FSAE赛车车身与空气动力学套件设计及其仿真
基于FSAE车身空气动力学分析
图（6）
有、无扰流板气动力对比：
阻力
升力
车身和轮胎（无扰流板）
前扰流板
后扰流板
车身和轮胎
（有扰流板）
47.6582N
4.3198N
5.4186N
52.7605N
33.4756N
-28.1606N
-52.4263N
37.8581N
可以得到车身和轮胎造成了赛车的绝大部分阻力和正升力，在增加了扰流板后由于气流的改变，车身和轮胎的阻力和正升力均有所增加；后扰流板提供了赛车的65%的负升力，为了降低车身和轮胎造成的阻力和升力只能对车身进行流线型的优化，也可以通过增加前扰流板的攻角来减小轮胎的阻力和升力，为了增加赛车的下压力可以通过优化后扰流板的攻角来实现。当赛车尾翼中主翼攻角增加到10°，副翼攻角增加到18°后
（2）
——流速的矢量；
——压力的矢量。
式（1）为Newron-Strokes方程，式（2）为连续方程， 为加速度， 为拉普拉斯算子，则 （3）
（4）
式中 —— 的 的方向的分量。
赛车的气动阻力表达式为： (5)
气动阻力系数的表达式为：
赛车的气动升力的表达式为：
气动阻力系数的表达式为:
风洞模型的建立：
根据文献SST湍流模型在汽车绕流仿真中的应用采用SST 模型。SST 模型是通过标准 模型和变形 联立变形而来。
κ-ω模型能够预测自由剪切流动传播速率，如尾流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射，广泛应用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。SST 模型和 模型相似，但SST 模型比标准 模型在广泛的流动领域中有更高的精度和可信度。
结果分析：
1、无扰流板时气动力分析
下图（3）为车身表面的静压图，最大压强为133pa，最大压强主要集中在车身前部尖端、前轮前端和车手胸部。来流在这些部位速度将为零，全部动压变为静压，压强达到最大值。图（4）为车身对称面的速度矢量图，最大的速度为23.8m/s，最大速度出现在车手头部的后方。根据计算结果车身的和轮胎的阻力为47.6582N，可以计算得出车身的阻力系数为0.51375；在不考虑轮胎只考虑车身的情况下其阻力为23.4416N,可以计算的赛车的车身的阻力系数为0.385，考湖南大学的车身分析结果及文献F1赛车气动特性的CFD仿真和试验研究，车身的阻力系数0.35左右，而在包含轮胎的情况下，赛车的阻力系数将达到0.5以上，可以确定此时的计算结果接近实际情况，可信度较高。由图（4）可知车身后部出现了大尺寸的涡流，产生了很大的负压，这是车身阻力产生的主要原因，为了减少车身的阻力可以考虑用覆盖件将车身后部的发动机覆盖，但是由于发动机舱的布置比较复杂，且需要经常拆卸，覆盖以后不利于拆卸，同时也不利于发动机的散热，综合考虑决定不采用覆盖件将发动机舱覆盖。
FSAE赛车车身外流场优化设计与数值模拟
文 章 编 号 ：１００６—９３４８（２０１８）０１—０１２６—０６
计 算 机 仿 真
２０１８年１月
ＦＳＡＥ赛 车 车 身 外 流 场 优 化 设 计 与 数 值 模 拟
南 琼 ，应 保 胜 ，伍 俊 杰 。谢 磊
（武汉科 技大学 汽车与交通工程学 院，湖北 武汉 ４３００８１）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ ：Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｓｈａｐｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｕｔｆ ｌｏｗ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｆｏｒ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｔｙｐｅ ｏｆ Ｆｏｒｍ ｕｌａ ＳＡＥ ，ａｎｄ ｂｏｄｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｒａｃｉｎｇ ｃａｒ ｗａｓ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ３ Ｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｓｏｆ ｔｗａｒｅ ＣＡＴＩＡ． Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｂｏｄｙ ｓｈａｐｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｓｕｍ ｍａｒｉｚｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｂｏｄｙ，ｆｒａｍｅ， ｗｈｅｅｌｓ， ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ， ｃａｂｉｎ， ９５％ ｐｅｒｃｅｎｔｉｌｅ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｍｏｄｅｌ，ｅｎｇｉｎｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｍｏｄｅｌｅｄ ａｎｄ ａｓｓｅｍｂｌｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｉ— ｆｌｅｄ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｆｏｕｒ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｂｏｄｙ ｐａｒｔｉａｌ ｍｏｄｉｆ ｉｃａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｗｅｒｅ ｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅ ｆ ｌｕｉｄ ａ— ｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｆｌｕｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎ ＡＮＳＹＳ Ｗ ｏｒｋｂｅｎｃｈ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｏｒ ｉｇｉｎａｌ ａｎｄ ｍｏｄｉｆ ｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｗｈｏｌｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｗａｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｒ ｉｇｉｎａｌ ａｎｄ ｍｏｄｉｆ ｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ．Ｆｉ— ｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｕｔｆｌｏｗ ｏｆ ｒａｃｉｎｇ ｃａｒ ｂｏｄｙ ａｎｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｌｉｆｔ ｏｆ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｅａｒ ｉｓ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｌａｒｇｅｒ ａｎｄ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｅｘｉｓｔｓ ｉｎ ｌｏｃａｌ ｏｕｔｆｌｏｗ ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍ ｏｄｉｆｉｅｄ ｆｏｕｒ ｓｃｈｅｍｅｓ ｃａｎ ｉｍ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒ ｆｏｒ ｍ ａｎｃｅ ｏｆ ｄｒａｇ ａｎｄ ｌｉｆ ｔ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｇｒｅｅ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｉｎ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｅｃｕｒ ｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｃｉｎｇ ｅａｒ． ＫＥＹＷ ＯＲＤＳ：Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； Ｏｕｔｆ ｌｏｗ ｆ ｉｅｌｄ；Ｃａｒ ｂｏｄｙ ｄｅｓｉｇ ｎ ；Ｓｃｈｅｍｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；Ａｅｒｏｄｙ— ｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ
FSAE赛车空套的分析与优化
下面将建立完成的三维模型以 STEP 格式导入 ICEM 中进行网格划分。在算法上，本研究采用 Octree 八叉树 画法，八叉树结构决定了它的功能，它可以快速定位树结 构中的每一个元素，快速进行三维集合运算，对各个特征 进行修补、坍缩、节点合并和压缩等操作，亦可快速搜索 附近节点。在实际划分网格的过程中，它可以自动细分， 以捕捉几何细节特征，细节的网格尺寸小于表面设定的 网格，因此它可以很好地适应赛车的各种外形特征。在 网 格 上 ，本 研 究 选 用 最 常 见 的 四 面 体/混 合 网 格（Tetra/ Mixed）,通常为纯四面体，与八叉树网格划分方法有较好 的兼容性。
Analysis and Optimization of Aerodynamic Package for Fsae Racing Car
WANG Yanjie JIANG Xinzhou LIANG Fuheng WAN Yiyu LIN Cheng
（School of Automobile and Traffic Engineering, Guangzhou College of South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510000）
在轮胎处做平面接地处理，模拟真实工况中轮胎由 于受压发生的变形，同时减少由于线接触地面而产生的 低质量网格。对于车手及头枕的模拟，要建立驾驶舱内 部的简化结构，有效模拟内部阻力；翼片尾缘处同样采取 钝化处理，有效地提高网格质量，同时减少网格数量。
1.3 风洞计算域的建立 依据赛车的实际尺寸，在风洞的建立过程中，为防止 气流碰撞壁面发生回流而影响精确性，应将流场尺寸适 当设定得大一些。根据经验值，流场的大小为车前 3～4 个车身长度，车后 7～10 个车身长度，高为 3～4 车身长 度［2］，据此建立一个长方体流场。
FSAE车身空气动力学
Customer Training Material
• Materials > Fluid > Air > ‘Create/Edit’
– For Density, select ‘Ideal Gas’ – For Viscosity, select ‘Sutherland’
– If not, use the drop down list to change!
Customer Training Material
• Edit > Momentum Tab
– leave the defaห้องสมุดไป่ตู้lt settings which correspond to a stationary wall (relative to the fluid zone) with a no-slip condition.
WS2: Transonic flow over NACA0012 Airfoil
Case Setup: Choose the solver and models
• Select the turbulence model to be used:
• Models > Viscous > Edit
• Choose k-omega (2-eqn) • Select SST, then OK
什么是赛车的空气动力学
Easy Start
• 导流板起步
翼型基础
So，如果翼型上下形状对称，还能飞么
仿真实战第一课！
• Are you ready？
FLUENT
WS2: Transonic flow over NACA0012 Airfoil
fsae空气动力学分析
PART II GFR赛车实例分析/ E: i% a# M/ _* U& G3 ^& I+ A' ]8 t9 E" H& p 下载(86.27 KB)2011-8-11 23:49! H( i) L* w9 VGFR的前、后定风翼设计中规中矩，并且没有针对翼缘的诱导阻力进行优化，但是通过其定风翼面积以及外侧定位螺钉的角度来看，其双层定风翼已经接近其最大负升力位置——对于一只卫冕车队，如果没有做好相当程度的理论工作，是不能贸然采用这种设定的，而这正说明GFR在定风翼设计上已经做了足够的功课。
G+ B, V- d2 |+ h: k- U, F$ a1 \/ s# M- ?; D! Z6 n, d, E* r而当我们把目光转向底部扩散器时，我只能说两个字：亮了，至少以我的FSAE阅历是没有见过如此长的扩散器。
9 s! `! z4 G" c) n$ c! b/ T 下载(85.34 KB)2011-8-11 23:500 U; V# g3 c) [$ u% c r# N) K5 @: ?% t3 O4 f: z/ B+ ^/ x( q) B. i; a2 k这看上去或许有些笨拙，但事实上，由于此时扩散器底部负压区面积增大，而且后部不受悬架制约，上扬的角度可以进一步增大，根据现有研究成果（如图所示），更大的扩散角能够实现更大的负升力。
! L+ D4 W; j9 E0 r" V下载(16.27 KB)2011-8-11 23:509 y* |4 ], R( k" x4 s1 B0 X& }% [- R6 F! T' I% Z( I j7 ?/ p( L; L! G3 i9 z4 `! C% k+ P } `* y J) N% [, \* g; l. l# _% l1 `不仅如此，我们可以看到其扩散器底板紧贴着后轮前下方。
FSAE大学生方程式赛车（电动版）设计说明书
FSAE⼤学⽣⽅程式赛车（电动版）设计说明书以⼤学⽣⽅程式赛事为背景，参考⼴西⼯学院⿅⼭学院⼤学⽣⽅程式赛车作为基础，应⽤汽车理论和汽车设计等相关知识结合⽐赛规则，对赛车的基本尺⼨、质量参数和赛车的性能参数进⾏选择，对赛车各总成进⾏选型和总布置，进⾏赛车蓄能系统、再⽣制动系统以及⾏驶系统、传动系统进⾏设计。
根据同组同学确定的驱动系统，结合⽐赛需求计算出电池、电容容量和要求，选择电池、电容型号和组合形式，确定出外形尺⼨和质量和安装位置。
再为蓄能装置匹配出合适的充电系统。
设计节能环保的再⽣制动系统,然后按照⿅⼭⼆号对纯电动⽅程式赛车的⾏驶系统、传动系统进⾏改动,最后再结合同组同学的参数，确定整车的设计参数。
随着全球能源、环境问题的⽇益严峻，节能环保的纯电动车辆将会成为下⼀个时代的主流。
关键词：⼤学⽣⽅程式赛车；总布置；磷酸铁锂电池；超级电容Students Formula One racing events as the background, refer to the Guangxi Institute of Technology the Kayama College Students Formula One racing as a basis for the automotive design and automotive theory and other related information as well as the FSAE competition rules，application of automotive theory and knowledge of automotive design , combined with the rules of the game , the basic dimensions of the car , quality parameters and performance parameters of the car selection , selection and general arrangement of the assembly of the car , the car energy storage system , regenerative braking system and driving system, transmission system design.According to the same group of students to determine the drive system , combined with the game needs to calculate the battery, capacitor , capacity and requirements , select the battery, capacitor model and the combination to determine the shape size and quality , and installation location . Match the charging system for the energy storage device . The regenerative braking system of the design of energy saving and environmental protection , and then follow the Lushan II Formula One racing for pure electric driving system , the transmission system to make changes , and finally combined with the parameters of the same group of students to determine the design parameters of the vehicle .Keywords:college students and Formula One racing ; general arrangement ; lithium iron phosphate batteries ; super capacitor ⽬录1 绪论 (4)1.1 ⼤学⽣⽅程式赛事介绍 (4)1.2 ⼤学⽣⽅程式的历史 (4)1.3 赛事意义 (5)1.4 国内外发展现状 (5)2 纯电动⽅程式赛车总布置设计 (6)2.1 赛车主要参数的选取 (6)2.1.1 纯电动⽅程式赛车机械部分参数的选取 (6)2.1.2 赛车性能参数的选取 (7)2.1.3 悬架主要参数（学院车队提供） (8)2.2 赛车驱动电机的选取 (8)2.2.1 电机类型的选择 (8)2.2.2 电机功率的选择 (9)2.3 赛车各总成选型原则和总布置 (10)2.3.1 悬架、轮胎的选择 (10)2.3.2 制动系统 (10)2.3.3 车架 (11)2.4 ⼈机⼯程 (11)2.4.1 ⼈体尺⼨ (11)2.5 赛车的轴荷分配 (12)2.5.1 学院⿅⼭2号的轴荷分配 (12)2.5.2 纯电动⽅程式赛车相对后轴增加的质量分布的计算 (13)2.5.3 纯电动⽅程式赛车轴荷的分配 (13)3 储能装置的选择 (14)3.1 蓄能装置的容量计算 (14)3.1.1 赛车的续驶⾥程 (14)3.1.2 蓄能器容量的计算 (14)3.2 蓄能装置类型的选择 (14)3.2.1 ⾼⽐能量蓄能装置 (14)3.2.2 ⾼⽐功率储能设备的选择 (17)3.2.3 ⾼⽐功率装置的计算 (17)3.2.4 超级电容的计算 (22)4 充电器的设计 (24)4．1 锂离⼦电池充电⽅法 (24)4.1.1 常⽤的充电⽅法[10] (24)4.1.2 赛车充电放式的选取 (25)4．2 赛车的充电要求 (25)4.2.1 赛车的充电要求 (25)4.2.2 充电器⽅框图 (26)4.2.3 充电器的分析 (27)5 再⽣制动 (29)5.1 赛车制动⼒矩的计算 (29)5.1.1 赛车制动⼒的要求 (29)5.1.2 赛车制动⼒的计算 (29)5.2 制动距离和制动减速度 (30)5.2.1 制动减速度计算 (30)5.2.2 制动距离计算 (31)5.3 制动效能的恒定性 (31)5.4 制动的稳定性 (31)5.5 前、后制动器制动⼒的⽐例关系 (31)5.5.1 求出I曲线 (31)5.5.2 具有固定⽐值的前、后制动器制动⼒分析 (32)5.6 赛车要求的最⼤制动⼒ (33)5.6.1 赛车最⾼车速下所具有的能量 (33)5.6.2 塞车的制动⼒要求 (34)5.6.3 赛车制动器制动⼒的选取 (34)5.6.4 赛车再⽣制动路线分析 (36)6 机械传动系统与⾏驶系 (37)6.1 机械传动系统 (38)6.2 ⾏驶系 (38)6.2.1 车架 (38)6.2.2 车桥和车轮 (38)6.2.3 悬架 (39)致谢 (42)参考⽂献 (43)1 绪论1.1 ⼤学⽣⽅程式赛事介绍全球可利⽤能源逐渐减少、环境恶化的形式越来越严峻，⼈类需要⼀个更安全、低碳的能源体系及环境。
基于 FSAE 赛车的空气动力学套件设计及 CFD 分析
基于 FSAE 赛车的空气动力学套件设计及 CFD 分析韩小强;王洪宇;侯文彬【摘要】在赛车领域，空气动力学研究已经成为各项赛事以及车队之间竞争的焦点。
文中通过对 G03C 赛车进行整车空气动力学分析，找出整车造型对空气动力学的影响因素，并根据空气动力学原理设计了一套相匹配的空气动力学套件，包括鼻翼、尾翼及扩散器。
对比改装前后赛车的空气力学性能，结果表明，安装空气动力学套件后，产生一定的下压力使得赛车的高速稳定性能得到提升。
%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 pared 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 pack-age.【期刊名称】《实验科学与技术》【年(卷),期】2016(014)001【总页数】5页(P3-7)【关键词】FSAE 赛车;空气动力;外流场;阻力系数【作者】韩小强;王洪宇;侯文彬【作者单位】大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连 116024【正文语种】中文【中图分类】U463.9FSAE方程式赛车(formula SAE)在国际上被视为学生界的 F1方程式赛车。
FSAE赛车空气动力学套件优化设计
文章编号： 1009 − 444X （2021）01 − 0053 − 08FSAE 赛车空气动力学套件优化设计李嘉寅 ，刘宁宁 ，沈钰豪 ，谭博文 ，陈 焕 ，薛雨晴 ，黄碧雄（上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620）摘要：空气动力学作为赛车的关键领域，很大程度影响着赛车各方面性能. 在满足中国大学生方程式汽车大赛（Formular Student China ，FSC ）规则（2019赛季）的前提下，提出一种赛车空气动力学套件的改进优化方案. 使用数值累进法和控制变量法的优化方法，并通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD ）进行仿真，设计完成一套性能优异的空气动力学套件.与2018赛季车辆相比，该设计使赛车的负升力和的升阻比分别提高81%和91%，极大提升了整车的动力学性能.关键词：大学生方程式汽车大赛；空气动力学；计算流体动力学中图分类号： TH 122 文献标志码： ADesign and Optimization of AerodynamicsParts on a FSAE VehicleLI Jiayin ，LIU Ningning ，SHEN Yuhao ，TAN Bowen ，CHEN Huan ，XUE Yuqing ，HUANG Bixiong（ School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China ）Abstract ：Aerodynamics, as a significant field of racing car, largely affects all aspects of racing performance.The aerodynamics properties of the new season was redesigned on the premise of meeting the rules of Formula Student China (FSC) in season 2019. By using numerical progressive methods and control variate method to optimize, and carrying computational fluid dynamics (CFD) to simulate, a set of aerodynamics parts with outstanding performance was designed and completed. The results show that compared to the season 2018, the new design not only increases the downforce and lift-to-drag ratio of the racing car respectively by 81% and 91%, but also greatly improves its kinetic performance.Key words ：formula society of automotive engineers (FSAE)；aerodynamics ；computational fluid dynamics (CFD)大学生方程式赛车大赛（Formula Society of Automotive Engineers ，FSAE) 由国际汽车工程师学会(Society of Automotive Engineers (SAE)International)于1978年开办，在当今世界内被视作大学生的“F1方程式赛车”，该赛事不只是单纯的竞速比赛，更是一项考察车辆性能设计的比赛.参赛者需要根据比赛规则在规定时间内设计制作一辆性能优异的方程式赛车.收稿日期： 2019 − 04 − 18基金项目： 上海市大学生创新创业活动计划资助项目（E3-0800-18-01205）作者简介： 李嘉寅（1998 − ），男，在读本科生，研究方向为车辆工程. E-mail ：****************通信作者： 刘宁宁（1987 − ），男，实验师，硕士，研究方向为车辆NVH 测控技术. E-mail ：****************第 35 卷 第 1 期上 海 工 程 技 术 大 学 学 报Vol. 35 No. 12021 年 3 月JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY OF ENGINEERING SCIENCEMar. 2021赛车同其他车辆一样，是一种高度复杂的空气动力学装置. 由于其较小的离地间隙，导致周围的气流更加复杂，使得赛车在行驶中产生更多的阻力和紊流. 在悬架、轮胎、动力方面已经改进的情况下，良好的空气动力学套件（以下简称空套）则可以极大提高赛车性能. 其主要目标是在引进较小阻力的前提下提供较高的下压力来增加汽车的抓地力，产生牵引力. 空气动力学下压力作为赛车性能中最重要的因素之一，在制动、转向、加速度等方面有着无可比拟的作用[1].由于气动力不同于惯性力，空套可以在较小质量增加（套件的自重）的条件下，极大增加机械抓地力，从而提高轮胎的工作效率，获得更好的路面附着条件. 目前，国外的空气动力学套件设计已步入研究整车流场平衡的阶段，而国内的相关研究虽起步较早，但近几年发展缓慢，绝大部分对空套的设计研究仍只停留在简单的翼型选择和最大限度榨取总气动负升力（即下压力）上，很少关注气动平衡对车辆动力学以及赛车底盘调教策略产生的影响.上海工程技术大学锐狮电动方程式赛车队于2017年首次引入空气动力学套件，并完成整套设计、加工、装配流程. 本文基于往届赛车的设计基础，对组合翼各翼片攻角进行优化，并将研究重点深化至气动平衡上，在设计之初就将各套件之间的影响考虑在内，以期解决前后下压力的分配不合理、上游套件对下游套件影响过大等问题.1 研究方法赛车空气动力学套件最基础和主要的组成部分是翼型. 翼型参数包括弦长、倾角、攻角、展宽比、前后缘半径等. 考虑设计成本因素，优化攻角远比从数不尽的翼型库中挑选最合适的翼型有效率得多. 良好的攻角设计组合不仅可以提供较大的下压力，而且不会产生过多阻力. FSAE赛车多采用组合翼来提高翼片获取下压力的上限，组合翼中各个翼片存在相对几何关系：主翼攻角、襟翼相对攻角、缝道（Gap）水平距离、缝道竖直距离.然而在实际设计中，这些相对几何关系都较为复杂，与最后产生的下压力并不呈现明确的线性关系，这使得设计变成多变量问题.计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）有限元分析方法能够执行CAD模型的理论测试计算. 虽然其精度比不上风洞试验，但却克服了后者的局限性. 目前，CFD可以分析从层流到湍流、定常到非定常、不可压到可压、无黏到有黏的几乎所有的流动现象[2]. 一般来讲，物体表面流体的未知量包括：流体在X、Y、Z方向上的速度、流体密度、温度和压强. 一般在赛车空气动力学中，密度和温度视为常量. 本质上，CFD通常是计算物体表面流速的改变. 本文将主要对各套件的组合翼攻角等进行优化设计分析，从而获得一套性能优异的空气动力学套件.2 模型建立及前处理2.1 三维模型2018赛季整车CAD模型如图1所示. 本研究在其设计基础上保留优良翼型及整体布置思路，然后在理论研究基础上，对空气动力学套件进行概念设计和优化选型；之后利用CATIA软件进行设计建模，前翼主翼选取升力系数和最大厚度较为均衡的AH 79-100B为翼型，通过宏命令精确导入到CATIA中. 为增大底板气流流量并减少底部能量的损失，主翼采用抬高前翼中部的变截面设计，建模使用多截面曲面功能一次成型. 襟翼的设计尽量在不损失前翼下压力的前提下减小近车身侧的弦长并提升内侧翼型的攻角，以达到将外侧气流抽吸至内侧的目的，在CATIA中同样采用变截面曲面来实现建模. 2019赛季整车CAD模型如图2所示.图 1 2018赛季整车CAD模型Fig. 1 CAD model of whole vehicle in season 2018考虑到CFD分析的时间效率，对车身及车体外部的驾驶员头盔和轮胎进行简化处理. 本文主要针对空气动力学套件进行设计分析，通过对阻· 54 ·上海工程技术大学学报第 35 卷塞比的计算得出计算域的大小：计算域长度为尾翼的10倍，高度为翼面半宽的5倍，以此保证不会出现回流，进而确保分析精度[3].2.2 控制方程和湍流模型结合赛事实际行驶工况，赛车车速一般为60 km/h ，空气密度变化不大，可以近似看成是常数，因此尾翼周围空气为不可压缩流体[4]. 根据雷诺理论，流动属于湍流，因而赛车空气动力学套件气动力的模拟属于求解湍流流动问题，采用的控制方程为三维不可压缩的雷诺平均连续方程和雷诺平均N-S 方程，即u ′i u ′j 式中：u i 为略去平均符号的雷诺平均速度分量；ρ为密度；p 为压强；、为脉动速度；σij 为应力张量分量.湍流模型采用Realizable k -ε模型[5]，该模型有利于代表各种不同尺度涡间能量谱的传递，可以有效用于不同类型的流动模拟. 该模型包括湍流动能（k ）方程和湍流耗散率（ε）方程. 关于k 的湍流动能方程为关于ε的湍流耗散方程为其中式中：μt 为湍流黏度；v 为运动黏度；ρ为密度；G k 为平均速度梯度引起的湍动能的生成项；G b 为浮力引起的湍动能的生成项；Y M 为可压缩湍流对总体耗散率的脉动膨胀的贡献项；C 2、C 1ε和C 3ε为常数；σk 与σε为关于k 与ε的湍流普朗特数；S k 与S ε为CFD 用户自定义源项；S 为平均应变率张量模量. 由于Realizable k -ε在湍流黏度计算中引入旋转和曲率有关的内容，并且ε方程的第3项不具有奇异性，这与Standard k -ε模型和RNG k -ε模型有很大区别[6].在CFD 模拟中对尾翼，前翼等空气动力学套件附近的流动特征、下压力和升阻比进行分析. 然后在完成优化的基础上进行整合计算，得到整车分析数据. 根据整车分析结果确定最终方案，并且将最终优化方案用于实车制造并进行实车性能测试.2.3 模型前处理使用STAR-CCM+完成计算域和网格的绘制，分析尾翼的计算域网格如图3所示.图 2 2019赛季整车CAD 模型Fig. 2 CAD model of whole vehicle in season 2019(a) 外部YZ X图 3 计算域网格Fig. 3 Computational domain grid第 1 期李嘉寅 等：FSAE 赛车空气动力学套件优化设计· 55 ·网格大小的计算根据边界层计算器输入Y+=30，得出雷诺数Re=1×106. 下边界层总厚度d为0.021 6 m，计算得到外部体网格的单元格目标大小约为0.1 m. 由于不同的流动问题数值解法不同，需要的网格形式有一定的区别，但生成网格的方法基本一致. 网格可以分为结构网格(Structured Grid)和非结构网格(Unstructured Grid)两大类. 结构网格在空间上比较规范，网格往往是成行成列分布的，行线和列线明显；而非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线. 外流场计算常用的体网格类型有四面体网格(Tetrahedral Mesh)、Trimmed网格、多面体网格(Polyhedral Mesh)和边界层网格(Prism Mesh)[6].考虑到赛车造型复杂，使用非结构性网格，网格中的每个元素都可以是二维多边形或者三维多面体，其中最常见的是二维三角形以及三维四面体. 这里使用STAR-CCM+中多面体网格，其结合了四面体网格划分速度快和六面体网格精度高的特点，单个网格可同时与相邻的12或14个网格进行交互，这也极大减少了网格的数量，加快了计算效率，通常多面体网格的收敛速度比四面体要快接近一倍，比六面体也要快40%.2.4 边界条件参考文献[7]，边界类型有进口（Inlet），出口(Outlet)、对称面(Symmetry)和壁面(Wall). 进口设置为速度进口(Velocity inlet)，速度进口湍流强度为0.5%，湍流速率=4×计算域面积/计算域周长，流速u为16.67 m / s，出口设置为压力出口(Pressure outlet)，压力出口的湍流强度设置为0.5%，湍流速率=4×计算域面积/计算域周长. 为使仿真更贴近实际，地面设置为滑移壁面，滑移速度为16.67 m / 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.3 CFD优化分析3.1 前翼优化设计前翼是安装于赛车前部的空气动力学装置，为赛车前部提供下压力. 同时，前翼能够很大程度上影响前轮的升阻系数，其能够引导赛车前方的气流绕过前轮从而减少前轮大量的阻力.由于FSAE赛规中有前翼外侧离地250 mm的限制，从赛车的正投影面来看，前翼并无法完全遮挡前轮，所以需要特殊的设计来尽量引导气流绕过前轮. 就整车流场的层面而言，前翼所产生的升流会影响下游组件的工作效率，而前翼作为产生下压力的组件，这种影响不可避免，故设计中应在不过多减少下压力的情况下尽可能减小前翼的升流，前翼的下压力分配对于拥有不同转向特性的赛车也有所不同.2019年的新赛车采用前翼主要起引流作用并减少对下游组件干扰从而使侧翼下压力最大化的设计思路，同时通过尽可能多的外洗气流减少前轮迎风阻力并增加前翼的效能，设计效果如图4所示. 通过对变截面翼型的利用，减小前翼近车身侧的弦长和攻角从而减少前翼的上升气流对于下游组件的影响[6]. 该翼型还能有效增加前翼的外洗效应，减小轮胎的阻力.图 4 2019赛季赛车前翼Fig. 4 Front wing of season 2019前翼部分迹线图如图5所示. 图中深蓝色区域为前翼下翼面的低压区，由于三维流场中水平方向也存在压力流动，即翼尖涡效应，所以低压区并没有遍布整个下翼面. 为降低前翼对尾翼的影响，其攻角和弦长的减小必然会造成前翼下压力的减小，为弥补下压力的损失，主翼上安装竖直的旗翼，同时竖直旗翼能够进一步强化前翼端板对于该整体区域的气流外洗，起到减少前轮阻力，增强前翼的抽吸能力，从而在不改变弦长和攻角的情况下起到进一步提高前翼升力系数的作用.设计中为尽可能减小前翼对下游组件的影响，前翼中央采用负攻角并上抬翼面以减小前翼中部静压的大小，改善前翼对下游气流的损耗. 赛车前翼压力云图如图6所示. 从图中可以看出，中部静压明显小于侧边. 在CFD软件中，将迎风速度设置为16.67 m / s，得到2个版本赛车前翼的相关结果见表1. 与2018年赛车相比，2019年赛车前翼的下压力和对前轮的影响有相当程度的提高.· 56 ·上海工程技术大学学报第 35 卷1.713X Y Z7.44513.17818.91124.64330.376−1 200−868−536−204128460速度 / (m·s −1)压力系数图 5 赛车前翼部分迹线图Fig. 5 Part of track diagram of front wingXY Z −1 200−868−536−204128460压力系数图 6 赛车前翼压力云图Fig. 6 Pressure contour of front wing表 1 前翼分析数据表Table 1 Front wing analysis data table赛车版本负升力 / N 前轮迎风阻力 / N2018年120902019年210153.2 侧翼及扩散器优化设计侧面扩散器和尾部扩散器现已成为FSAE 赛车产生较大下压力的关键元素，其本身产生的阻力较小，在地面效应的影响下对整车的下压力提升有着至关重要的作用，且这部分设计在FSAE 中有很多应用前景，侧翼的添加，减少了扩散器壁面上气流的分离，提升临界扩散角的大小，能够有效提升侧面扩散器产生下压力的能力. 侧翼及扩散器的设计效果如图7所示. 侧翼最大程度上利用侧面空间，最大化扩散角的值，同时尽可能扩大扩散器入口的大小以获得更多气流的加速. 同时后轮附近的侧翼能够有效抑制后轮生成的乱流，减少后轮的阻力.3.3 尾翼优化设计尾翼一般使用组合翼的设计方案，通过各翼之间的引流可以让襟翼在较大的攻角下不会轻易失速，同时组合翼之间的位置调整也可以减少能量损失. 2019赛季赛车尾翼主要以获得最大的下压力作为主要目的，并具有对其他部件影响不敏感的特性. 因此通STAR-CCM+仿真试验了不同的翼型，相对攻角及间隙来确定组合翼之间的最优相对位置[8]，同时在分析中加入头枕及头盔模型使其更加接近尾翼真实的工况. 最终设计效果如图8所示.图 8 2019赛季尾翼Fig. 8 Rear wing in season 2019在尾翼翼型方面，主翼选取弯度较大且升力系数在低速时较大的CH10. 襟翼在弯度不同的翼型中通过控制变量试验得到；出于对节省计算资源的考虑，且尾翼试验流动复杂程度低，故使用1/2尾翼模型完成CFD 仿真，实际下压力为表格数据的2倍，仿真数据见表2.表 2 翼型分析数据表Table 2 Airfoil analysis data table翼型负升力（相同攻角和来流速度） / NS1223278.8Clark-Y132.8综上选用S1223作为襟翼的翼型. 考虑到CFD 分析效率及问题导向，在保证复合实际工况的条图 7 侧翼及扩散器Fig. 7 Sidepods and diffuser第 1 期李嘉寅 等：FSAE 赛车空气动力学套件优化设计· 57 ·件下对分析对象进行简化，即取含头盔、座枕在内的尾翼区域局部模型进行分析，分析结果如图9和图10所示. 从图9可见，端板的保压效果非常可观，也从侧面反映了上下翼面的压力分布.−1 350−980−610−204130500压力系数XYZ图 9 尾翼局域分析压力云图Fig. 9 Local analysis pressure contour of rear wingX YZ −1 200−880−560−24080400压力系数图 10 压力云图截面图Fig. 10 Cross section of pressure contour同理，选取最佳的相对攻角. 假设主翼与第1片襟翼的相对攻角为∠1，第1片与第2片襟翼的相对攻角为∠2，仿真数据见表3. 使用1/2尾翼作为仿真对象，从表中可见，负升力为实际的一半.表 3 组合攻角分析数据表Table 3 Angle of attack analysis data ofmultiple-element wings序号∠1 / (°)∠2 / (°)负升力 / N 13236139.623336140.233436141.443437142.253438142.863439142.0由分析结果，最后选用34°、38°的相对攻角，1/2组合翼的负升力达到142.8 N ，即整体在16.67 m / s迎风速度下压力为285.6 N. 为增加扩散器的抽吸能力，提升扩散角的大小，在端板底端安装梁翼（Beam wing ），将尾翼整体的环量下移，在尽量不影响组合翼本身下压力的前提下，加强尾翼与扩散器的互相作用，提升整车的空气动力学效应. 本文中梁翼由于尺寸过小，并未起到较大的作用. 若想获得更好的效果，可以设计弦长更大的梁翼，但仍要考虑其对尾翼主翼下翼面压力分布的影响.从图10可知，驾驶员的头盔与头枕也对尾翼产生了些许影响，主翼前缘下部的低压区域呈现不自然的向后扭曲. 由于头枕位置和人机由总布置所定，并不能做太大变化，只能通过对尾翼的调整来尽可能地减小影响. 结合图10及空气动力学湍流理论可知，流体绕一定攻角的翼型流动时，会在翼型前缘背风面某处脱体，形成顺时针旋转的前缘涡，同时在后部尖缘处形成逆时针旋转的后缘涡，前缘涡与后缘涡之间存在剪切层. 随着前缘涡与后缘涡的发展和相互作用，翼体绕流的流态呈周期性变化，这一点在尾翼表现尤为明显. 为避免边界层分离，可以在后期引进被动流动控制技术，例如涡流发生器改善局部的流体状态.3.4 端板优化设计端板作为赛车中不可或缺的一部分，不只是用来隐藏翼型轮廓或作为赞助商标牌. 它最重要的一点是可以确保翼片不会出现较大的负升力损失，同时减少阻力. 如果没有端板，由于上翼型上下表面压差，空气会从高压侧迁移到低压侧造成压力损失[9]. 在端板布置方面，由于翼型上方静压升高比翼型下方静压降低要小得多，因此，机翼的影响在其下方比在其上方延伸得更远，这意味着需要在翼片的下方有更大的端板面积.前翼端板首要的目的是为了稳定压差进行保压，由于前翼安装位置的特殊性，其受到地面效应影响，所以端板保压作用好坏直接决定了前翼升力系数的大小，因此端板上安置有不同种类的保压条. 由前翼的CFD 仿真可得，在无保压组件的情况下，前翼负升力为189 N ；在有保压组件的情况下，前翼负升力为210 N ，提高将近11.11%的负升力. 同时前翼端板除了稳定压差外还需要拥有良好的引流特性，引导流向前轮的气流使其偏转到外侧或底部，从而达到减小前轮阻力的效果.尾翼端板同样可以通过一些附加组件或细节修改来加强其性能，2019与2018赛季赛车尾翼端· 58 ·上 海 工 程 技 术 大 学 学 报第 35 卷板都加装了前缘缺口，如图11所示. 与前翼端板类似，尾翼端板的作用之一便是保压，而前缘缺口削减了端板的面积，从而降低了保压效果，并使得下压力小幅减少；但在侧风偏航车况下，前缘开口能成为来流进入尾翼的通道，缓解此工况下尾翼下压力由于来流不足而降低的问题，减小其空气动力学敏感度，增强了稳定性.X YZ−1 200−880−560−24080400压力系数图 11 2019赛季赛车尾翼端板压力云图Fig. 11 Pressure contour of rear wing’send plate in season 2019扩展来讲，理想的尾翼板大小取决于翼型的下压力水平，下压力较低的尾翼组合产生较小的压力变化，故对周围空气压力影响延伸的距离较小，可以使用较小的端板，反之亦然. 故2019年赛车的尾翼端板长度相较2018年的尾翼端板延长约30%.4 整车结果分析与对比图12为整车迹线图，由图可知，整车流线型良好，仅在车轮后方及车身尾部形成较大涡流. 前翼有明显外洗，中部上洗较少，符合预期设计，可有效降低前轮产生的紊流并增强前翼的抽吸作用，保证侧面扩散器有更多高能气流进入，且可看出相比尾翼影响不大. 3层尾翼的设计使气流能够更加贴合后方翼型，长端板保证了尾翼的保压效果，做到了先期预期能达到的最大下压力.2019年赛车在装配优化设计的空气动力学套件后，空气动力学指标都有较大提升，见表4. 首先负升力升高至原来的181%，增加明显，但是2019年赛车的阻力系数也增加33.66%，这是由于负升力的升高会导致压差阻力的升高，也可以说是获取下压力的代价之一. 升阻比是反映赛车空气动力学效率的一个重要指标，通过比较2版赛车可以发现，2019年赛车拥有更高效率的空气动力学套件，迎风面积的骤减也是其获得高效率的原因之一. 通过对赛车总布置以及造型的优化，相比2018年赛车，2019年赛车可有效减少过去只增加外形阻力的“无用”区域，并将它们转变为带有翼的空套部件区域.表 4 整车分析数据表Table 4 Vehicle analysis data sheet赛车版本负升力 / N阻力系数升阻比迎风面积 / m2 2018年380.1 1.01 1.45 1.3122019年686.5 1.35 2.77 1.046在气动平衡方面，2018年赛车未做出相关优化，风压中心（前后气动力平衡轴）相比重心位置（车长45∶55位置处）严重靠前，即前翼下压力占比过大. 2019年赛车对此进行了考量，最终的设计方案中，通过CFD软件去计算整车相对于过重心点水平轴气动力矩（C m）来判断风压中心距离重心的远近，最终经过软件计算所得气动力矩仅为10 N·m，可将其视为与重心基本重合.由此可见，通过正确的优化方法和设计思路来引导设计，最终能收获一套高性能的大学生方程式赛车的空套优化方案.5 结语本文分别对各空气动力学套件进行优化设计，并最终通过整车分析进行方案的验证. 结果表明：2019年赛车在负升力和升阻比的设计上进一XYZ6.11212.22418.53724.44930.561−1 000−750−500−2500250速度 / (m·s−1)压力系数图 12 整车迹线图Fig. 12 Full vehicle track diagram第 1 期李嘉寅等：FSAE赛车空气动力学套件优化设计· 59 ·步优化，负升力提升达到2018年的181%；前翼的外洗效应可以有效减少前轮紊流，并且能够显著提升前翼的升阻比和下压力；尾翼端板、相对攻角和间隙是影响其下压力的3个显著要素；侧翼和扩散器能对赛车的下压力提升起很大的作用，并同时提升前翼和尾翼的工作效率.2019年赛车的空气动力学套件的优化使得负升力和升阻比相比2018年赛车有较大的进步，对赛车性能有显著的提升，对赛车后续的设计优化具有指导实践意义.参考文献：MCBEATH S. Competition car aerodynamics [M ] . 3rdEdition. England: Veloce Publishing Limited, 2017: 8.［1］傅立敏. 汽车设计与空气动力学［M ］ . 北京. 机械工业出［2］版社, 2010: 1−25;.吕立坤. 扰流板对轿车气动特性改善的数值仿真［D ］ . 长春: 吉林大学, 2006.［3］王福军. 计算流体动力学分析［M ］ . 北京: 清华大学出版社, 2004: 185−253.［4］WILCOX D C. Turbulence modeling for CFD [M ] . 2ndEdition. La Canada: DCW Industries, 1998: 174.［5］孙文. 基于CFD 的低速赛车前后翼设计［D ］ . 长沙: 湖南大学, 2016.［6］杨炜, 谢睿轩, 曹子浩, 等. 大学生方程式赛车空气动力学套件改进［J ］ . 中国科技论文，2018，13（17）：2050 − 2054.［7］邓召文, 王兵. 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大学生方程式赛车空气动力学性能仿真分析毕业论文
毕业论文学院：机械工程学院系(专业)：车辆工程题目：大学生方程式赛车空气动力学仿真分析毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
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FSAE电动方程式赛车动力系统匹配及仿真
GUO Zhongqing1，GAO Congcong1，CHEN Chaozhou2
（1.Shaanxi Vocational & Technical College，Xi’an Shaanxi 710100，China； 2.Research Institute of Highway Ministry of Transport，Beijing 100088，China）
仿真分析。将仿真数据和理论数据做对比，证明本文的匹配设计符合要求并且是合理的。
关键词：FSAE；动力匹配；CRUISE 仿真；电动汽车
中图分类号：U461.2
文献标识码：A
文章编号：1673-6478（2019）04-0019-04
FSAE Electric Car Racing Matching and Simulation of Power System
1 电动赛车动力系统参数计算
电动赛车的动力系统主要包括电机、电池及传 动系统，需要进行的计算参数有：电机相关参数、 电池电量计算。 1.1 原车参数及 FSAE 电动赛车设计目标
通过对往年比赛成绩的分析，然后根据本校车 队实际情况确定 FSAE 电动赛车的动力性能，原车参 数及电动赛车设计目标如表 1 所示[1]。 1.2 驱动电机主要参数确定
计算电机的功率时，判断所选择电机是否能达 到赛车加速性能的要求，不用考虑爬坡性能，只需 根据加速性能计算出电机的最大功率，即只需计算
收稿日期：2018-12-11 作者简介：郭忠庆 （1991- ），男，陕西西安人，助教，研究方向为汽车检测与维修技术 ．
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交通节能与环保
第 15 卷
表 1 原车参数及电动汽车设计目标
Tab.1 Original vehicle parameters and electric vehicle design objectives
基于CFD的FSE赛车空气动力学套件研究
第57卷 第2期Vol. 57 No. 22019年2月February 2019农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2019.02.013基于CFD的FSE赛车空气动力学套件研究曾繁俊，阳林，万婷婷，钟兴华，李金畅，邱灿文（510006 广东省 广州市 广东工业大学 机电工程学院）[摘要]利用CFD技术对FSE电动赛车进行车身外流场的仿真分析，对比加装空气动力学套件前后车身表面的气流情况。
在确定空气动力学套件产生下压力的大小和对整车气流的影响后，根据FSC的比赛规则确定适合不同比赛项目的尾翼攻角组合。
最后按一定的变化梯度改变尾翼襟翼的攻角，探究赛车气动参数随攻角改变的变化规律，为后续可调尾翼系统的开发提供参考。
[关键词] FSE赛车；CFD；尾翼；外流场仿真[中图分类号] U469.6+96 [文献标识码] A [文章编号] 1673-3142(2019)02-0054-05Research of FSE racing Car Aerodynamics Devices Based on CFDZeng Fanjun, Yang Lin, Wan Tingting, Zhong Xinghua, Li Jinchang, Qiu Canwen(School of Electro-mechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou City, Guangdong Province 510006, China) [Abstract] Simulation analysis of external flow field of FSE electric car is carried out by using CFD technology for comparison of air flow on the surface of car body before and after installation of aerodynamics devices. After determining the magnitude of the pressure generated by the aerodynamics devices and the impact on the airflow of the whole vehicle, the combination of the tail angle of attack suitable for different competitions is determined according to the rules of FSC. Finally, the angles of the rear wing are changed according to a certain change gradient to explore the change law of the aerodynamic parameters of a racing car with the angle change. It provides a reference for the development of the DRS system.[Key words] FSE racing car; CFD; rear wing; outflow field simulation0 引言为促进电动汽车的发展，德国、英国、日本等国家先后开始举办FSE（Formula Student Electric，电动方程式汽车大赛）。
大学生方程式赛车(FSAE);空气动力学套件;流体仿真分析
作者： NULL
作者机构： 1
出版物刊名： 常熟理工学院学报
页码： 6-陈言畅[1];胡顺安[1]页
年卷期： 2022年 第2期
主题词： 根据空气动力学套件的设计,主要对前定风翼、后定风翼和扩散器的造型进行设计研究和仿真分析.将带有空气动力学套件赛车通过ANSYS Fluent软件进行仿真,获得其在车速为22 m/s时的流线图,并通过丝带实验法对大学生方程式赛车进行流线实验,验证设计和仿真结果.实验表明:空气动力学套件的流场气流平顺,气流诱导效果明显,产生的负升力能使赛车的稳定性得到提升.
摘要：
TH128Formula Society of Automotive
Engineers(FSAE);aerodynamics kit;fluid simulation
analysis。
基于正交试验法的FSAE赛车气动性研究
基于正交试验法的FSAE赛车气动性研究随着赛车发展的不断进步，气动性能对于赛车的竞争力越来越重要。
在Formula SAE (FSAE)赛车中，气动性能的研究可以帮助车队提高赛车的速度、稳定性和操控性。
本文将介绍一种基于正交试验法的FSAE赛车气动性研究方法。
正交试验法是一种实验设计方法，可以通过少量实验得出全面且可靠的结论。
在FSAE赛车的气动性研究中，我们可以根据设计参数的敏感性和影响程度设计正交试验矩阵。
常见的设计参数包括车身高度、车身前后倾角、车头和车尾的翼型形状等。
首先，我们需要收集关于FSAE赛车气动性的背景资料和先前的研究成果。
这可以帮助我们确定需要研究的设计参数和目标。
接着，我们可以使用正交试验法设计一组实验，涵盖了所有的设计参数和水平。
在每个实验中，我们需要使用模型车进行空气动力测试。
这可以通过风洞或计算流体力学（CFD）模拟来完成。
在实验过程中，我们需要根据设计变量的水平进行测试，并记录下相应的空气动力数据，如下压力系数、升力系数和阻力系数。
完成所有实验后，我们可以进行数据分析。
常见的分析方法包括方差分析（ANOVA）和回归分析。
通过这些分析，我们可以确定设计变量对FSAE赛车气动性能的影响程度和关键因素。
根据分析结果，我们可以优化FSAE赛车的气动设计。
例如，如果发现车身高度对阻力系数有显著影响，我们可以通过调整车身高度来减少阻力。
如果发现车头和车尾的翼型形状对升力系数有显著影响，我们可以优化翼型形状来提高赛车的下压力。
除了设计优化，我们还可以通过这些研究结果改进赛车的操控性能。
如果发现车身倾角对赛车的侧力有显著影响，我们可以通过调整倾角来提高赛车的稳定性。
综上所述，基于正交试验法的FSAE赛车气动性研究方法可以帮助车队提高赛车性能。
通过对设计参数进行全面而系统的研究和分析，我们可以优化赛车的气动设计，提高赛车的速度、稳定性和操控性能。
这项研究方法可以为FSAE赛车的发展和竞争提供有力支持。
FSAE赛车新型定风翼型气动性能的提升_毛旭
近年来，大学生方程式汽车大赛（ FSAE） 赛车以 其开放、设计原创在世界范围内迅速得到发展［1-10］。 在赛车的车身设计中，车身空气动力学特性对赛车 各方面性能有重要的影响。其中气动阻力系数和负 升力系 数 是 两 个 关 键 的 衡 量 参 数［11-13］。 气 动 阻 力 系数保证赛车具有高速行驶性能，负升力系数衡量 赛车能够形成何种程度的下压力。下压力主要依靠 前后定风翼和车身产生，当气流通过定风翼时，下压 力可以把赛 车“按 压 ”在 赛 道 上，以 缩 短 制 动 距 离， 提高转弯速度。据统计，赛车大约 80% 的抓地力是 由下压力产生，剩余 20% 由轮胎提供。下压力不足
图 6 不同翼型剖面的对称面速度流场分布（ 单位 m /s）
通过对数值计算数据进行面积分，并利用公式 （ 1） 、（ 2） 得到 4 种不同翼型的阻力系数和升力系
数，如表 1 和图 7 所示。
1400
翼型 a b c d
风阻系数 Cd 0. 434 0. 526 0. 535 0. 511
机械科学与技术
收稿日期： 2013-04-02 作者简介： 毛旭（ 1988 － ） ，硕士研究生，研究方向为空气动力学和计
算流体力学，maoxu_lw@ 126． com
还将影响赛车在高速行驶过程中的稳定性。除车身 设计外，定风翼设计是衡量下压力的主要参数。定 风翼的设计原则是达到最大下压力和最小气动阻力 的平衡点，即气动阻力系数和负升力系数的最佳匹 配。目前测试汽车气动阻力系数和负升力系数的方 法主要有 3 种： 风洞试验法、功率平衡法和数值计算 法［14-15］。通过空 气 动 力 学 原 理 对 定 风 翼 的 气 动 性 能进行数值分析，考察赛车后定风翼翼型和翼角变 化对阻力和负升力系数的影响，对比确定最优后定 风翼翼型，为 FSAE 赛车定风翼的设计提供依据。
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。
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10.16638/ki.1671-7988.2019.13.045FSAE赛车车身与空气动力学套件设计及其仿真段磊，刘绍娜，黄炯炯，杨耀祖（盐城工学院，江苏盐城224001）摘要：为了提高赛车的成绩，FSAE赛车上通常会引入空气动力学套件来提高整车的操纵性。
文章通过CFD对定风翼翼型、迎角、翼片布置等因素进行分析，确定了具备良好气动特性的定风翼设计方案；通过调整风压中心的位置影响车辆的实际轴荷分配，进而影响整车的转向特性；对赛车车身及涂装渲染的设计；通过CFD分析，整车升阻比达到2.9，整车具有较好的气动特性。
关键词：中国大学生方程式赛车；空气动力学；CFD中图分类号：U463.4 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)13-134-03Design and Simulation of Body and Aerodynamics Suite for FSAE Racing CarDuan Lei, Liu Shaona, Huang Jiongjiong, Yang Yaozu( Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224001 )Abstract: In order to improve the performance of the car, the FSAE car usually introduces an aerodynamic package to improve the handling of the vehicle. In this paper, CFD is used to analyze the factors such as the fixed-air wing type, Angle of attack, and wing layout, so as to determine the Design scheme of the fixed-air wing with good aerodynamic characteristics. By adjusting the position of the wind pressure center to affect the actual axle load distribution of the vehicle, and then affect the steering characteristics of the vehicle, the design of the car body and painting rendering, through CFD analysis, the lift-to-drag radio of the vehicle reaches 2.9, and the vehicle has good aerodynamic characteristics.Keywords: Chinese College Students Formula; Aerodynamics; CFDCLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)13-134-03前言空气动力学套件可以增大作用于车轮的垂直载荷可以有效提高车轮的侧偏刚度[1]，而通过空气动力学手段可以在不增加赛车附重的情况下增加整车的下压力，特别是在弯道时可以增加了轮胎的抓地力，提高了过弯速度，增强了整车的行驶稳定性。
设计者通常在保证下压力分配平衡的前提下提高负升力系数值，同时控制气动阻力，即空动力学装置在获取下压力的同时必须具备一定的气动效率。
1 赛车车身及涂装设计随着汽车的发展，汽车的外形也是多种多样的，但是不难发现，大多数汽车的造型都是采用流线型设计。
流线型汽车首先在外观上面就非常吸引人的目光，其次车子设计呈流线型，能大大的减少汽车行进间的风阻。
不论是汽车还是赛车，流线型造型都是一个不变的根基。
车身设计的灵感更多借鉴于仿生学：我们所知道的最佳流线型——水滴的Cd =0.05，而德国的一份研究报告中指出企鹅的阻力系数为0.03，比水滴还要小，尽管只是细微变化，但要知道对于汽车来说将Cd从0.29减小到0.28相当于给车作者简介：段磊（1996.1-），男，就读于盐城工学院汽车工程学院车辆工程专业，研究方向为空气动力学研究。
刘绍娜(1982.6-)，女，讲师，就职于盐城工学院汽车工程学院，研究方向为车辆动力学与控制，NVH。
134段磊 等：FSAE 赛车车身与空气动力学套件设计及其仿真135减重100kg ，且速度越快，降低的油耗越明显。
图1 整车涂装渲染2 设计目标①在提供足够的下压力力下，尽可能降低整车的空气阻力系数，以使赛车的动力性不受影响。
故整车目标下压力800N （20m/s)，升阻比2.4。
②良好的空气动力学套件应使赛车有良好的动态性能，考虑到整车前后载荷比约为0.35：0.65的布置，转向不足明显，其空气动力学套件设计应尽可能的减小转向不足，整车风压中心（风压中心为整车气动力的等效作用点，风压中心与质心的相对位置确定了气动力对车辆的作用效果，影响车辆的实际轴荷分配，进而影响整车的转向特性）在满足要求的情况下，尽可能靠前。
3 空气动力学套件的设计3.1 前翼单件设计前定风翼是安装在赛车前部的负升力装置，如图2所示，它不仅负责制造赛车前部的下压力，还影响向后流动的气流的走向；同时也会在工作过程中产生升流进而影响整车其他空气动力学套件的作用效果。
通过对不同最大厚度翼型的数据分析，我们发现组合翼两片襟翼组合效率相对于单片襟翼型组合，会产生更高效率的下压力，同时也能够有效减少翼型的气流分离，提高升阻比，故前翼襟翼设计优先考虑三段组合翼设计。
图2 前翼单件渲染图3.2 尾翼单件设计尾翼，又称后定风翼，是安装于车体后部的具有翼片作用特性的气动特征部件，如图3所示，其作用效果为在赛车后部产生下压力并提供一定的俯仰力矩。
后定风翼一般由翼片和端板两种基本结构组成，此外还包括格尼襟翼、端板开槽及翻边等选用结构。
尾翼布置为三段翼主要从几下几个方面考虑：（1）（2）（3）式中：F 1为作用于前轴压力；F 2为作用于后轴压力；F 为作用于车辆总压力；L 1为风压中心与前轴距离；L 2为风压中心与后轴距离；L 为赛车轴距另一方面，由于规则的限制，为了保证在缩小尺寸的前提下保证下压力的产生。
通过三段翼的布置可以在保证下压力的同时由于三段翼布置的攻角平缓过渡使翼片逆压梯度相对较小防止气流分离，从而保证尾翼的升阻特性良好。
增设空套能有效地增大车轮载荷，从而降低赛车在高速过弯的情况下发生侧翻风险[2]。
图3 尾翼单件渲染图3.3 扩散器单件设计这是一个整合于底板的气动部件，利用截面积逐渐扩大的流道实现车底气流的加速，产生作用于车身的负升力。
扩散器可以等效为与地面结合的文丘里管结构，底板下方的气流在进入扩散腔之前被加速，底板下方形成低压区,造成压力差，将扩散器牢牢的吸附在路面。
4 CFD 仿真对于一辆赛车而言，单纯地分析空气动力学套件的意义并不是很大，需要将空气套件装配在赛车上，讨论整车的流场分析和试验结果，才能判断赛车的空气动力学特性是否可观[3]。
使用icem-cfd 建立整车在空气流场中运动时的有限元模型，来进行fluent 负升力测试。
该车前后质心比为0.25：0.65，整体流场模型网格数量约为350万个，设置车速在80km/h 的情况下，使用fluent 软件进行求解。
在建立网格的时候，为了避免流场域太小而导致计算的不准确，所以在建立流场域的时候采用了距离车前部4倍于车辆的距离，后部为车辆6倍长度，左右各5倍于车辆宽度，高度为车高度的五倍，在这种大小的流场域下才能尽可能的保证计算结果的准确度。
在建立流场域后，对流场的各个部件进行命名，以便于下一步的操作，大致分位inlet ，outlet ，汽车实用技术136 wall ，floor ，以及车身及空套的各个部件名称。
由于流体力学中存在边界层的问题，在车身表面又增加了边界层，高度为0.5，层数为6层。
同时为保证整体流场网格与车身表面网格过渡平缓的目的，在整车周围添加了一个外形为长方体的加密区，在车尾处要注意，车尾处的乱流比较多，所以加密区在尾部应该尽量的远离车，同时无需太大，避免网格过多，计算繁琐的问题。
在将网格导入到fluent 进行计算的时候，正确的设置才能保证结果的正确，因此，在fluent 中设置为如下，模型：K —E standarder 标准壁面函数，边界条件：inlet 面为velocity inlet ，同时速度设置为22.2m/s ；method:Intensity and Length Scale ；Turbulent intensity: 6%；TurbulentLength Scale:0.07*2770=193.9mm 。
Pressureout: outlet 面；Moving wall ：车辆在流场中静止不动，但对于地面相对运动，所以将地面设置为运动地面，速度与车辆实际行驶速度一样22.2m/s ；Refrence Values: compute from 改为inlet ，其他一切参数按照所设计的车辆参数进行填写。
最后进行初始化，保存设置开始计算。
整车流场如图4所示。
图4 整车流线图图5 整车压力云图在模拟整车流场的情况下，整车所受压力情况如图所示，由图5可见，整车所受最大压力的地方为鼻翼与尾翼，同时，气流在经过翼片的导流后，很好的避开了轮胎，减少了整车受到的阻力。
5 整车流场整合及干扰因素5.1 轮胎绕流对于四轮外露的赛车，车轮是气动阻力的一个重要来源。
特别是对于无负升力装置的赛车，车轮的阻力占整车阻力的 40%以上，因此对车轮附近区域的气流进行引导可以降低车轮的阻力和升力。
大襟翼攻角的组合翼布置形式更容易产生强烈的升流，同时其受到的车轮的影响也更小。
5.2 头枕阻挡翼片绕流气流在绕过头枕、进气管和主环等特征时会在其后部形成分离涡。
这部分分离涡在位置上通常恰好位于后定风翼翼片的下方。
分离涡会对定风翼翼片下表面的负压造成扰动，使翼片下方的负压减小。
6 整车分析结果通过多次不间断的分析，多次调整翼片间距以及风压中心，以求达到最佳效果，最终得出整车的分析结果如下表。
表1 分析结果参考文献[1] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009:3.[2] 付艳恕,王震.FSC 赛车尾翼攻角对弯道性能影响的研究[J].机械设计与制造,2018(5):261-265.[3] 吴超,邓召文,王迪.FSC 方程式赛车空气动力学套件性能分析[J].湖北汽车工业学院学报,2015(2):28-32.。