大学生方程式赛车空气动力学性能仿真分析概论

河北工业大学

毕业论文

作者：丁伟峻学号： 100290 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指导者：张小俊副教授

(姓名) (专业技术职务)

评阅者：

(姓名) (专业技术职务)

2014 年 6 月 7 日

目录

1绪论 (1)

1.1课题研究背景及意义 (1)

1.2FSAE空气动力学的发展现状 (1)

1.3课题的主要任务 (3)

2 赛车空气动力学特性 (5)

2.1负升力产生原理 (7)

2.2空气动力学附加装置 (7)

3 空气动力组件与车身的CAD初步模型 (11)

4 空气动力组件与车身的前期处理 (13)

4.1 模型检查 (13)

4.2 设置网格参数 (14)

4.3 网格划分并检查质量 (15)

5 空气动力组件与车身的流体分析 (16)

5.1边界条件 (16)

5.2 外流场分析 (16)

结论 (21)

参考文献 (22)

致谢 (24)

1绪论

1.1课题研究背景及意义

空气动力学(Aerodynamics)是研究物体在与周围空气作相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的科学[1]。空气动力学特性直接影响汽车的经济性、动力性、操纵稳定性和乘坐舒适性等[2]。车身的空气动力学研究目前是车身设计的一个重要课题，是整车性能提升的一个部分。对于大学生方程式大赛，中国从2010年开始至今的四年里，国内车队有了很大程度的提升，空气动力套件也逐渐被各个车队引入到设计当中。在强度日渐更大，竞技性更强的比赛中，设计空气套件已经被提到日程里。大学生方程式是一项场地比赛，对轮胎及赛道有较高要求，在静态比赛中要求阐述方案的设计过程及仿真分析，并以此评分；在动态比赛中其最大的目标就是在保证稳定性和遵守赛规的前提下发挥发动机的最大功率，防止轮胎发生空转打滑的现象，以最快的速度完成比赛。方程式赛车追求轻量化、稳定性，这会引发轮胎附着力不足的问题，增加空气套件是最直接有效的方法。

动态比赛分为75米加速、8字绕环、高速避障、耐久赛四项。空气动力套件在高速避障和耐久赛中发挥着重要作用。组委会为限制赛车的最高车速，在赛场的布置上，70%以上为弯道，要求赛车的过弯性能必须卓越。过弯速度的快慢，直接影响圈速和最后的总时间。要提高过弯速度，轮胎的附着力要好，空气套件的作用这时候就体现出来了，通过增加下压力，使赛车的驱动力不会大于地面附着力，维持方向的稳定性和转向控制能力。

1.2FSAE空气动力学的发展现状

对车身的流体特性最直接的测试方式是风洞试验，风洞的中保持了空气动力学的相似参数，可以精确模拟汽车的行驶条件，并且可以对汽车的各总成进行测试[3]。但是风洞的建设和实验耗资相当高，并且试验周期长。计算流体力学（Computer Fluid Dynamic）作为一个独立学科迅速发展。CFD通过计算机数值模拟计算和图形显示的方法，在时间和空间上定量描述的数值解，从而达到对物理问题进行细致研究的目的[4]。随着计算机技术的发展，CFD数值模拟方法已经越来越多地应用到汽车设计当中。

目前,全世界大约有30种以上的CFD商业化软件，目前流行的大型商业化CFD软件主要有FLUENT、STAR-CD、CFX和FLOTRAN等。使用FLUENT可以进行多相流动,热传递,化学反应以及可压、不可压、定常、非定常等大量工程问题的模拟计算。CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域上连续的物理量的场,如速度场和压力场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的规则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值[5]。

CFD技术从上世纪六十年代以来发展迅速，其费用低、周期短、实验效果理想，已经成为汽车领域进行设计、分析、优化的必经步骤和重要手段。国内CFD虽起步较晚，但随着汽车制造的日益壮大，以及对汽车理论的更加深入的研究，我国正在对相关技术方法逐年增加人力、财力的投入，在这方面加大了研究力度。

对于行驶条件有特殊要求的赛车，为增加轮胎和路面的附着力，充分发挥发动机的驱动力，赛车上广泛安装了为满足高速行驶稳定性的更高要求而设计的空气动力学组件，例如定风翼、后扰流板、扩散器，都是为了充分发挥空气动力学的效率，将空气阻力降低到最小，而升力降低到零或负升力[6]。目前在国内的车队中底部扩散器被广泛应用，它是赛车发展中最有效率的空气动力组件，理论上不会产生阻力，其作用是在赛车底部形成真空，将赛车吸附在路面上，增加负升力。而定风翼和后扰流板会在产生负升力的同时产生一定的阻力。

汽车行驶过程中，会受到周围气流的空气力和力矩的作用，空气力是由行驶速度、车身外形和风向角决定的[7]。作用于运动汽车的空气力和力矩是相应六个自由度的六个分力，即沿X、Y、Z轴的分力和绕轴的力矩，坐标原点是是在前后轴的中心的地平面上（如图三）。在汽车外部，阻力分为车身表面摩擦力和压力阻力，而外形的空

图二扩散器

图一前负升力翼

气阻力占了压力阻力的60%；在内部为冷却通风通过汽车的空气流。由此可见车身外形是影响空气阻力的主要因素。

1.3课题的主要任务

首先明确大学生方程式赛车空气动力学特性，即在把空气阻力减到最小的同时尽量增加下压力，使之与更轻量化的车重相配合，增加轮胎与地面的附着能力，使赛车在高速过弯时负升力能抵抗离心力防止侧滑和侧翻。

赛车行驶过程中，正面气流主要分三个方向，即通过赛车上表面及两侧气流。车身和空气动力组件必须将这三个方向的气流适当引导，

使之不互相干扰，并且不在赛车尾部形成真空区。车身的线条必须流畅而尽量避免突出的棱角，从而避免气流的扰乱。空气动力组件包括定风翼、扰流板（尾翼）及扩散器，各个组件发挥着不同的作用。

空气阻力系数为：

（3-1）

图三 汽车空气力坐标系

式中：——雷诺数；——莫泊数；——普兰克数；——动粘性系数；——粘性系数；k——热传导率；——定压比热；——定容比热；a——轴距；f——迎风面积。

空气阻力系数是雷诺数、莫泊数和普兰克数等一些无量纲数值的函数，要减小空气阻力必须减小正面迎风面积。

：

高速行驶时，赛车周围的高速气流会对其产生向上的升力F

r

(3-2)

—式中：——空气密度；v——车辆与空气相对速度；S——车辆迎风面积；C

L —车辆气动系数[8]。

升力与车速的平方成正比，方程式赛车都追求轻量化，质量过轻车辆无法平衡高速气流带来的升力，会很大程度影响车辆平稳。本课题的一个任务是解决速度与轻量化一同增加的矛盾，即通过空气动力组件在减小车重的同时最大程度的产生负升力。

本课题是基于河北工业大学2013年方程式赛车“AERI-3”号除车身以外的系统，进行车身及配套空气动力组件的设计。基本工作步骤如下。

1.3.1 使用UG对车身各个部件进行建模。

大学生方程式大赛规则对空气动力组件的规定

（1）位置要求：从俯视图看，任何空气动力学装置（如负升力翼、底部导流板及分流片）都必须满足一下要求[9]：

a.不可以超出前胎前端762mm（30英寸）。

b.不可以超出后胎后端305mm（12英寸）。

c.不可以比前胎外侧或者后胎外侧二者之中最宽的更宽（以前轮中心高度为测量标准）。

（2）空气动力学装置边缘的最小半径要求：所有的定风翼（包括负升力翼、端板及各种尾翼）可能接触到行人的部件必须满足半径不小于1.5mm（0.060英寸）（3）地面效应设备：禁止使用有动力驱动的可以控制空气流动的装置，转外散热的风扇除外。禁止使用动力地面效应装置。

模型的建立必须满足上述规则，保证安全性与通过车检是比赛的一切前提。

1.3.2 前期处理。三维模型建立好以后，将它分成小网格以供后续分析计算。

1.3.3 边界条件设定。将划分好网格的模型导入FLUENT软件，定义各项参数，给定合理边界条件。

1.3.4 FLUENT计算结果。评价该模型是否符合技术要求，并进行优化，直到得到合理的结果。

2 赛车空气动力学特性

空气动力学在赛车领域的应用，主要是让空气在赛车高速行驶的过程中的高速相对流动产生的气压对赛车形成有利影响[10]。在课题研究中，可看作车运动，大气不动，当车速达到某种程度，空气流动的影响便会产生很大的作用，如能引导得当，能变成有利因素，否则会严重阻碍赛车行驶甚至发生事故。一般车速超过100 km/h时，气流对车辆产生的阻力就会超过车轮的滚动阻力，这时就必须考虑空气动力的影响。如图2.1所示。气动力对赛车的影响，还包括发动机的进排气、车辆行驶的稳定性、过弯速度、刹车距离，甚至轮胎温度等。

空气动力学在赛车领域的应用，主要是让空气在赛车高速行驶的过程中的高速相对流动产生的气压对赛车形成有利影响[11]。在课题研究中，可看作车运动，大气不动，当车速达到某种程度，空气流动的影响便会产生很大的作用，如能引导得当，能变成有利因素，否则会严重阻碍赛车行驶甚至发生事故。一般车速超过100 km/h时，气流对车辆产生的阻力就会超过车轮的滚动阻力，这时就必须考虑空气动力的影响。如图2.1所示。气动力对赛车的影响，还包括发动机的进排气、车辆行驶的稳定性、过弯速度、刹车距离，甚至轮胎温度等。

赛车的空气动力学属于低速空气动力学，高速流与低速流的空气压缩性能有很大差别，通常用M 数（马赫数）来划分，定义流速V 与大气中声音的传播速度a 之比为M 数，则M=V/a 。M ＜0.3是低速范围，汽车、滑翔伞，以及多种球类运动属于这个范围。

在赛车行驶过程收到的众多作用力中，负升力是赛车空气动力学的主要研究对象。运用负升力原理来改善赛车性能的措施被证明是极其有效的，在不增加赛车质量的前提下，负升力改善了轮胎与地面的附着状况，提高了动力性和操纵稳定性。轮胎侧滑角与侧向力及轮胎载荷的关系可以由图2.2看出。轮胎所受的垂直载荷包括负升力、赛车自重和车手体重，为提高赛车的过弯能力，会增加赛车附着力的设定值，通过优化设计附加装置即负升力翼，可以增加轮胎载荷。随之产生的弊端是增加空气阻力，降低赛道上的直线速度。为减小这一弊端，往往将赛车车身设计成楔形，整体趋于扁平，迎风面积减小，从而空气阻力减小。使赛车获得足够负升力和减小赛车高速行驶的空气阻力是本课题的主要研究问题。

赛车的空气动力性能的好坏直接影响车手的圈速以及最后的总时间。在襄阳赛道上，弯道所占部分超过百分之70%。所以拥有良好的空气动力性能的赛车意味着具有更大的优势，而且在规则在一定程度上限制了发动机的功率，即限制了最高车速，在必要的时候，可以牺牲一部分直线赛道的极速，将气动附加装置偏向提高弯道性能的方向设计，在减小阻力与增大负升力之间找到平衡点。 图 2.2 轮胎侧滑角与侧向力及轮胎载荷的关

系

图2.3 有无负升力作用的赛车侧向加速度

2.1负升力产生原理

赛车上所使用的升力翼原理与飞机的机翼是相同的，只是飞机机翼是产生向上抬升的力，赛车要产生向下压制的力。机翼截面的形状如图2.4所示，设计成上边缘比下边缘长，空气流经机翼的时候，被分成两个方向，一部分从上面经过，一部分从下面经过，然后在翼片后方重新聚合。机翼上表面更长，空气流速比下表面快，其密度减小，气压相应减小，下方压力比上方压力大，从而产生升力，而且速度越大压力差越大[12]。压强与流速的关系可以由伯努利方程得到，方程表述为：

P+0.5ρv2=常数（1-1）其中P是压强，ρ是流体密度，v是流体速度[13]。

把机翼倒过来，就能产生相反的气动效果，产生向下的压制力。赛车简单的负升力翼模型由此而来。然而负升力原理在赛车上的应用与飞机还是有些区别，前负升力翼收到强烈地面效应，以及车身、轮胎、其他气动附加装置的影响。外流场的参数随着车身外部的流态变化而变化[13]。

2.2空气动力学附加装置

产生负升力的区域主要位于三个位置：前负升力翼装置、底盘、后负升力翼装置[15]。这也是赛车空气动力学的主要研究目标。一辆赛车空气动力学特性的优劣取决于这些部位的精细程度。赛车的负升力由这些装置来提供，在高速过弯的时候使轮胎有足够的附着力，防止侧滑，发动机的功率能够最大程度地得到利用。气动附加装置的优化很难用理论解决，需要根据每个赛道的特点进行改进并不断完善，利用仿真软件和实验甚至试车进行验证。

2.2.1前负升力翼

图2.4 机翼受升力原理

前负升力翼是赛车最前端的装置，起到引导气流的作用。它决定着气流通过上下车身、扩散器以及后负升力翼的比例和方向。前负升力翼可以抵消赛车高速行驶时自然产生的升力，增大前轮的地面附着力，改善转向性能，同时还可平衡后负升力翼引起的车头上仰的力矩，起着非常重要的作用。因为大学生方程式赛车属于中置后驱，质心偏后，如果前轮附着力不足，容易产生转向不足，使赛车不能按照车手的意图来行驶，降低了操纵稳定性。

前负升力翼上往往设置襟翼（如图2.5），襟翼的攻角α与离地间隙h对负升力系数C L和空气阻力系数C D有较大影响，在翼面几何尺寸不变的条件下，总负升力C Ltot 与襟翼攻角α成二次曲线关系，前翼负升力C

Lw

与攻角α成线性关系（如图2.6）。相反地，总气动阻力C Dtot与攻角α成线性关系，前翼气动阻力C Dw与攻角α成二次曲线关系（如图 2.7）。前负升力翼离地间隙与负升力系数、空气阻力系数关系如图2.8[16]。

图2.5 襟翼

图2.6 C Ltot、C Lw与α的关系图2.7 C Dtot、C Dw与α的关系

2.2.2后负升力翼

后负升力翼（即尾翼）作用于赛车后轮，使其附着力增加，如果在过弯时后轮发生侧滑，会让赛车产生转向过度，也是不稳定的工况。而且尾翼有提高起步能力和入弯前制动的制动性能。设计尾翼涉及的参数主要有尾翼与车身表面的距离、以及尾翼攻角。

其一是尾翼与车身表面的距离，通常用尾翼距离车身表面距离h与赛车轴距l之比来描述，一般取0.25＜h/l＜0.62。尾翼距离较高时可以不受气流干扰，较好地发挥作用，但是支架过高容易产生剧烈振动甚至断裂，一般不宜超过800mm。

其二是尾翼与地面的距离，尾翼最低点与地面距离为h，翼片截面两个端点间直图2.8 前负升力翼离地间隙h与负升力系数、空气阻力系数