大学生方程式赛车的空气动力学套件的建模与流场分析
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。
揭秘F1赛车科技(三)：空气动力学及TC系统
【知识贴】揭秘F1赛车科技（三）：空气动力学及TC系统1楼一、空气动力学现代F1赛车就像是一架贴地飞行的战斗机，只不过它的“机翼”产生的力是向下的。
随着技术的完善，空气动力学已经成为车队最后可以竞争的领域之一，这也是为什么各支车队每年要花费几百万到数千万美元在空气动力学套件的研发上，所以空气动力学可谓是赛事制胜的法宝。
简单的空气动力模型虽然空气动力学是非常复杂的工程，但是工程师们考虑的问题其实只有两个：一、增加下压力，让赛车紧抓地面，这样可以以更高的速度过弯；二、减小阻力，通过减小气流扰动产生的阻力以提高赛车在直道的速度。
因为增加下压力的同时会产生风阻，所以两个看似矛盾方向的平衡点，正是制胜的关键。
F1车队开始研究空气动力学始于上世纪60年代末期，但是它的原理早在莱特兄弟的飞机上天之前就已经由伯努利发现了。
当气流以不同的速度通过一个机翼的上下表面，就会产生压强差，为了平衡这种压强差，机翼就会向压强小的一面运动。
我们只要让气流通过的两个翼面的长度不一样，就可以产生速度差，进而产生我们需要的升力，或者对于F1来说的下压力。
F1就像是倒过来的机翼，现代F1赛车可以产生3.5倍于自身重量的下压力，简单的说，就是只要达到一定的速度，这些赛车都可以贴在天花板上开而不掉下来。
理论上说合适的设计可以产生非常高的下压力，但是过高的下压力所带来的高速会让车手的身体无法承受，而导致一些事故的发生，从七十年代开始，定风翼的位置、大小、角度等逐步被限制，从而限制车速的提高。
但是F1车队的工程师很快找到了产生下压力的新方法，那就是七十年代莲花车队曾在Brabham BT46B赛车上使用的地效应底盘，这种底盘就是在车后安装一个巨大的风扇，然后把车底部的空气全部抽走产生几乎真空的环境，让大气压把赛车紧紧压在地面上。
这辆赛车只参加过一站比赛，它的巨大优势让国际汽联马上禁止了这种设计。
地效应底盘的莲花F1赛车现在的F1赛车底盘主要靠车底的侧裙和后部的扩散器来达到相似的效果：底盘周围的侧裙对空气扰流可以产生气坝，气坝阻止了周围的空气进入底盘下部，而扩散器可以加速车底的空气离开，等于抽走了车底的空气而在底盘与地面之间生成了一个超低压区，由此可以产生巨大的下压力。
空气动力学中的流场分析与参数优化
空气动力学中的流场分析与参数优化第一章：引言空气动力学是一门研究空气在运动过程中产生的各种力学效应的学科，应用范围涵盖气体动力学、流体力学、空气动力学等多个学科领域。
空气动力学中，流场分析是一个核心问题，实现精确的流场分析可以为后续空气动力学分析提供基础性支撑，同时也是参数优化的基础。
本文旨在探讨流场分析与参数优化在空气动力学领域的重要性以及实现方式。
第二章：流场分析的方法流场分析的方法可以分为数值模拟和实验模拟两种。
数值模拟包括数值计算方法和计算流体力学方法；实验模拟包括风洞试验和机场试飞。
1. 数值计算方法数值计算方法是先建立流场数学模型，然后采用计算机程序求解模型，得到数据后进行分析的方法。
这种方法操作简便，能快速得到流场数据，还可方便进行参数优化。
但数值计算方法的精度是受限的，因为在模型建立和求解过程中会引入一些误差，其准确度难以完全保证。
2. 计算流体力学方法计算流体力学方法是指通过数值方法，将宏观的流体运动方程以微分方程的形式进行描述，然后在离散化计算区域内设定网格，以及初始和边界条件，应用数值方法进行计算和求解。
计算流体力学方法适用于流场复杂的情况，精度相较于数值计算方法更高。
3. 风洞试验风洞试验是通过在风洞中构建模型，模拟真实流场环境，然后进行流场实验分析的方法。
这种方法所得数据精度高，但是检测仪器成本较高，适用于大型机器的流场分析。
同时，仿真模型与真实物件存在误差，存在一定的局限性。
4. 机场试飞机场试飞是在真实空气流场环境中，结合现代仪器完成的实验分析方法。
这种方法确保了流场数据为真实数据，更具有可靠性。
但机场试飞成本高，无法满足一些流场实验分析的需求。
第三章：流场分析中的参数优化方法在流场分析中，为了使得模型更加可靠，模型参数需要进行优化，传统参数优化方法可能会出现多解问题。
城市字模态分析方法能够避免出现这个问题。
1. 变步长搜索变步长搜索是一种传统的参数优化方法，其通过不断增大或减少参数值，最终找到最优解。
FSC赛车的空气动力学套件的外流场分析
第8期2019年3月No.8March ，2019杨晨1，沈颖杰2，李垚3（1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212000；2.江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江212000；3.江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江212000）引言影响赛车动力性的因素有很多，汽车之所以能在路面上行驶依靠的是轮胎与地面的摩擦力。
因此，足够的地面附着力是汽车动力性提高的前提。
据统计，赛车大约有80%的附着力是由下压力产生，剩余的20%由轮胎提供［1］。
事实上，仅仅通过轮胎来获得足够的下压力是不现实的，而赛车的下压力不足将影响赛车在高速行驶过程中的稳定性，安全性也将没有保障。
文章分析了赛车空气动力学套件，包括前翼、尾翼和扩散器，尾翼增设格尼襟翼来增加赛车的下压力，提升制动时的稳定性。
该空套可显著提高赛车的下压力，使赛车得到较好的地面附着力，获得优良的动力性并改善赛车的空气动力学性能和操纵稳定性。
1技术路线1.1流场数值模拟气动特性研究的方法主要有风洞试验法和数值模拟法。
由于风洞试验在流场分析过程中存在局限性，而数值模拟又有诸多的优点，因此数值模拟在汽车气动性能分析中很受科研工作者的青睐。
但由于受数值计算方法、计算流体力学以及计算机本身等制约，数值模拟不能完全等同于风洞试验［2］。
数值模拟是利用计算机，通过对流动控制方程的数值求解，达到对汽车流场特性研究的目的。
通过计算周围的气流，将结果可视化，可以看到流场的细节，进而分析流动的分离、表面压力分布、某点受力大小等。
1.2基本控制方程及湍流模式基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。
联立可得Navier-Stokes 方程［3］（见式1）。
∂∂t (ρu i )+∂∂x j (ρu i u j )=-∂p ∂x i +∂τij ∂c j+ρg i +F i （1）N-S 方程反映了黏性流体（又称真实流体）流动的基本力学规律，在流体力学中有十分重要的意义。
FSAE赛车车身与空气动力学套件设计及其仿真
FSAE赛车车身与空气动力学套件设计及其仿真Duan Lei;Liu Shaona;Huang Jiongjiong;Yang Yaozu【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.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2019(000)013【总页数】3页(P134-136)【关键词】中国大学生方程式赛车;空气动力学;CFD【作者】Duan Lei;Liu Shaona;Huang Jiongjiong;Yang Yaozu【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】U463.4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。
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相当于给车减重100kg，且速度越快，降低的油耗越明显。
大学生方程式赛车车身外流场SYS分析报告
大学生方程式赛车车身外流场S Y S分析报告Prepared on 22 November 2020大学生方程式赛车车身外流场ANSYS分析报告指导老师：詹振飞小组序号：第五小组小组成员：刘宇航黄志宇谢智龙陈治安重庆大学方程式赛车创新实践班二〇一六年十月摘要大学生方程式赛车起源于国外，近几年才在国内兴起并得以迅速发展，成为各个高校研发实力的侧影，因此得到了各个高校的重视，赛车外形设计更是赛车很重要的一部分，它不仅是赛车的外壳，更可以利用空气动力学来为赛车减少阻力，提高赛车的性能。
因此外形设计时赛车总体设计中很重要的一部分，通过有限元法对赛车外壳进行风洞模拟测试对赛车外形的改进及优化分析有重要的意义。
利用ANSYS中的fluent进行有限元模拟风洞试验试验，能够准确反映汽车行驶状态时的空气动力学特性数据，其研究对象主要有汽车空气动力特性和汽车各部位的流场。
ANSYS在此过程中起到极其重要的作用。
对于一辆优秀的赛车而言，它的性能不仅取决于优秀的结构设计和强劲的发动机性能，还在一定程度上取决于它的外形。
赛车的外形不仅能够影响赛车的美观度，更重要的是能够影响车身所受的阻力。
因此，如果赛车有一个好的外观设计，利用好空气动力学的原理，则能够在一定程度上减小车身的阻力，从而提高整车的性能。
本小组利用CATIA等建模软件建立了适当的赛车外观模型。
在此基础上，利用ANSYS中的Fluent进行有限元的模拟风洞试验，并得出了一定的结论，整理成报告。
关键字：CATIA三维设计，车身外流场，ANSYS，风洞模拟，有限元1.利用三维建模软件建立车身模型在2016年发布的大赛规则限定的范围内，本小组利用CATIA等相关的建模软件建立了合适的赛车车身模型，以用于后续分析。
年大赛关于车身的部分规则要求1)赛车的轴距至少为 1525mm（60 英寸）。
轴距是指在车轮指向正前方时同侧两车轮的接地面中心点之间的距离。
2)赛车较小的轮距（前轮或后轮）必须不小于较大轮距的 75%。
大学生方程式赛车的空气动力学套件的建模与流场分析
大学生方程式赛车的空气动力学套件的建模与流场分析作者：马健王玮王凯鹏来源：《科技资讯》 2015年第7期马健王玮王凯鹏（南京农业大学工学院江苏省南京市 210031）摘要：汽车的空气动力学特性被越来越多的人所重视，对汽车的操控性与稳定性都产生影响。
本文利用Catia软件对设计的空气动力学套件进行三维模型的建立，并与赛车装配，利用有限元分析软件ANSYS进行流场分析，得出赛车的流场特性，为其改进设计提供依据。
空气动力学在赛车领域的应用是非常广泛的，我们将此应用于大学生方程式赛车上面，给赛车加装空气动力学套件，使其的操纵性能得以提升。
[关键词]：Catia；ANSYS；流场分析中图分类号： U461.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（a）-0000-001. 赛车空气动力学研究意义在赛车运动中运用负升力原理而改善赛车性能措施被证明是极其有效的，气动负升力在不增加赛车质量的情况下改善了轮胎与路面的附着情况，提高了赛车在平直赛道高速行驶时的动力性及紧急刹车时的制动性能，也改善了赛车的操纵稳定性能[1]。
本文中空气动力学套件由前翼、尾翼、底部扩散器组成，通过对加装空气动力学套件和不加装空气动力学套件的三维模型分别进行流场分析，得出赛车的流场特性。
2. 赛车空气动力学套件的三维建模中国大学生方程式赛车的比赛中，赛车由在校学生按照赛事规则和赛事标准，进行独立设计制造，赛事组委会因考虑赛事安全，在比赛中会在赛道上人为设置一些绕桩区，人为限制赛车在赛道中的最高车速，并且赛道以弯道为主，提升过弯速度与加速性能变得尤为重要。
考虑到这些原因，空气动力学套件设计的目标就是在较低速度下20m/s的情况下获得较大的下压力，并尽可能减少空气阻力。
在赛车的行驶过程中，由前翼、尾翼和底部扩散器产生下压力，其中前翼和尾翼产生下压力的来源是升力翼片，升力翼片的不同结构会影响不同的空气动力学性能，而底部扩散器的负升力来源是利用地面效应。
大学生方程式赛车设计与分析(完成)
上海工程技术大学毕业设计（毕业论文）任务书学院汽车工程学院专业机械设计制造及其自动化（汽车工程）（中美合作）班级学号062110316学生彭涛指导教师李传昌题目方程式赛车发动机进气系统设计与分析任务规定进行日期自2014 年2 月17 日起，至2014 年6 月20 日止目录摘要 (4)关键词 (4)Abstract (5)Key words (5)引言 (5)绪论 (6)1.1 课题研究背景和意义 (6)1.2 汽车发动机进气系统的简介 (7)1.2.1 进气系统定义 (7)1.2.2 基本构成 (7)1.3 汽车发动机进气系统发展趋势 (7)1.4 进气限流情况下提高进气效率技术的研究现状 (8)1.5 研究内容 (8)1.6 进气系统系统概述 (9)1.6.1 进气系统结构参数对充气效率的影响 (9)1.6.2 进气管长度对充气效率的影响 (9)1.6.3 FSAE规则对进气系统限制 (10)1.6.4 赛车进气系统主要构成 (11)2 进气系统方案设计 (11)2.1 进气系统设计流程 (11)2.2 确定进气系统材料与制造工艺 (13)2.3 节气门体类型选择 (14)3 设定进气系统各部件基本参数 (15)3.1 系统参数 (15)3.2 空气滤清器 (15)3.3 限流阀开口 (16)3.4 限流阀 (16)3.5 限流阀扩散器 (17)3.6 稳压腔 (17)3.7 进气道 (18)3.8设计要求 (18)3.8.1 进气方案 (18)3.8.2 进气管形式 (19)4 各部件基本参数设计 (21)4.1 节气门口径 (21)4.2 进气总管长度 (21)4.3 稳压腔体积 (22)4.4 进气歧管长度 (22)5 流场分析 (22)5.1 分析软件介绍 (22)5.2 模型网格划分与边界条件初定义 (23)5.2.1 进气总管分析 (23)5.2.2 稳压腔分析 (25)5.2.3 进气歧管长度分析验证 (29)6 进气系统装配 (29)7 结论与展望 (31)参考文献 (32)大学生方程式赛车进气系统设计与分析车辆工程专业彭涛指导教师李传昌摘要：本设计是针对我院2014年FSAE赛车发动机进气系统的优化设计与仿真研究。
大学生方程式赛车空气动力学套件设计
大学生方程式赛车空气动力学套件设计作者：王世权张一鸣任豪放来源：《设计》2020年第13期摘要：增加赛车负升力，提高赛车稳定性，实现赛车轻量化。
以武汉理工大学WUT车队2019赛季赛车为例，利用CATIA软件创建空气动力学套件各组件三维模型，利用ANSYS软件fluent模塊对加装空气动力学套件的整车进行外流场分析，将结果与上赛季数据进行对比，观察赛车空气动力学特性。
赛车负升力较上赛季增加20%以上;空套总质量较上赛季减轻40%以上。
有效地提高了赛车的过弯速度和行驶稳定性，在保证安全性、可靠性的同时进一步实现了轻量化，为赛车设计提供参考。
关键词：大学生方程式赛车空气动力学套件负升力仿真分析轻量化中图分类号：U463.99文献标识码：A文章编号：1003-0069 （2020） 07-0008-03引言中国大学生方程式汽车大赛要求各参赛车队遵照大赛规则，在为期一年的时间里，车队全体成员一起设计，并制造出一辆性能优异的赛车，最后到参赛场地争取成功完成全部或部分赛事环节[1]。
自中国大学生方程式汽车大赛开办以来，武汉理工大学WUT车队始终积极参赛，有过辉煌的成绩，也有过失败的教训，2019赛季的赛车，在保留WUT车队风格的基础上，合理地运用各项新技术，使赛车的性能有了很大的提高。
随着中国大学生方程式汽车大赛的发展，越来越多的院校开始注重空气动力学的研究，希望通过引入空气动力学套件来提高赛车的控制性能和稳定性，进而提高赛车竞赛成绩。
空气动力学套件主要由前翼、扩散器、尾冀3个部分构成。
空气动力学套件可以利用空气动力学原理增大赛车的负升力，而增大的负升力会作用在车轮上，使得车轮获得更好的抓地力。
研究表明，当增大作用在轮胎上面的垂直载荷时，轮胎的侧偏刚度也随之提高[2]，侧偏刚度越高轮胎可以承受的侧向力也就越大，从而使得赛车的侧向加速度以及过弯速度得以提高。
一、设计目标参考上赛季（2018赛季，下同）空气动力学套件的优点以及所遇到的问题，依据《2019中国大学生方程式大赛规则》，设计并优化本赛季（2019赛季，下同）空气动力学套件，设计目标如下：（一）优化前、尾翼翼型结构，使负升力较上赛季（2018赛季，下同）在相同速度下增加20%以上;（二）优化翼型内部支撑结构和空套连接方式，兼顾可靠性的同时通过轻量化来实现节能减排，预计使空气动力学总套件质量较上赛季减轻30%以上。
F1方程式赛车的空气动力学(完整资料).doc
【最新整理，下载后即可编辑】F1方程式赛车的空气动力学班级：学号：姓名:年月号引言空气动力学在F1领域中扮演着重要的角色。
在引擎的研发相对稳定的下，空气动力学几乎主宰着一辆赛车的全部性能。
从上纪六十年代F1赛车第一次使用尾翼，到七十年代地面效应的引进，再到近些年双层扩散器、废气驱动扩散器等设计的提出，空气动力学在短短的几十年时间里取得了长足的进步，几乎可以与航空工业并驾齐驱，甚至有超越后者的势头。
空气动力学是流体力学的一个重要分支，主要研究空气或其它气体的运动规律、空气或其它气体与飞行器或其他物体相对运动时的相互作用和伴随产生的物理变化。
F1的空气动力学主要研究下压力，阻力和灵敏度三个方面，其中，提高压力是提升弯中表现的有效手段，降低阻力是获得高尾速输出的必要手段，灵敏性又称敏感度，主要研究空气动力学环境改变而导致的自身变化的强度。
确切地说，就是研究由路况差异而导致的气动翼片与底盘间距的变化对赛车性能的干预强弱。
前翼前翼是安装在车体最前端的气动附加装置，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。
F1赛车的前翼的工作受到多种因素的影响，首先，作用在翼面上的气流并不是理想状态的，风速，风向都时刻变化，且不确定，此外，赛车在弯道中行驶时，作用在翼面上的气流会发生横向的偏转和移动，形成不稳定的流场，这不仅降低了前翼产生的气动负升力的效率，还影响到了前翼后部的气流环境，不利于气流的正常传输。
人类在流体力学的研究过程中一直在发展，进步，在可以产生气动负升力的翼形的研究中更是如此，先后出现了伯努利，牛顿等不同时期的翼形，这些翼形在气动性能上也不断提升，今天F1赛车所采用的主襟翼结合的翼形就是人类经过长期探索换来的智慧结晶，这种翼形不仅成熟，而且有效。
F1赛车在高速行驶时，流过前翼所在区域的气流被前前翼分割为两部分：一部分从翼片的上表面流过，另一部分则流过翼片的下表面，这两股气流依附在翼片上流动，最后在前翼后方的某一区域重新汇聚，两股的气流的区别在于，由于襟翼与主翼呈一个很大的倾角，因此襟翼拥有较大的迎风面积，在气体的流动过程中，翼片上表面的气流在流动中受到了阻碍，流速有所降低，而翼片下表面的气流则可以在无阻碍的状态下顺利通过，结合前，上翼面文提到过的运用在气体领域的伯努利方程p+1/2ρv2=P的气流流速低，压强大，下翼面的气流流速高，压强小，两者作差，即产生了我们所需的气动负升力。
流体力学工程应用大学生方程式赛车空气动力学应用
1 空气动力学套件的设计
1.2扩散器的设计
扩散器安装在赛车底部，它利用了文丘里管效应，即气流被压缩在很小空间内，后续进入扩散器后体积突然扩大几百倍，车辆高速度行驶时得不到外部空气补充，就会导致空气在扩散器内形成真空，从而形成压差，提升下压力，使轮胎有更好的抓地力，是很有效的空气动力学部件
"8"字绕环和高速避障是FSC大赛中两个重要的动态比赛项目，也是空气动力学套件影响较为显著的项目。通过测定安装空气动力学套件后赛车完成两个项目的时间来定性说明空气动力学套件起到的关键作用
通过测试可以看到，安装空气动力学套件后赛车表现有较大提升，在"8"字绕环项目中平均成绩提高0.2 s左右，而在高速避障中成绩提升更加明显，可以提升2s～3s。并通过计算得到的车手测试成绩标准差可以发现，车手的驾驶稳定性也得到了一定的提升
1 空气动力学套件的设计
3 外流场仿真结果对比分析
3.1 三维外流场速度矢量图对比
赛车附近流场的速度矢量图如图5所示。从赛车头部方框处可以看出，运动中气流首先遇到赛车车头部顶点，在此处，气流阻塞且流速降低。气流从此处开始分成四部分流出，两部分从车头侧面流出，一部分流向车顶，一部分流向车底。流向车顶部的气流在车头前部开始提速，在到达车头后缘时分离
3.2 三维外流场压力赛车车身及空气动力学套件表面的压力分布如图6所示。通过分析未安装空气动力学套件赛车的压力分布图可以看出，赛车运动中主要的压力分布在赛车车身前端位置1、赛车轮胎位置2、赛车驾驶员3。从图6中可以看出，在加装空气动力学套件后，赛车前轮的下压力明显减小，出现的压强较大的部位分别是鼻翼、驾驶员、尾翼和轮胎
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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大学生方程式赛车气动性优化设计毕设论文
河北工业大学毕业论文作者：学号：110322学院：系(专业)：车辆工程题目：大学生方程式赛车气动性优化设计指导者：讲师(姓名) (专业技术职务)评阅者：(姓名) (专业技术职务)2015年 05月 21 日目录1.绪论 (1)1.1课题研究的背景及意义 (1)1.2车身气动性研究现状 (2)1.3研究内容 (3)1.3.1 使用UG对车身进行建模 (5)1.3.2 前期处理 (6)1.3.3 边界条件设定 (6)1.3.4 FLUENT计算结果 (6)2.赛车空气动力学特性 (6)2.1负升力产生原理 (8)2.2空气动力学附加装置 (8)2.2.1前负升力翼 (9)2.2.2后负升力翼 (10)3 空气动力组件与车身的CAD初步模型................... 错误！未定义书签。
4 空气动力组件与车身的前期处理 (13)4.1 模型检查 (15)4.2 设置网格参数 (16)4.3 网格划分并检查质量 (17)5 空气动力组件与车身的流体分析 (17)5.1边界条件 (18)5.2 外流场分析 (19)结论 (24)参考文献 (24)致谢 (27)1. 绪论1.1课题研究的背景及意义车身流体力学是车体与周围空气相对运动的研究时产生的相互作用和运动。
气动性的优劣直接影响汽车上的经济性，动力性能，乘坐舒适性和操纵稳定性。
汽车气动性的优化设计是目前汽车车身设计的一个重要方向，这直接影响的汽车的性能。
大学方程式赛车的研究，国内车队，空已经有了一定的研究基础，气动性的优化设计已经被各个车队所重视。
在日后更高规格的比赛中气动性的优化设计已经成了必不可少的一部分，大学方程式是一场内场场地比赛，其对轮胎和场地的要求较高，在比赛的第一部分要求讲解赛车的设计理念与过程，并展示仿真分析；在比赛的第二部分就是要展示汽车的整体性能在赛制要求下以最快的速度完成比赛，方程式赛车为了跑的更快展示更大的功率就要以牺牲车重为代价，这是增加空气动力学套件就可以解决车重过轻的问题。
大学生方程式赛车空气动力学套件设计
大学生方程式赛车空气动力学套件设计胡溧;罗世敏;杨啟梁;杨胜【摘要】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 aerodynam-ic kit was fixed on the racing car,and the full car model was set up for aerodynamic simulation and a-nalysis 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.%针对武汉科技大学FSC 赤骥车队设计的赛车，进行空气动力学套件的设计。
首先进行定风翼及扩散器的设计和建模，并利用FLUENT 软件对定风翼进行空气动力学仿真优化；然后把空气动力学套件安装在赛车上，建立整车模型，进行常用工况下整车的空气动力学仿真，分析加装空气动力学套件对赛车高速稳定性及转弯性能的影响。
空气动力学研究中的流场分析
空气动力学研究中的流场分析空气动力学是涉及空气流动与物体的相互作用的学科，而流场分析则是研究空气运动的流场和物体在气流中的受力情况的重要方法。
在航空航天、汽车、建筑等领域，流场分析都具有广泛的应用价值。
首先，流场分析是研究空气动力学的基础。
利用数值计算、实验模拟等手段，可以对复杂的空气运动进行分析和预测，进而为工程设计和实际应用提供科学的依据和技术支持。
例如，在飞机的研制过程中，流场分析可以帮助分析飞机外形的气动特性，包括升力、阻力、稳定性等，并对新型机型进行气动布局设计，从而提高飞机性能和安全性。
其次，流场分析可以为实际应用提供重要的技术支持。
例如，在城市规划中，研究城市街道、建筑物等的气流场分布情况，可以识别出潜在的微气候问题，如热岛效应等，并为城市规划和设计提供科学依据。
在汽车制造领域，流场分析也可以帮助汽车设计者优化车身外形，降低气动阻力，从而提高汽车的燃油经济性和行驶稳定性。
在空气动力学领域，流场分析的数值模拟方法尤为重要。
计算流体动力学（CFD）技术是一种主要的数值模拟方法，可以较为准确地预测气流的运动和物体的反作用力，广泛用于航空航天、装备制造、能源环保等领域。
CFD技术基于流体的守恒方程组，通过网格划分、离散化、迭代求解等步骤，计算出气流场的各个物理量，如速度、压力、温度及其变化规律。
同时，CFD技术还通过多孔介质模拟、流体-固体全耦合模拟等衍生技术，支持对复杂气流场的建模和精细化分析。
在CFD技术中，网格划分是具有关键性的步骤，其目的是将气流场划分为网格单元，构成离散的计算空间。
网格单元的大小、形状和分布都会对数值模拟的精度和计算效率产生影响。
为此，研究者们发展了多种网格生成方法，如结构化网格、非结构化网格、自适应网格等。
结构化网格具有规则性和易于计算等优点，适用于对简单几何形状的气流场建模；非结构化网格则具有自由度高、适用范围广等优点，适用于对复杂、异形的气流场建模；自适应网格则根据气流场的变化情况，自动进行网格划分和优化，从而减少计算误差和计算时间。
基于UG和ANSYS软件的大学生方程式赛车车身设计与流场分析
基于UG和ANSYS软件的大学生方程式赛车车身设计与流场分析作者：马健等来源：《山东工业技术》2015年第13期摘要：UG软件具有强大的曲面建模功能，其无差化的草绘曲线和三维曲线功能给实际建模过程带来便利条件。
本文通过对已知大学生方程式赛车车架进行车身的设计建模，并通过有限元分析软件ANSYS 中FLUENT模块对赛车车身进行流场分析，验证赛车车身良好的空气动力学性能。
关键词：UG；大学生方程式赛车；车身；流体分析1 前言大学生方程式汽车大赛被誉为汽车工程师的摇篮，参赛对象主要为大学在校学生，允许少量研究生参与，但对人数有着严格的限定，目标为培养一批具有优秀动手能力、自主开发能力的未来汽车工程师，同时大赛规则对赛车进行严格的限定，使得设计更为复杂。
本文利用UG 的辅助设计对已有车架进行车身设计，并ANSYS软件进行有限元分析以得到具有优良空气动力学性能的车身。
2 大学生方程式赛车车架大学生方程式赛车车架如图1所示，赛车车架作为各零部件的载体，对各零部件起到支持、连接作用，同时也受到来自自赛车内外的各种力的作用。
在对车架设计初期必须考虑到车架应该有足够的强度来支撑车体在各种工况下而不会断裂，同时有足够的刚度来克服车架的形变，以免对车上各零部件间的配合产生影响。
在满足上述刚度与强度条件下还需要满足质量尽可能轻，本文选取车架为桁架式结构，选用4130钢管经过氩弧焊焊接完成后能够满足上述条件。
3 大学生方程式赛车车身大学生方程式汽车大赛作为一项追求比赛速度的赛事，车身空气动力学性能的好坏对比赛成绩影响是巨大的，车身曲面的平顺性，连续性又对空气动力学特性有着较大的影响。
UG软件强大的曲面建模能力能够使车身曲面更加平顺，使气流不易从车身表面分离，从而对车身空气动力学性能产生较好影响。
4 车身模型的建立首先将已有车架模型导入UG软件中，利用UG软件中自上而下的建模形式，在已有车架的情况下对车身进行设计，能够更好地将车身与车架进行配合，有效防止了与车架干涉问题和车身与车架间空余空间过大的问题[1]。
方程式赛车车身的空气动力学仿真与优化设计
方程式赛车车身的空气动力学仿真与优化设计刘有华;相杭磊;陈庆樟【摘要】为改善方程式赛车的空气动力特性,以实际赛车为对象,建立有限元模型进行仿真分析,提出了在原有赛车模型前后方车身两侧加装整流翼片和侧箱开孔的优化方案;运用Hyper-Work中的Virtual Wind Tunnel模块,分析了整车在模拟风洞条件下的外流场分布及车身的外部绕流、空气速度、压力分布情况,结果表明,优化后赛车的空气阻力系数和升力系数均有所降低,改善了赛车的空气动力特性和操纵稳定性.【期刊名称】《公路与汽运》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】3页(P10-12)【关键词】汽车;方程式赛车;车身;模拟风洞;外流场;风阻系数【作者】刘有华;相杭磊;陈庆樟【作者单位】常熟理工学院机械工程学院,江苏常熟 215500;常熟理工学院机械工程学院,江苏常熟 215500;常熟理工学院机械工程学院,江苏常熟 215500【正文语种】中文【中图分类】U461.1车辆的动力性、安全性、舒适性、操纵稳定性、燃油经济性等性能与空气动力学特性密切相关。
文献［2］提出采用侧翼的方式降低赛车的升力系数。
国内主要采用风洞试验法和数值模拟法开展空气动力学特性研究，二者在轿车空气动力学特性分析中是辩证统一的。
具有代表性的有：吉林大学的张英朝、李杰、傅立敏等采用风洞试验方法开展了汽车风洞试验段尺寸参数对试验的影响研究，进行了不同汽车风洞喷口大小、集气口大小、试验段长度对气动阻力测量试验影响的数值分析，得出了汽车气动阻力随风洞结构参数变化的趋势；上海汽车集团的高利、范炜等开展了国产客车模型风洞试验研究，发现合理选择前部形状对减小空气阻力有重要作用。
然而，现有研究大多针对乘用车或商用车，关于方程式赛车车身设计及空气动力学的仿真研究较少。
该文以常熟理工学院CIT-14大学生方程式赛车为研究对象，通过建立整车有限元模型，运用HyperWork中的VirtualWindTunnel虚拟风洞模块，分析整车在模拟风洞条件下的外流场分布及车身的外部绕流、空气速度、压力分布情况，进而对该赛车进行优化设计。
中国大学生方程式赛车进气系统设计与流场分析
中国大学生方程式赛车进气系统设计与流场分析作者：龙云浩王子烨李颖王海青来源：《中国新技术新产品》2016年第18期摘要：根据大学生方程式赛事对赛车发动机进气限流的规定，并结合我校宁远车队往年的参赛经验，对新赛季赛车的进气系统进行设计与优化。
利用CATIA软件和UG软件建模和有限元分析、ANSYS软件仿真分析，对进气系统形式及相关部件参数进行选择，并进一步确定进气歧管连接的四管直径和谐振腔的容积这两个参数。
同时对进气系统做了结构和力学性能等方面的优化。
关键词：FSAE赛车；进气系统；仿真；优化中图分类号：TK413 文献标识码：A中国大学生方程式汽车大赛是中国汽车工程及其合作伙伴在学习和总结了美国、日本、德国的经验基础上，结合中国国情创办的新型活动。
在这项赛事里，要求参赛队伍按照比赛规则，设计制造和测试一辆一级方程式赛车来参加比赛。
我们知道，影响赛车性能的核心部件是发动机，而进气系统对发动机的性能的发挥尤为重要。
根据赛事规则，进气系统的安装与制造有四大要求：①进气系统不得超出外框；②进气歧管必须用支架或机械固定；③节气门必须为机械控制；④必须在进气系统的节气门与发动机之间加装一个限流阀，并且所有进入发动机气缸的进气气流要经过该限流阀（最大直径20mm，且截面不能发生变化）。
结合大赛规则与往年参赛经验，我校宁远车队选用HondaCBR600摩托车发动机为赛车发动机，而原发动机进气系统粗糙且进气效率值不高，且作为摩托车发动机，其进气系统的结构形式与性能均不符合赛事要求，所以我们将根据赛事规则要求来对该发动机进气系统进行重新设计并进行优化与流场分析。
1.进气系统方案的确定与设计1.1 进气系统基本结构通过查找资料并结合我们所学的知识，我们了解到进气系统作为发动机的供给系统，包含了空滤器、节气门、进气门、谐振腔、进气总管、进气歧管等结构与零部件。
1.2 进气形式的确定现代发动机进气形式主要有涡轮增压、机械增压与自然进气3种。
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大学生方程式赛车的空气动力学套件的建模与流场分析
摘要：汽车的空气动力学特性被越来越多的人所重视，对汽车的操控性与稳定性都产生影响。
该文利用Catia 软件对设计的空气动力学套件进行三维模型的建立，并与赛车装配，利用有限元分析软件ANSYS进行流场分析，得出赛车的流场特性，为其改进设计提供依据。
空气动力学在赛车领域的应用是非常广泛的，我们将此应用于大学生方程式赛车上面，给赛车加装空气动力学套件，使其的操纵性能得以提升。
关键词：Catia ANSYS 流场分析
中图分类号：U461.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（a）-0025-01
1 赛车空气动力学研究意义
在赛车运动中运用负升力原理而改善赛车性能措施被证明是极其有效的，气动负升力在不增加赛车质量的情况下改善了轮胎与路面的附着情况，提高了赛车在平直赛道高速行驶时的动力性及紧急刹车时的制动性能，也改善了赛车的操纵稳定性能[1]。
该文中空气动力学套件由前翼、尾翼、底部扩散器组成，通过对加装空气动力学套件和不加装空气动力学套件的三维模型分别进行流场分析，得出赛车的流场特
性。
2 赛车空气动力学套件的三维建模
中国大学生方程式赛车的比赛中，赛车由在校学生按照赛事规则和赛事标准，进行独立设计制造，赛事组委会因考虑赛事安全，在比赛中会在赛道上人为设置一些绕桩区，人为限制赛车在赛道中的最高车速，并且赛道以弯道为主，提升过弯速度与加速性能变得尤为重要。
考虑到这些原因，空气动力学套件设计的目标就是在较低速度下20 m/s的情况下获得较大的下压力，并尽可能减少空气阻力。
在赛车的行驶过程中，由前翼、尾翼和底部扩散器产生下压力，其中前翼和尾翼产生下压力的来源是升力翼片，升力翼片的不同结构会影响不同的空气动力学性能，而底部扩散器的负升力来源是利用地面效应。
鉴于负升力翼片结构在航天发展中已经较为成熟，并且NACA翼型库（National Advisory Committee for Aeronautics，美国国家航空咨询委员会）中有较为全面的翼型结构，在建模中从NACA翼型库选取低速翼型，在Catia中建立多组三维模型，并且在Ansys 中进行流场分析，经过对比分析结果选取最终翼片规格。
在前翼设计中，由于前翼是气流首先到达的地方，它的结构影响着气流在赛车其他结构处的流动，并且要求前翼能使气流尽量绕开前轮，减少阻力。
结合以上因素，选取两片半的设计形式，使第三层襟翼对气流进行引导，避免对前轮
的直接冲击，同时保证有更多的气流流过赛车侧箱，提高对发动机的赛热。
在尾翼设计中，由于尾翼的作用只有一个，产生下压力，同时尽可能减少气动阻力，选用三片式的设计形式，并在翼片两端设计端板，防止外侧气流的干扰。
在底部扩散器的设计中，考虑流体速度大小与压强成反比的原理，将赛车底部空气气流在经过梳理后迅速导出，使赛车底部形成一个低压区，从而产生赛车下压力。
同时使赛车底部更为平滑，减少了空气阻力[2]。
在满足以上条件下，运用Catia软件进行三维模型的创建，并利用装配模块完成空气动力学套件与赛车模型的连接如图1所示。
3 基于Ansys的流场分析
3.1 三维模型导入与网格划分
在Catia中将建立的三维模型经过一定的简化处理，转换成IGS文件并将其导入到Ansys Fluent模块中。
在计算域的确定上，在最大限度保证赛车模型周围流场特性的前提下，缩小计算域的范围，以达到减小计算量，提高计算速度。
文中计算域的选取以高度为4倍车高，宽度为7倍车宽，左右间隙3倍车宽，长度为11倍车长，出口距汽车最后端6
倍车长[3]。
网格的划分对分析结果有着重要的影响，网格越细密，分析结果越精确，但耗费的时间和对电脑的配置要求越高，文中在网格划分时选用六面体网格，在模型不太复杂时，可
以保证优良的贴体性，和同等数量的四面体网格相比又可以减少计算时间。
在划分网格过程中在一些比较光顺处选用较大网格，对局部细节处进行网格的细化，在保证计算精度的情况下提高计算的速度。
最终划分网格数目为1 593 756个。
3.2 计算条件和边界条件的设置
确定计算条件时选用k-ε高雷诺数模型，在模型比较简单，网格质量不太高的情况下应用比较广泛[4]。
在边界条件设置上，选取车头前端面为速度入口，考虑到在实际比赛中由于赛道的限制，选取入口速度为20m/s；选取车尾后端面为出口边界相当于无穷远处压力取为0；设置赛车三维模型表面为固定无滑移面；设置地面边界为移动边界，速度为
20m/s。
选择迭代步数为1000步进行求解。
4 数值模拟结果
安装空气动力学套件模型经简化处理后，分析结果为在给定入口条件20m/s时，车身阻力为307.3N，升力为-341.9N，迎风面积1.459?O，阻力系数为0.881。
升力系数。
按照同样方法将空气动力学套件去除后，进行流场分析得出未安装空气动力学套件车身分析结果为在给定20m/s时，车身阻力117.9N，升力160.1N，迎风面积1.267?O，阻力系数为0.525。
5 结语
在空气动力学套件的设计中应在提供一定负升力的基
础上，尽可能的减少由于增加空气动力学套件带来的空气阻
力，进行多次的仿真分析，进而确定最终的方案。
（1）在Ansys中对建立的三维模型进行数值仿真分析，根据分析结果可以对模型的修改与优化提供一定的参考依据，以改善了赛车的空气动力学性能。
（2）分析后得知整车在相对空气速度为20m/s的情况下，不加装空气动力学套件时升力为160.1N，加装空气动力学套件后整车升力为-341.9N。
通过加装空气动力学套件车身会产生502N的负升力，很好的避免了车辆在高速下产生的抓地力不足的问题。
参考文献
[1] 宋涛，胡瑞.空气动力学在F1赛车上的运用[A].天津：天津大学内燃机研究所，2014.
[2] 曾飞云.万得FSC赛车空气动力学特性研究[D].沈阳：辽宁大学，2014.
[3] 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，2005.
[4] 孔斌.基于空气动力学的车身造型设计[D].武汉：武汉理工大学，2008.。