FSC赛车空气动力学套件的建模与流场分析

Equipment Manufacturing Technology No.06，2018

大学生方程式赛车（FSC ）是由在校大学生根据大赛相关规则，自主设计的一辆单座赛车。赛事的举办丰富了学生的理论知识，锻炼了学生的工程实践能力，提高了学生创新意识和团队协作能力。安装空气动力学套件，目的是在赛车高速行驶

时，能够造成一定的下压力，用以消除大部分上升力的影响，并能够有效地降低风阻系数，增强操纵稳定性，使得赛车在高速运动中保持良好的性能。

1空气动力学套件翼型特性及参数分析

在设计中所用的翼型是从伊利诺伊州大学翼型库选的，翼型是经过分析它们在不同攻角下的下压

力、阻力及升阻比后筛选的，但不应该仅仅只关注这些数据，最重要的是找到这几个数据的变化趋势，

通过变化趋势，分析其变化原因，并进而指导下一组更小范围的对比实验。选翼型是个重复再重复的过程，选出了一个好的翼型之后，会对后续设计带来极大

的便利，也可以一直沿用下去。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。但是升阻比是根据主翼和襟翼相对位置的改变而发生变化，因此主翼和襟翼的位置必须要先确定好。翼型组合的确定关键是要找到变量。本次选择的是两式组合翼型，

从翼型的侧面看，两片翼都有极大的活动空间。总攻角是影响翼型升阻比的另一个重要的因素，但是由于升阻比会随着翼型组合的变化而变化，所以很难保证翼型变动的同时总攻角不变。因此，

选择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，

找到规律后，再做小梯度实验。升阻比对于整车来说越大越好，在其他变量不变的情况下以阻力系数和

升力系数为变量，

如图1所示，用不同的颜色色区分圈速区间，如果升阻比范围已经基本确定，权衡条件就需要适当改变。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，其在图中对应的是下面圈位置；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，其在图中对应的是上面圈位

置。实际的选择需要与动力、

轮胎、底盘进行合理的匹配，直接从圈速上体现出来。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。

针对FSC 赛车而言，它的平均速度在20m/s 左右，在这种较低速度下较容易实现导流措施。在惯性下高速气流会增强，因为气流有粘性，所以墙壁走势的变化会使靠近壁面的气流贴合着墙壁流动并随之

改变其流向，一般简化称为气流贴壁效应，如图2所示。

FSC 赛车空气动力学套件的建模与流场分析

郑燕丽，张兴，顾迪，巴炳权，

倪彰（江苏理工学院汽车与交通工程学院，

江苏常州213000）摘要：针对FSC 赛车车身，用整体优化的方法对空气动力学套件进行CFD 流场仿真，分析加装前翼、尾翼、扩散器等对赛车性能提升效果，仿真与分析结果表明，设计的空气动力学套件对赛车高速行驶及操纵稳定性等方面均有明显提升。关键词：FSC 赛车；空气动力学套件；CFD 仿真；操纵稳定性中图分类号：TP319

文献标识码：A

文章编号：1672-545X （2018）06-0236-04

收稿日期：2018-03-11

作者简介：郑燕丽（1997-），女，浙江金华人，本科，研究方向：流体分析；张兴（1996-），男，江苏扬州人，本科，学生，

研究方向：流体分析。

图1升阻比示意图

1.71.61.41.31.2

1.1

7983

82

81

80Downforce Coefficient[-]

236

《装备制造技术》2018年第06期

升力翼空气动力学特性随着它的结构不同也不

尽相同，这些特性与翼型的弧度、翼型攻角、后弦比成正比。升力翼的设计主要体现在前鼻翼和后尾翼上，设计主要依靠不同的组成和组合方式来获得足够的负升力。气流分离的产生是由于攻角过于大或者翼型的弧度过大，这将会造成很大的气动阻力，并且要比粘性和摩擦阻力大，与此同时也会造成动力

损失。

针对FSC 赛车升力翼的特殊情况，需要选择拥有一定弧度的、升力系数较大、雷诺数较低的升力翼

翼型，以得到较大的压力[1-2]。

2空气动力学套件结构设计

2.1前翼设计

前翼的设计理念是通过选取增大升力翼的尺

寸、大弧度的翼型来提高负升力。

受到FSC 设计规则的影响，鼻翼与前轮的距离很近，

这导致了设计上必须使得前鼻翼要足够的大，

把车轮阻挡住，将气流从车轮边导过，使得气流不与车轮正面冲突，减少阻力。本次设计的前鼻翼具有三层翼型设计方案，如图

3所示，底部采用传统的两片式设计，

在前端左右两边加装短小的翼片，用于平衡气流的作用，

与此同时在中间部位加装两片隔板，分开受干扰气流和干净气流。作为气流最先到达的部位，前翼受到前轮的影响巨大，这种形式的设计能最大程度的降低这种干扰，保证对发动机散热影响较小的同时达到增加下压力的根本目的。

2.2尾翼设计

根据FSC 大赛赛事规则，尾翼得设计要求则比

鼻翼简单得多，只需要尽可能的增大负升力，提高下压力即可。经过多方面的研究和资料查询，

最终决定采用三层翼片的结构，结构的具体三维图如图4所示。顶层分布两层翼片，底部单层翼片，

侧边有导流的开槽，也是具有一定的弧度。这种翼片形式是组合式的翼片，

升力翼选择了大面积的翼片，升力翼之间留有合理的间隙和弧度，使得气流流经时能产生较大的升力系数。尾翼安装应与驾驶员头部相持平，

过高或过低会导致气流导入受到干扰，无法产生预期效果。顶层的两个翼片由于离地面的距离较远，收到地面的影响也最小，流经气流得流速也十分迅速，而处于最底层的翼面需要有较为上扬的曲线和较小的

攻角，因为它主要的作用是导流，使气流贴紧翼面滑过，并且使气流在流过时流向顶层翼片的吸力面，以便于得到更好的气动性[3-4]。

3整车空气动力学流体仿真分析

3.1流体域的建立

流体域的建立类似于风洞的模拟，如图5所示将所赛车模型放入计算好的空间里，这个外部空间就是流体域。赛车在流体域之中，

没有空间的限制，唯一与空间有所联系的就是轮胎，轮胎底部需要与地面接触，

模拟赛车在地面行驶的过程。图3前翼

设计示意图

图4尾翼

设计示意图

图5流体域

示意图

图2车轮分析示意图

Pressure （Pa ）

239.09

121.684.2761-113.13-230.54-347.95

237