空气动力学套件的设计要点.pdf

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 类似这样棘手的问题， 我就不多说了 我选攻角的原 则就是保证变量统一， 在大梯度下做多组对比实验，找清规律后， 再做小梯度实 验15 赛季我们主要研究了襟翼前缘与主翼后缘形成的流管长度和宽度对总体 升阻比的影响第三点， 整车下压力与阻力的取舍首先问一个问题，整车的升阻比越大越好吗？答案是肯定的。

如图所示，这是保持其他变量不变，以升力系数和阻力系数为变量的圈速仿真，越靠右下角圈速越快，以颜色区分不同的圈速区间但是，如果升阻比范围已经基本确定，权衡条件就需要适当改变了举个例子吧，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， 其在图中对应的是红圈位置；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，其在图中对应的是黄圈位置很明显，后者比前者的圈速快一个区间这就可以说明并不一定是选择升阻比最大的那一点最合适，或者可以这样说不能单单追求升阻比实际的选择需要和动力，轮胎，底盘进行合理的匹配，直接由圈速上体现出来其实，上面的例子很容易解释，下压力越大，轮胎的极限附着力会越大，如 果动力系统匹配合适， 那么地面能给轮胎提供的驱动力也越大，虽然阻力一般也 是随着升力的增大而增大的， 但是最终如果额外的这些驱动力可以弥补阻力并有 余力的话，圈速自然会变快所以一般来讲，升阻比即使较最高值较小，但有足够的下压力的保证，圈速也会有相应的提升但是，如果发动机带不动，反而得 不偿失总之，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。

下面说一下导流，就目前的大学生方程式赛车来讲，其平均速度基本上在 15m/s 左右，速度比较低，在这种速度下，更容易实现导流措施因为气流在高 速下其惯性会变得特别大， 很难利用气流贴壁效应来改变其流向， 所谓贴壁效应， 就是指由于气流的粘性， 近壁面的气流会贴着墙壁流动并随着墙壁走势的改变而 改变其流向我们车队目前做的导流措施大部分是针对轮胎的减阻这是轮胎前有无挡板 的压力云图的对比， 左侧的轮胎前方放置了挡板 （为了明显地看出压力分布，云 图中没有显示挡板），右侧的轮胎直接受到气流的冲击从云图上看，左侧轮的 高压区明显减小；从数据上看则更为明显，左侧轮的阻力为1.52N，右侧轮的阻 力为 9.36N所以，减少直扑轮胎的气流是减阻的重要方面之一，也是导流的重 要实施点怎么样才能减少直扑轮胎的气流呢？答案也很简单，改变轮胎前方的气流走 向即可改变气流走向的方式大概可以分为三种，下面我将逐一介绍第一种，是最简单有效的一种，就是直接在轮胎前加挡板挡板的形式是多 种多样的， 可以是非常直接的横向板； 也可以是有一定斜度的纵向板，使气流偏 离原来的流向而流向轮胎外侧 对于有鼻翼的赛车来说， 鼻翼是个极佳的横向挡 板，从车的正前方看， 前轮被鼻翼挡住的部分是不会受到气流的正面冲击的。

这 是对于前轮， 如果要考虑到后轮的减阻， 恐怕要在侧箱上做文章了， 用侧箱把气 流挡掉一部分第二种，是利用气流的贴壁效应改变气流方向，虽不如上种方法有效，但却 是比较好布置的一种 大家应该都不会愿意为了减少轮胎阻力在轮胎前装一个大 挡板吧改变气流方向还可以分为两种， 一个是把气流往轮胎外侧导， 如左图 （俯 视图看，轮胎为右轮）；另一个是把气流往轮胎内侧导，如右图（俯视图看，轮胎为左轮）从这两个图中大家也可以看出，这种导流方案主要应用于后轮，而 且如果导流板能和侧箱整合起来的话，这个方案就会极易实现第三种，是通过引入外部气流，强制改变内部气流流向这种方案的原理也 非常简单， 大家可以这样想， 一股气流先沿着其原有的路线流动，如果这时突然 受到外部较高速气流的冲击，这股气流的流向自然会随着高速气流而改变流向 当然这种方案的在实施刚才中会存在很多问题，比如如何引流？在何处引流？引 流的效果有多大？这些都是不得不考虑的问题，但如果测试效果非常好， 自然不 失为一种理想的导流方案最后一个方面，是最重要的一点，可以说最后一点做不好的话，之前所有的 工作都是白费的 最后要说的就是风压中心对整车稳定性的影响。

风压中心的概 念，按照我的理解， 和质心的定义差不多， 就是说一个物体受到的所有的气动力 都可以简化为一个力， 其作用效果和所有气动力的同时作用效果相同，而这个力 的作用点便是这个物体风压中心在整车的跑动过程中，风压中心的位置对于整车的稳定性是极其重要的风 压中心的位置会影响什么呢？最直观的影响是前后轴的动态下压力分配，进而会 影响到车动态过程中前后轴的载荷分配比如前后轴侧向力配比为1:1 ，均为 1000N时转向特性偏中性的话， 加上下压力带来的额外500N ， 若前轴分配到 200N ， 后轴分配到 300N ，则会趋向转向不足我们其实可以利用空气动力学来适当的 调整转向特性，但如果车动态时前后轴载荷变化过于明显且不一致性会随着车速 的增加而增大， 那么就会很严重的干扰底盘对转向特性的调校与平衡所以，我 们的空套的设计时的想法是尽量保证前后轴的下压力分配与车的轴荷分配相符， 即风压中心与整车质心的尽量贴合下面说一下从前后轴的极限的角度来说明风压中心的位置对整车稳定性的 影响若风压中心在整车质心之前， 假设不加空套前前后轮的过弯极限加速度均 为 1.8G，加上空套后前轮的极限增长到2.2G，而后轮的极限只增长到2.0G，假 设过弯的向心加速度为2.1G，先突破后轮极限，显现为转向过度；如果风压中 心在整车质心之后，同理，出现转向不足。

而对于我们这样的FSAE赛车来讲， 赛道数据有限， 为了规避不可预计的影响， 所以希望动态的风压中心与整车质心 相合，才能同时提高前后轴的极限， 减少前后极限不一致而带来的短板效应的影 响，保证圈速的优势不仅风压中心相对于质心的前后位置对整车的稳定性有影响，而且风压中心 相对于质心的左右位置也会影响整车稳定性说到这里，就不得不提出侧风敏感 性的概念， 侧风敏感性， 根据我的理解， 就是说车在跑动的过程中由于受到侧面 风或车身姿态偏转引起的气流相对于车的横向移动而带来的风压中心的变化对 整车稳定性的影响程度 下面还是分析一下转弯工况下气流横向移动对整车转弯 稳定性的影响假设赛车左转， 整车载荷向右移， 由于这种四轮载荷的不均匀性， 就会产生使整车向左摆的横摆力矩，使车身姿态改变， 进而整车达到合适的出弯 角度如果考虑的左转时风压中心的右移，将会增加这个横摆力矩， 使车身姿态 改变的更快， 相应的可以出弯的给油点提前，对提高圈速是有利的 但如果控制不好这个偏移， 会使车身姿态的改变不易控制甚至失控直接调头所以，减小整 车侧风敏感性，防止风压中心过度偏移，是非常有必要的最后，说一下如何判断风压中心是否整车质心重合。

其实在一些仿真软件中 可以直接算出风压中心位置，比如Fluent 我们最常用的一种方式是看纵倾力 矩，对于 FSAE赛车来讲，从正前方看风压中心和整车质心一般会在整车中央， 所以保证风压中心在前后方向上与质心重合就行了，其表现就是纵倾力矩为零 在整车流场分析的过程中， 需要通过改变鼻翼尾翼的位置及长度来最终使纵倾力 矩为零以上便是我认为的设计空气动力学套件所要考虑的三个方面，由于能力有 限，文章难免有所疏漏， 请大家谅解 如果大家有什么问题的话， 欢迎与我交流。