张轩睿，周 靖，马鸣天
（北京理工大学 珠海学院，广东 珠海 519088）
赛车气动造型的完美与否对汽车的性能有着至关重要的影响[1]。当赛车开始行驶时，周围的流场也会随之运动，形成了各种各样的气动力。当赛车高速行驶时，空气阻力占据汽车大部分阻力来源，很大程度地限制着赛车的最高速度。大学生方程式汽车赛事的专用赛道上直道少，弯道多，所以尽可能地提高过弯速度是主要研究方向。研究表明，为赛车提供更多的地面附着力可以有效地提高过弯时的速度：一是使用热熔胎，增大轮胎与地面的摩擦力，从而提高赛车的地面附着力；
二是通过添加空气动力学系统提供负升力，为赛车提供向下的气动力，从而提高赛车的地面附着力。
1.1 前翼
前翼作为在赛车最前端最先接触气流的空气动力学套件，在整车的空气动力学套件的布置上有着很大的作用。图1为赛车前翼建模。利用Profili翼型库选择CH10翼型作为前翼主襟翼的翼型。双翼片结构相对于单翼结构可以在有限空间内提供较大的下压力。合理控制如图2所示的主翼离地间隙，离地间隙太低会造成主翼后半段出现气流分离，不利于翼片发挥最大的负升力，离地间隙太高会造成翼片与地面之间的文丘里效应（地面效应）减弱。合理控制襟翼的攻角，增加气流经过翼片上洗的角度，减少前轮迎风量，减少气流经过轮胎时产生的紊流，从而减少轮胎产生的空气阻力。本次选取主翼离地间隙为60 mm，主翼攻角为5°，襟翼攻角为10°。表1显示了翼型CH10在攻角为5°时不同雷诺数Re下的升力系数Cl，阻力系数Cd和升阻比Cl/Cd。
图1 前翼建模
图2 为主翼离地间隙示意图
表1 翼型CH10在攻角为5°时不同的雷诺数Re下 的升力系数Cl、阻力系数Cd和升阻比Cl/Cd
1.2 尾翼
运用Profili翼型库选取翼型CH10作为尾翼的翼型，双翼片结构可以在有限空间内提供较大的下压力。如图3尾翼的组成可以分为主翼片、辅翼片和端板。使用双翼片或多翼片结构的尾翼相对于单翼片在占有相同空间下可以产生更多的下压力。根据文献，辅翼的弦长通常为总弦长（主翼加辅助翼）的25%～30%，较大的辅助翼的弦长可达整个弦长的30%～40%[2]。如图4所示翼间间距指的是双翼片或多翼片结构相邻翼片之间的间隙，通常会让双翼或者多翼之间有一点重叠。SIMONM在MIRA风洞通过实验发现在赛车上最优的翼间间距在3.8%c最优，重叠部分为5.2%c时性能最优，c为总翼片弦长[2]。较大的端板可以保护翼片下产生的低压区，赛车行驶时减少端板外的气流因气压差流入翼片产生的低压区，使翼片发挥出较大的负升力。
图3 尾翼建模
图4 翼间间距示意图
2.1 方程式车队SP002赛车整车建模
通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）软件对有无空气动力学系统的赛车进行对比、分析和优化。完成对赛车的建模，简化了对计算影响较小的细节部分。建立流场计算域，车辆前部距离流场入口为车长的3倍，尾部距离出口为车长的7倍，计算域高度为车高的5倍，宽度为半车宽的5倍，同时考虑到模型具有对称面，取整车模型的半边以减小计算量[3]。在网格生成过程中，对前缘、后缘等复杂曲面以及轮胎与地面的接触部位进行加密。最后，将四面体网格转化为多面体网格以节省计算资源。图5和图6分别为无空气动力学系统的赛车和有空气动力学系统的赛车。
图5 为无空气动力学系统赛车建模
图6 为有空气动力学系统赛车建模
2.2 参数和求解方式
由于大学生方程式汽车赛事的专用赛道上直道少，弯道多。所以将赛车最高车速设定为20 m/s，属于低速范围。根据空气动力学理论，空气可压缩性的条件为马赫数＞0.3，即速度为102 km/h，因此，对赛车流体模拟时，采用不可压缩理论[4]。流体为空气，大气压强P0=101.325 kPa，空气密度ρ=1.225 kg/m3，空气温度T=288 K[5]。Viscous模型为k-epsilon（2 eqn），k-epsilon模型选用Realizable。动量、湍流强度、湍流耗散率的离散格式为二阶迎风。为了提高计算精度，压力速度耦合采用SIMPLEC。迭代运算次数为1500次。
2.3 边界条件
流体计算域的边界类型有进口（inlet）、出口（outlet）、管道面（wall_tunnel）、移动壁面（wall_ moving）和对称面（symmetry）。进口设置为速度进口，流速为20 m/s。设置移动壁面速度与流速相同为20 m/s，方向与流体流向相同。
由CFD软件可以得到无空气动力学系统的正面迎风面积约为0.55 m²，而有空气动力学系统的正面迎风面积为0.83 m²。由阻力系数公式：
式中，F阻为空气阻力，可由CFD软件得出；
ρ为流体密度；
v为来流速度；
A为正面迎风面积。
可以计算出有空气动力学系统的赛车要比无空气动力学系统的赛车的阻力系数要大。由负升力系数公式：
式中，F负升力为赛车下压力，可由CFD软件得出；
ρ为流体密度；
v为来流速度；
A为正面迎风面。一般认为无空气动力学系统的赛车负升力系数为0[6]，所以有空气动力学系统的赛车负升力系数要大。
由图7对称面（symmetry）压强等高线图可以看出，有空气动力学系统的赛车在前翼的加持下，赛车鼻锥部分有更大面积处于高压区，这会增加更多的阻力。从有空气动力学系统的赛车的压强等高线图可以看出前翼和尾翼产生的高压区和低压区。赛车底部产生的文丘里管效应也形成的低压区，但由于没有使用扩散器，底部的压缩气流不能更好的排出，不会产生有效的负升力。
图7 为对称面压力等高线图
由图8移动壁面（地面）（wall_moving）压力等高线图可以看出，加装前翼后，赛车前下端出现了明显的低压区。从赛车周围的压力等高线图可以看出，前翼可以梳理车身外流场，让气流更多的流经车身，将气流往赛车尾部引导，让尾翼接触更多气流，使尾翼发挥更大的作用。有了前翼对气流的疏导，减小了前轮的正面迎风面积，前轮受到的压力会相对减少，减少了阻力的产生。
图8 为移动壁面（地面）压力等高线图
从图9轮胎的压力等高线图和表2中轮胎阻力的变化可以看出：加装前翼后的赛车受轮胎阻力的影响减弱。方程式为开轮式赛车，在高速行驶过程中，轮胎与行驶时的气流直接接触，气流撞击旋转的轮胎会形成大量紊流，产生的“脏空气”扰乱车身周围的气流的同时还增大了阻力，所以前翼的作用在很大程度上减少了轮胎造成的阻力。
图9 为轮胎的压力等高线图
表2 有无空气动力学系统对轮胎阻力的影响
由表3仿真计算得出的数据可以看出，有空气动力学套件的赛车产生的阻力会比无空气动力学套件的赛车大很多，由此可见使用空气动力学 套件增加负升力的同时，导致阻力的增加也是一个不可避免的问题，所以一般用升阻比即升力与阻力之比来衡量一辆方程式赛车的气动水平。图 10显示了有空气动力学套件的赛车的外流场部分流线图。
图10 为整车外流场的部分流线图
表3 有无空气动力学系统对整车的气动影响
1）有空气动力学系统的赛车的性能比无空气动力学系统的赛车性能有明显的提升。
2）前翼的使用可以降低轮胎对车身外流场的影响。
3）使用了空气动力学系统的赛车会在一定程度上增加空气阻力。
4）前翼可以有效地减少前轮产生的空气阻力。
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