FSC赛车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。
汽车外流场分析-前期报告
河北工业大学2015届本科毕业设计（论文）前期报告毕业设计（论文）题目：汽车外流场分析研究专业（方向）：车辆工程学生信息：110324、田野、车辆113指导教师信息：86024、武一民、教授报告提交日期：2015年3月23日内容要求：1.研究背景随着汽车工业的不断发展和制造技术的快速提高，汽车的外部造型和气动特性受到了极大的关注。
汽车气动阻力在很大程度上影响着汽车性能，尤其对于高速行驶的汽车，气动力对其性能的影响占主导地位，因此良好的空气动力稳定是汽车高速、安全行驶的前提和必要条件。
因此，在汽车开发过程中，研究并优化汽车的空气动力性能非常重要。
空气动力学是来自于汽车外部的约束条件，它主要研究的是汽车的气动特性，其研究成果不仅直接影响着汽车的动力性、燃油经济性、操纵性、稳定性、舒适性、安全性等，还间接影响着轿车的外观款式及审美的流行趋势【1】。
汽车行驶时所受的空气作用力可以被分解为阻力,升力,侧向力,横摆气动力矩,纵倾气动力矩,侧倾气动力矩6个分量。
在这6个分量中,由于当今汽车空气阻力所消耗的动力至少和滚动摩擦相当【2】，所以长期以来空气阻力系数的大小就成为衡量汽车空气动力性能的最基本的参数,因此汽车空气动力学的最主要的研究内容也就是设法降低汽车的空气阻力系数。
减小空气阻力主要是通过减少汽车的迎风面积和空气的阻力系数来实现，一般而言迎风面积取决于汽车的体积，空气阻力取决于车身造型。
因此，汽车车身紧凑和流线形是提高燃油经济性、充分发挥汽车动力性的途径。
不同的车身造型会使得车身风压中心的位置不同，汽车在高速行驶的情况下，因受到气动侧向力的作用而使得汽车轮胎的附着力减小，造成汽车极其容易跑偏，即使得汽车的操纵稳定性有所下降【3】。
因此，车身气动造型的完美与否对汽车的性能有着至为重要的影响。
不同的气动造型会给车身带来不同的气动力效应,从而影响到汽车的各项性能。
良好的气动造型设计应该具有较小的气动阻力系数。
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。
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。
FSC赛车发动机排气管道设计与分析
FSC赛车发动机排气管道设计与分析倪彰;王卉【摘要】基于FSC大赛规则,对赛车用CBR600发动机排气管道进行设计分析.确定了排气管道的总体布置方案,并利用流体力学相关知识,分析发动机排气道中的气流波动效应及能量损失情况,运用FLUENT软件进行流场特性分析,通过对比模拟出来的的压力云图和流速矢量图,提出排气管道改进措施.【期刊名称】《中国设备工程》【年(卷),期】2017(000)020【总页数】4页(P124-127)【关键词】排气系统;布置方案;Fluent;流场分析【作者】倪彰;王卉【作者单位】江苏理工学院汽车与交通工程学院,江苏常州 213000;江苏理工学院汽车与交通工程学院,江苏常州 213000【正文语种】中文【中图分类】U464中国大学生方程式汽车大赛（FSC）是由中国汽车工程协会针对汽车专业及其相关专业的在校大学生举办的自主设计与制造汽车的比赛，竞赛分为两大类，分别为静态陈述和动态测试。
发动机是赛车的重要组成部分，发动机的换气效率对赛车动力性有很的大影响。
排气系统作为发动机的一部分，其基本功用是将发动机做功所产生的废气排出体外，其布置形式的选择以及结构参数的选定对发动机的排气通畅性有着重要意义，影响赛车的动力性能。
本文选用符合大赛规定的CBR600发动机，对其排气系统中的排气管道进行分析。
排气管道由排气歧管和排气总管组成，针对赛车情况，对比分析排气管道的布置形式，利用FLUENT软件对发动机的排气管道进行流场特性分析，得出排气管道的压力云图以及流速矢量图，分析管道内的流体压力及流体流速的分布情况，从而得出有效改进发动机排气管道的方法。
此次选用CBR600的四缸发动机。
由于发动机内产生的废气在流经排气歧管后要聚拢在一起排出，因此排气系统有三种布置方式，分别为4通道至2通道式布置、4通道至2通道至1根排气管式布置和4通道至1根排气管式布置。
（1）方案1：选用4至2式布置。
四通道至二通道式布置方式，如图1，此种布置方式设计简单，管道弯曲少利于废气的排出，但缺点是此种布置废气的扩散空间小，因此管道内不能产生足够的负压，且需要在赛车的左右两端各安装一个消声器，成本太大，故不予考虑。
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。
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
FSC赛车空气套件CFD优化设计
FSC赛车车架的静态结构与模态分析
FSC赛车车架的静态结构与模态分析阎力;史青录;连晋毅【摘要】以太原科技大学万里车队自主研制的首辆FSC赛车车架为研究对象,基于CATIA和Hy-perMesh软件平台,分别建立车架的几何模型和有限元模型,利用有限元原理对车架进行多工况下的静态结构与自由模态分析.分析结果表明,车架强度与刚度均符合要求,同时车架低阶固有频率未与外界激励重合.避免了共振现象.经验证,该设计安全可靠,可为我校日后参赛提供保障.【期刊名称】《太原科技大学学报》【年(卷),期】2017(038)002【总页数】6页(P98-103)【关键词】FSC赛车;车架;刚度;静态分析;模态分析【作者】阎力;史青录;连晋毅【作者单位】太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024【正文语种】中文【中图分类】U469.696大学生方程式汽车大赛起源于美国，是一项由高等院校在校生参加的汽车设计与制造竞赛，简称FSAE(Formula SAE)，目前全球已有10余个国家举办，2010年中国汽车工程学会将该项赛事引入国内并命名为FSC [1]。
在FSC项目中，车架是支承车身的基础构件，作为安装基体，它承载并连结所有的系统组件(包括发动机、传动、悬架等)，同时承受这些组件的重量和传递给车架的各种复杂载荷。
因此，车架性能的优劣将影响整车的表现[2]。
现针对我校首辆FSC赛车车架，简述其设计流程并分析在多种典型工况下的静态结构与模态特性。
1.1 车架形式FSC赛车车架的结构形式主要包括空间管阵式、单体壳和混合式(前单体壳后空间管阵)三类。
单体壳重量轻、扭转刚度大，但成本高昂、设计复杂、工艺要求高、维修困难，目前国外车队运用较多。
相对而言，空间管阵式车架结构简单、成本低廉、方便制造、易于维修，现阶段国内FSC赛车车架仍普遍采用该传统形式进行设计和优化，并以此作为单体壳的低成本可持续替代品。
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. FSC 赛车空气套件CFD 优化设计［J ］ . 汽车实用技术，2014（3）：22 − 27.［8］曾飞云. 万得FSC 赛车空气动力学特性研究［D ］ . 锦州:辽宁工业大学, 2014.［9］（编辑：韩琳）• 科研快讯 •我校李文尧副教授带领的先进储能与传感材料团队在国内主办的中科院一区期刊Green Energy & Environment 上发表了以“Realizing optimal hydrogen evolution reaction properties via tuning phosphorous and transition metal interactions”为题的研究成果.20世纪以来，国内经济的快速发展和能源消耗，迫切需要大力发展清洁可再生的清洁能源推动未来经济发展，氢能作为一种可再生能源，成为未来能源发展的重要角色之一. 电解水析氢是氢能获取的主要途径，在这项研究工作中，该团队利用过渡金属掺杂和调控策略合成一种Co-Mo-P 化合物（非均相Co x Mo 1−x P 纳米阵列），发现通过掺杂形成的包含两种掺杂的化合物的金属磷化物和金属氧化物的纳米片层，以不完全磷化的状态和掺杂的氧化物共存的形式能有效提升电催化剂析氢能力，同时可通过调控不同金属的掺杂比例来优化催化性能. 发现Co 、Mo 金属掺杂的结构有效降低电解水析氢（阴极端）和析氧（阳极端）的电位. 最终，获得材料作为析氢催化剂获得的过电位只有51.2 mV （10 mA•cm −2时）. 同时，作为另一极电催化析氧催化剂也获得了较低的过电位353 mV （10 mA•cm −2时）. 此外，在20 h 稳定性测试过程中性能基本不变，并且作为电解水的阴阳极，获得的全水解的过电位只有1.603 V （10 mA•cm −2时），是性能优异的双功能催化剂. 该项工作得到国家自然科学基金、上海市“晨光计划”、中央高校创新基金以及英国工程和自然科学研究委员会基金的支持.· 60 ·上 海 工 程 技 术 大 学 学 报第 35 卷。
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。
FSC赛车翼型的选择与二维流场分析
FSC赛车翼型的选择与二维流场分析在设计FSC赛车空气动力学套件时翼型的选择十分重要，合适的翼型能够在产生较小阻力的前提下大幅度提高赛车的负升力，从而提高赛车的操纵性。
文章借助prifili翼型软件选择合适的翼型，再根据FLUENT得出最大攻角以及翼片的相对位置，从而设计出符合自己要求的空气动力学套件。
标签：翼型；FLUENT；流场分析1 翼型的选择及设计在赛车领域空气动力学的应用是很广泛的，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FSAE的赛车上面，给赛车加装空气动力学套件，使其的操纵性能得以提升。
这里所言空气动力并不是要把空气变成赛车的动力，而是让空气在赛车高速行驶过程中气体的高速相对流动而产生的气压变成对赛车有利的力量。
在空气动力学套件又包括前翼、尾翼、底部扩散器，本文将对前翼、尾翼翼型的选择进行介绍，翼型的几何参数如图1所示：翼型的主要影响参数有前缘半径、相对厚度、相对弯度及雷诺数（Re），其中前缘半径和相对弯度增大，最大升力系数增加；当相对厚度较大时，升力线斜率也将随相对厚度增大而增加。
综合以上因素，再考虑到加工的难易程度，我们选取了GOE226、GOE430、GOE441、GOE502这四种翼型进行进一步的分析。
四种翼型的参数如表1所示：在雷诺数（Re）的影响因素上，由于大学生方程式汽车大赛的规则限制，在比赛场地中放置多个桩桶，使得赛道弯道较多，在耐久赛时平均速度为20m/s 左右，因此文章选取低Re数的翼型。
雷诺数，是应用最广泛的无维参数之一，公式为Re=pVL/μ。
其中，p为流体密度，V为来流速度，L为物体特征长度，μ为流体粘度。
粘性流的流动状态对实验结果的影响很大，通常利用雷诺数来判定流动状态是层流还是湍流。
对于圆管流动，当Re小于2300时，管内一定为层流；当Re大于8000-12000时，管内一定为湍流。
根据经验，在做翼片研究中，我们可以认为流过翼片的气流是层流。
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）。
FSC赛车空气套件CFD优化设计
FSC赛车空气套件CFD优化设计邓召文;王兵【摘要】在满足FSC赛车设计规则要求前提下,对空气套件进行了结构优化设计,重点完成了赛车尾翼的优化设计和分析.利用CFD技术对赛车车身模型进行了外流场分析,并通过在赛车尾部加装不同间隙和攻角的尾翼,进行车身外流场模拟对比分析,研究尾翼在改善赛车气动特性方面的影响规律,研究确定了空气动力学装置在不同比赛项目时的调教策略.通过对比分析赛车车辆周围气流的压力分布和速度分布规律,研究高速赛车的负升力效果,对于提高赛车的操纵稳定性和安全性具有非常重要的意义,对于指导赛车尾翼的正确安装、确定尾翼在不同比赛项目时的调教策略有一定的指导意义.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】6页(P22-27)【关键词】FSC赛车;尾翼;数值模拟;CFD【作者】邓召文;王兵【作者单位】湖北汽车工业学院汽车工程系,湖北十堰442002;湖北汽车工业学院汽车工程系,湖北十堰442002【正文语种】中文【中图分类】U462;TP391.7CLC NO.:U462; TP391.7Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-22-06世界大学生方程式汽车大赛FSAE创办至今已经有三十多年的历史，随着FSAE比赛水平的不断提高，赛车发动机、底盘技术日益走向成熟，赛车设计者们将借鉴和研究的方向转向最高水平的F1方程式赛车，从F1赛车优异的空气动力学技术上找到更高的跳板。
于是众多强队都开始对赛车的气动性能进行深入探究，设计了很多带有空气动力学套件的赛车。
为了提升湖北汽车工业学院HUAT车队赛车的技术水平，提升赛车的操纵稳定性，本文从空气动力学的角度出发，利用CFD技术对赛车空气套件前后扰流板的截面形状进行合理选型及结构优化设计，对空气动力学装置在不同比赛项目时的安装策略进行了研究分析。
1.1 三维数字化建模首先用CATIA软件IMA模块对车身进行结构设计，同时运用GSD模块分割出散热器进风口，并利用profili翼型软件对前后扰流板进行初步优化选型与建模，如图1所示。
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。
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。
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作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
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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1.71.61.41.31.21.17983828180Downforce 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 ）239.09121.684.2761-113.13-230.54-347.95237Equipment Manufacturing Technology No.06，2018图7整车仿真分析压力云图2.45e+021.16e+021.88e+021.59e+021.30e+021.01e+027.21e+014.32e+011.436e+01-1.46e+01-4.34e+01-7.23e+01-1.01e+02-1.30e+02-1.59e+02-1.88e+02-2.17e+02-2.46e+02-3.32e+02-3.61e+02-3.90e+02-4.19e+02-4.48e+02-4.77e+02-5.05e+02-5.34e+02-5.63e+02-5.92e+02-6.21e+02-6.50e+02-6.79e+02-7.08e+02-7.65e+02-7.94e+02-8.23e+02-8.52e+02-8.81e+02-9.10e+02-9.39e+02-9.67e+02-9.96e+02-1.03e+03-1.05e+03-1.08e+03-1.11e+03-1.14e+03-1.17e+03-1.20e+03流体域一般在仿真过程中被设置成为一个长方体，具体地长宽高和所计算地模型尺寸有所关联。
流体域有边界条件，在建立域之前，先了解车身三维模型地数据参数。
车身前地入口边界处前越需要2~3倍车长，后面约为5~7倍车长，高度约5倍车高，左右约为2~3倍车宽，车轮按照上述所说与地面接触。
3.2网格划分划分网格对于CFD 仿真来说是极为重要的部分，无论是需要精准的计算还是分析模拟出流场之中流体的运动情况，都需要细腻的网格划分来虚拟出物质以及流体。
一般网格划分需要用到ICEM 模块，大体的划分过程从面网格开始，然后设置密度区，接下来是体网格，最后则是边界层。
针对于面网格的划分，由于计算机是位二进制计算方法，所以各个部分网格数据最好选用2的阶层来划分。
密度区简而言之就是对所选模型的周围区域生成适合的密度。
按照顺序生成网格，根据设计过程中的参数，数量会有所不同，并且随着数量的增多，计算得到的数据也相应的更加准确，而且划分的图形形状越标准，计算所得结果越迅速，并且还能保证良好的收敛性。
整车网格划分如图6所示。
3.3流线分布经过计算以后，得到了车身表面压力云图，如图7所示。
从图片中可以看出，前两个车轮、车身前端和驾驶员头部压差阻力十分的明显，这些地方都是处在迎风面的受力之处。
如图8所示对赛车对称面速度分布云图进行分析。
从图中可以看出，气流在流经驾驶员头顶的时候，速度达到了巅峰。
气流沿着车身流动，再遇到驾驶员车身前遇到了阻碍，在车身前形成了涡流，使得后面的气流受到了阻塞，使驾驶员受到了冲击。
在赛车高速行驶时，危险等级达到较高的层次，可能会很大程度上对驾驶员的头部和脊椎造成较大的负担甚至于不同程度的损伤。
从各个分析示意图中还可以看到，赛车的尾部在运动过程中处于极其不稳定的状态，因此需要加装尾翼以保持整个车身的稳定性。
尾翼的位置大概与驾驶员头部相持平，以获取较大的气流速度，并且也不会因为重心过高过低而造成侧翻或丧失其应有的效应。
4结束语本文通过分析与计算赛车定风翼空气动力学特性、优化翼型攻角、优化扩散器离地间隙并且运用FLUENT 对空气动力学套件进行网格划分、求解边界条件、仿真其流线分布。
其结果表明该分析方法切实可行，符合设计要求。
设计参数及分析结果可为方程式赛车空气动力学套件结构设计提供理论依据。
图6车身网格划分图8赛车对称面速度矢量图3.94e+013.86e+013.79e+013.71e+013.63e+013.55e+013.47e+013.40e+013.32e+013.24e+013.16e+013.08e+013.00e+012.93e+012.85e+012.77e+012.69e+012.61e+012.54e+012.46e+012.38e+012.30e+012.22e+012.15e+012.07e+011.99e+011.91e+011.83e+011.75e+011.68e+011.60e+011.52e+011.44e+011.36e+011.29e+011.21e+011.13e+011.05e+019.73e+008.95e+008.16e+008.16e+007.38e+006.60e+005.82e+004.26e+003.48e+002.69e+001.91e+001.13e+003.49e-01238《装备制造技术》2018年第06期Modeling and Flow Field Analysis of the FSC Vehicle Aerodynamics SuiteZHENG Yan-li ，ZHANG Xing ，GU Di ，BA Bing-quan ，NI Zhang（School of Automotive and Transportation Engineering ，Jiangsu Institute of Technology ，Changzhou Jiangsu 213000，China ）Abstract ：In view of the FSC car body ，use the method of integral optimization of air dynamic suite of CFD flowfield simulation ，analysis of the effect of the front wing ，tail wing and diffuser on the performance of the car ，the simulation and analysis results show that the design of aerodynamic kit for speeding car and steering stability and so on ，all have improved significantly.Key words ：FSC racing ；aerodynamics kit ；CFD simulation ；maneuvering stability参考文献：[1]贺晓斌.大学生方程式赛车的车身气动造型的整体优化设计[D].太原：中北大学，2016.[2]孙文.基于CFD 的低速赛车前后翼设计[D].长沙：湖南大学，2016.[3]肖宝兰，张宇，孙树礼，等.一种提高赛车操纵稳定性的空气动力学套件及其设计方法[P].CN201521059177.5，2016-04-13.[4]谭正平，黄海波，王永忠.FSAE 赛车发动机进气系统结构参数优化[J].西华大学学报（自然科学版），2017（1）：82-87.The Folding Method and Mechanical Calculation of Large Wharf ModulesCHEN Xin-yi ，GU Shu ，CAI Chen-chen（Technology Department ，Nantong COSCO Heavy Industry Co.，Ltd.，Nantong Jiangsu 226000，China ）Abstract ：Due to the shortage of crane ’s lifting force and direct hoisting ，the structure of the dock module is easily collided with the support to cause structural deformation ，paint breakage ，and difficult repair.In order to solve the above problems ，a folding method of the Large Wharf Modules is discussed ，and the mechanical analysis of the stability of the component is carried out.Through the construction practice ，it is proved to be reliable and feasible.Key words ：wharf modules ；folding ；the mechanical analysis[2]陈进仁，张艳清.既有桥梁上加设大跨度钢梁吊装施工技术[J].公路工程，2013（5）：221-224.[3]朱张峰，郭正兴.47m 跨钢连廊整体提升施工技术[J].施工技术，2013，42（23）：111-113.[4]中华人民共和国国家标准.GB/T 3811—2008起重机设计规范[S].北京：中国标准出版社，2008.（上接第213页）Fracture Failure Analysis and Prevention Measures for the Cylinder Liner of 4102B EngineXIA Shao-Tong ，WEI Wei（Dongfeng Chaoyang Diesel Co.，Ltd.，Chaoyang Liaoning 122000，China ）Abstract ：Diesel engine cylinder is the main bearing part of piston reciprocating motion friction.During the pro -cess of use ，the quality accident of cylinder block happen a bined with the structural characteristics 4102B diesel engine for positioning cylinder sleeve on thin-wall dry type upper stopper ，cylinder casing materialand processing of cylinder block ，installation and coordination of cylinder liner are analyzed ，the main points of control in the process of production and processing are confirmed ，and the correct preventive measures can be tak -en to avoid the failure of cylinder liner effectively.Key words ：diesel engine ；cylinder liner ；fault ；crack（上接第232页）239。