中国大学生方程式赛车气动小调查结果（第一届）

1 内容简介

本调查旨在使用统一的模型简化、网格划分和计算的方法，比较不同车队风格各异的设计，找出一些规律和设计亮点，并提供一套可供参考的计算方法。

2 计算方法和验证

2.1 计算方法

本次调查使用了统一的简化规则，并提供了标准的轮胎（2种品牌3种尺寸），头盔和发动机舱模型，具体规则如下：

• 1.为方便后处理，请提交车头朝-x方向，xz为对称平面的，-y侧的整车半模，请将原点放置在车辆后轴中点在地面的投影点上。
• 2.所有翼片前缘半径>5mm，弦长>40mm，后缘为倒角（非圆角），宽度>0.5mm，缝道宽度>5mm。
• 3.除轮胎接地部分外，避免小于40°的内角。
• 4.保留主环和斜撑，其他钢管不需要画出，可自行选择是否画出前后翼支撑件。
• 5.保留悬架控制臂、推/拉杆、转向拉杆、传动轴等暴露的杆件，突出车身的前减震简化成圆柱；杆件一头插入车身，另一头插入轮胎模型。
• 6.使用文件内提供的轮胎模型
• 7.请自行建立车手身体模型，并接上文件内提供的车手头部模型，头枕和车手头部连接在一起
• 8.对于没有尾部整流罩的油车，请先删除原防火墙后的结构（除尾部扩散器），替换为文件内提供的标准发动机模型，可以在标准模型的基础上调整尺寸、更换进气装置；最后请将尾部扩散器和发动机之间的缝隙填上。没有整流罩的电车请自行简化，有整流罩的车辆保留整流罩。为了准确性，请确保防火墙的位置和大小正确。
• 9.本次活动暂不考虑散热器和排气。

多面体+棱柱层网格：

使用Realizable k-epsilon湍流模型。边界条件为速度入口（v=16.7m/s, ρ=1.225kg/m³），压力出口，地面和车辆表面为壁面，其中地面和轮胎设置了切向速度，车辆周围的地面生成了棱柱层以提高底板下方网格的质量，其他边界为对称面。

2.2 NACA0012翼型气动力计算

使用上述方法(RANS)计算了不同迎角下NACA0012翼型的升力系数。在线性段RANS计算结果与实验和Xfoil计算结果吻合。α>10°以后，由于雷诺数更小，RANS结果和Xfoil结果均小于实验值，计算的最大升力系数比实验小10.7%，比Xfoil小4.3%，因此这次调查使用的方法对边界层分离的预测可能偏保守，最大升力系数可能偏小。

2.3 网格无关性验证

对测试车划分了规模为6.5M、7.4M、8.3M、9.2M的四种网格，8.3M和9.2M的结果已经很接近，最终选用8.3M对应的设置：

3 结果和分析

3.1 负升力

所有参加车辆都达到CL·A>3，其中4辆CL·A>4，一辆CL·A>5。电车（蓝色）的平均CL·A为4.17，高于油车的3.70，主要原因应该是电车更容易设计车尾整流罩，并且水箱的布置对气动套件的限制小（虽然模型中没有体现水箱，但油车在设计时已经为水箱作出了牺牲），如果考虑水箱和排气，差距可能进一步扩大。

车身负升力占比与总负升力存在正相关，但并不绝对，武汉理工电车使用负升力不到30%的车身就获得CL·A>4，这说明了前翼尾翼的设计合理。可以看出CL·A=3~4范围的车分散在回归直线两侧，而负升力更大的三辆车更接近回归直线，这可能说明实现CL·A>3的方法多种多样，但追求更大负升力不可避免地要依靠底板。对于侧扩散器布置实在有困难的油车，使用小侧翼加设计合理的前翼尾翼，预计CL·A也可以达到3.5以上。

3.2 阻力

各车阻力没有明显的区别，平均为1.54，最大+11.4%，最小-8.66%。换算成60km/h下的功率消耗，CD·A最小的车比最大的车节省0.88kW，假设持续20分钟，可以节省0.4度电（η=75%）或0.16L汽油（η=20%, Q=43kJ/g），可以考虑是否需要为了效率分使用低阻力设计。

3.3 升阻比

升阻比和负升力系数有较强的正相关关系，这是由于纯车身(指包裹车架的部分或单体壳)不产生升力，其阻力是废阻，升阻比为0。其他组件的升阻比都大于0，增强其他组件减小了废阻的占比，进而提高了升阻比。

3.4 轴荷分配

前轴垂向载荷百分比，参考点是前轴在地面上的投影，多集中在40~50%。

3.5 设计分析

所有车队都选择了内侧小迎角的前翼方案，主翼+左右各两片变截面襟翼的设计很受欢迎，被四辆赛车采用。所有赛车都采用了侧扩散器，但是效果不尽相同。底板负压峰值Cp=-4是一个分水岭，出现Cp＜-4区域的赛车多数CL·A>4。

受举升杆限制的尾部扩散器都很小，没有起到很大作用，与完全没有尾扩散器的武汉理工电车没有明显的差距。FSG就没有要求安装举升杆，随着国内气动设计水平的提高，这根钢管已经成为学生发挥创新能力的障碍，希望FSC能做到与时俱进，取消这根钢管。

对称面流场的差异出现在尾部。虽然左上、右上和左下三辆车都采用了倾斜底板，但右上和左下赛车在z=0.4~0.8m区域出现了下行气流，气流向下偏转表明车尾产生了升力，并且扩散器出口压力会因为这股气流的阻挡而升高。使用梁翼可以将这股气流重新向上偏转，在梁翼和底板上产生额外的负升力。

可以看到侧翼攻角和侧扩底部的流速直接相关，但是受到侧翼上洗影响，左上方赛车的尾翼效果也是最差的。左下方赛车的端板产生了升力，应该增加弯度和迎角。右下方赛车尾翼的实际迎角最大，而且设计合理没有出现边界层分离，因此负升力是所有赛车中最大的。

4 总结和建议

1） 达到CL·A>4的方法很多

即使车身较宽限制了侧翼的翼展，只依靠结构简单的前翼、侧翼和尾翼，武汉理工电车也做到了CL·A>4。而结构更复杂的赛车，因为一些设计失误，很遗憾未能达到CL·A>4，只要能够避免这些失误，达到CL·A>4并不难。不过，2.2节表明本文计算方法与实验有一定差距，可能低估了一些车的升力系数。

2） 更好的气动设计需要总布置的配合

需要总布置配合的位置主要有水箱、防火墙和举升杆。水箱布置对侧扩散器形状影响很大，从气动方面考虑应该尽量靠前靠上，或者移动到其他不影响侧扩的位置。防火墙的高度决定了能否设置梁翼，关系到尾扩散器效果，油车如果能使用发动机盖阻挡下行气流可以增加不少负升力。

3） 多用翼，慎用板

每片翼都会产生一个附着涡和两个翼尖涡，只要合理利用这三个涡，无论翼是竖直还是水平的，都可以控制气流向上下左右各个方向偏转。相反前缘半径很小的板状零件很容易出现前缘分离，用扰流板阻挡脏气流，通常会让脏气流从扰流板边缘泄漏，同时制造更多总压损失。

4） 掌握原理比多算更重要

方向错了，再多努力也是远离最优解。

感谢上述7支车队及讨论群内所有车队的支持