很难利用气流贴壁效应来改变其流向，所谓贴壁效应，就是指由于气流的粘性，近壁面的气流会贴着墙壁流动并随着墙壁走势的改变而改变其流向。

我们车队目前做的导流措施大部分是针对轮胎的减阻。

这是轮胎前有无挡板的压力云图的对比，左侧的轮胎前方放置了挡板（为了明显地看出压力分布，云图中没有显示挡板），右侧的轮胎直接受到气流的冲击。

从云图上看，左侧轮的高压区明显减小；从数据上看则更为明显，左侧轮的阻力为1.52N，右侧轮的阻力为9.36N。

所以，减少直扑轮胎的气流是减阻的重要方面之一，也是导流的重要实施点。

怎么样才能减少直扑轮胎的气流呢？答案也很简单，改变轮胎前方的气流走向即可。

改变气流走向的方式大概可以分为三种，下面我将逐一介绍。

第一种，是最简单有效的一种，就是直接在轮胎前加挡板。

挡板的形式是多种多样的，可以是非常直接的横向板；也可以是有一定斜度的纵向板，使气流偏离原来的流向而流向轮胎外侧。

对于有鼻翼的赛车来说，鼻翼是个极佳的横向挡板，从车的正前方看，前轮被鼻翼挡住的部分是不会受到气流的正面冲击的。

这是对于前轮，如果要考虑到后轮的减阻，恐怕要在侧箱上做文章了，用侧箱把气流挡掉一部分。

第二种，是利用气流的贴壁效应改变气流方向，虽不如上种方法有效，但却是比较好布置的一种。

大家应该都不会愿意为了减少轮胎阻力在轮胎前装一个大挡板吧。

改变气流方向还可以分为两种，一个是把气流往轮胎外侧导，如左图（俯视图看，轮胎为右轮）；另一个是把气流往轮胎内侧导，如右图（俯视图看，轮
胎为左轮）。

从这两个图中大家也可以看出，这种导流方案主要应用于后轮，而且如果导流板能和侧箱整合起来的话，这个方案就会极易实现。

第三种，是通过引入外部气流，强制改变内部气流流向。

这种方案的原理也非常简单，大家可以这样想，一股气流先沿着其原有的路线流动，如果这时突然受到外部较高速气流的冲击，这股气流的流向自然会随着高速气流而改变流向。

当然这种方案的在实施刚才中会存在很多问题，比如如何引流？在何处引流？引流的效果有多大？这些都是不得不考虑的问题，但如果测试效果非常好，自然不失为一种理想的导流方案。

最后一个方面，是最重要的一点，可以说最后一点做不好的话，之前所有的工作都是白费的。

最后要说的就是风压中心对整车稳定性的影响。

风压中心的概念，按照我的理解，和质心的定义差不多，就是说一个物体受到的所有的气动力都可以简化为一个力，其作用效果和所有气动力的同时作用效果相同，而这个力的作用点便是这个物体风压中心。

在整车的跑动过程中，风压中心的位置对于整车的稳定性是极其重要的。

风压中心的位置会影响什么呢？最直观的影响是前后轴的动态下压力分配，进而会影响到车动态过程中前后轴的载荷分配。

比如前后轴侧向力配比为1:1，均为1000N时转向特性偏中性的话，加上下压力带来的额外500N，若前轴分配到200N，后轴分配到300N，则会趋向转向不足。

我们其实可以利用空气动力学来适当的调整转向特性，但如果车动态时前后轴载荷变化过于明显且不一致性会随着车速的增加而增大，那么就会很严重的干扰底盘对转向特性的调校与平衡。

所以，我们的空套的设计时的想法是尽量保证前后轴的下压力分配与车的轴荷分配相符，即风压中心与整车质心的尽量贴合。

下面说一下从前后轴的极限的角度来说明风压中心的位置对整车稳定性的
影响。

若风压中心在整车质心之前，假设不加空套前前后轮的过弯极限加速度均为1.8G，加上空套后前轮的极限增长到2.2G，而后轮的极限只增长到2.0G，假设过弯的向心加速度为2.1G，先突破后轮极限，显现为转向过度；如果风压中心在整车质心之后，同理，出现转向不足。

而对于我们这样的FSAE赛车来讲，赛道数据有限，为了规避不可预计的影响，所以希望动态的风压中心与整车质心相合，才能同时提高前后轴的极限，减少前后极限不一致而带来的短板效应的影响，保证圈速的优势。

不仅风压中心相对于质心的前后位置对整车的稳定性有影响，而且风压中心相对于质心的左右位置也会影响整车稳定性。

说到这里，就不得不提出侧风敏感性的概念，侧风敏感性，根据我的理解，就是说车在跑动的过程中由于受到侧面风或车身姿态偏转引起的气流相对于车的横向移动而带来的风压中心的变化对整车稳定性的影响程度。

下面还是分析一下转弯工况下气流横向移动对整车转弯稳定性的影响。

假设赛车左转，整车载荷向右移，由于这种四轮载荷的不均匀性，就会产生使整车向左摆的横摆力矩，使车身姿态改变，进而整车达到合适的出弯角度。

如果考虑的左转时风压中心的右移，将会增加这个横摆力矩，使车身姿态改变的更快，相应的可以出弯的给油点提前，对提高圈速是有利的。

但如果控制
不好这个偏移，会使车身姿态的改变不易控制甚至失控直接调头。

所以，减小整车侧风敏感性，防止风压中心过度偏移，是非常有必要的。

最后，说一下如何判断风压中心是否整车质心重合。

其实在一些仿真软件中可以直接算出风压中心位置，比如Fluent。

我们最常用的一种方式是看纵倾力矩，对于FSAE赛车来讲，从正前方看风压中心和整车质心一般会在整车中央，所以保证风压中心在前后方向上与质心重合就行了，其表现就是纵倾力矩为零。

在整车流场分析的过程中，需要通过改变鼻翼尾翼的位置及长度来最终使纵倾力矩为零。

以上便是我认为的设计空气动力学套件所要考虑的三个方面，由于能力有限，文章难免有所疏漏，请大家谅解。

如果大家有什么问题的话，欢迎与我交流。