It Dose Work in My CFD ！
前言
在2020 FSC比赛结束后，我们筹备了第一届中国大学生方程式气动小调查，通过比较几台赛车风格各异的设计，总结出一些规律和设计亮点，为FSCer提供设计灵感。在开始本期之前，各位不妨先回顾上届气动小调查的精彩内容：中国大学生方程式赛车气动小调查结果（第一届） – FSAERO.org
2022气动小调查将继续以横向对比的方式，通过多种后处理图像，尽可能显示各赛车外流场的特征，并总结设计中的得分/失分点，欢迎赛车空气动力学爱好者留言交流。
本次参与调查的共有3台电车、6台油车、1台概念车，分别是：
1 计算方法
模型的简化规则、物理模型与第一届气动调查保持一致，网格划分上将棱柱层改为增强层以保证边界层网格的质量，具体设置此处不再赘述。
2 数据分析
2.1 气动力
- 如表2.1所示，共4台赛车实现CLA>4：河北工程、哈工大、武汉理工依靠他们强劲的底板和其他车队拉开差距，而概念车由于不需要过多考虑加工难度和赛车总布置，可以通过更多手段来优化流场、使前尾翼和底板均得到不俗的性能。各队底板的性能差距远超各队前、尾翼性能的差距，一方面说明底板的设计难度之大，另一方面也说明各队的下压力具有较大的提升空间，可从优化底板入手；
- 由表2.2可知，即使各赛车前翼下压力水平相差较大，但其阻力却均为30~40N，各队阻力的差距主要源于车身和尾翼，可以看到各赛车的车身与尾翼的阻力基本持平、且远超前翼阻力。
- 由表2.3可知，整车下压力的提升伴随着阻力的增加。
- 由表2.4可知，前、尾翼的下压力水平与整车下压力水平也没有绝对的线性关系，由表4的横坐标可知，即使不考虑底板的下压力，各队的下压力水平仍有明显的区别；
- 由表2.5得，底板下压力大是整车下压力大的充要条件，既因为大尺寸的地效部件有着不俗的性能，也因为FSAE狭小空间使得底板设计难度较大，一般能够将底板设计好、前尾翼也不会差。
2.2 升阻比
有趣的是，与2020气动小调查的整车下压力越大、整车升阻比越大的现象不同，参与2022气动小调查的各台赛车在整体上并没有明显的规律，倘若将他们按表2.6中的蓝、绿分组才能得到下压力越大、升阻比越大的结论，这其中蕴含的原理还不得而知，或许只是因为各家在FSAE设计中缺少对减阻设计的考虑吧？
对于下压力较大、升阻比较大的底板而言，其性能与整车升阻比仍没有确定的关系，但值得注意的是哈工大、河北工程、华南理工广州学院在表2.6、表2.8、表2.9中均处于绿线，其余车队按某种方式也可同时处于蓝线。下压力相同时，绿线中的车队升阻比较高，从这个角度而言，他们的设计更值得参考。
2.3 前轴气动载荷百分比
大多数车队前轴气动载荷在（45~50）%，以保持转向特性的稳定，但车辆实际行驶伴随着侧风以及车身的俯仰和侧倾，前轴气动载荷百分比会有所变化，因此直线稳态的仿真结果并不能说明太多问题。由于缺乏严谨的仿真方法，目前比较可行的方法是：各车队可根据车手的驾驶反馈对风压中心进行调整。
3 后处理结果分析
不得不说，“颜值就是战斗力”，气动性能强的赛车一般具有协调、帅气的外观，也有着富有张力的后处理图像。
观察图3.1，对于赛车上表面：
- 所有车队可以保证前、尾翼的上表面维持在较高压强，这是因为前翼为最先接触气流的空套部件、尾翼Z向尺寸大且在设计时有考虑避开乱流。
- 而侧翼受到前轮乱流和前翼上洗气流的影响，大多数车队的侧翼上表面压强并不高。为使侧面也利用到上表面的正压，湖北汽院使用了肩翼，较高的摆放位置避开了低处的乱流；西安交大、河北工程、哈工大、武汉理工使用了较大的襟翼攻角，得到一些正压的堆积；概念车采用低矮的前翼内侧襟翼、前翼上外洗的扰流板等手段使侧翼上表面尽量避开不利气流。
- 优化前翼对气流的梳理是提高后方部件效能的前提：来流经由前翼，后方部件便不再享受其流向平直、蕴含能量的好处，因此就必须考虑如何减少前翼造成的乱流和上洗、或者将它们引导到别处，各家理念各异的襟翼、导流板设计就是出于此目的，但襟翼的设计又直接影响前翼自身的下压力，如何平衡好前翼自身性能与后方部件的来流是前翼设计中最值得思考的事情。
观察图3.2，对于千差万别的赛车下表面：
- 大部分车队都能保证前翼下表面有足够强的负压，因为前翼的来流最为优质、也有地面效应的加持，大部分车队的前翼设计合理、主翼未出气流分离。
- 多支车队的尾翼下表面暴露于乱流中，例如北航、华侨大学、湖北汽院、湖南大学，只有很少的尾翼主翼体现出较强的负压，部分赛车甚至第一襟翼的最强负压强于主翼，不利于提高升阻比，例如西安交大、武汉理工；一部分尾翼受驾驶员、头枕的影响较大，尾翼下表面的强负压明显被从中间分开，不利于下压力和升阻比的提升，例如北航、武汉理工。这与前文的各部件气动数据相一致。
- 所有赛车均配备了尾部扩散器，强负压聚集在扩散器拐点附近，但相比于大尺寸侧翼最低点，尾扩的作用就相形见绌了，这也正是FSAE的特点：①尺寸夸张的地面效应套件带来的优势是其他赛车所不能比拟的；②过于强大的侧翼造成的多处气流分离也削弱了尾扩的作用，结合这2点，FSAE中侧翼必然比尾扩更为强大。
- 侧翼产生下压力的手段不仅是纵向的文丘里管剖面，也有一部分是因为利用了横向气流，例如西安交大侧翼端板处的翼尖涡在侧翼下方产生了较为明显的负压、哈工大水平翻边的翼尖涡在边缘处产生了一定的负压、概念车使用弯曲的侧翼翻边在干净来流的加持下产生了不亚于主翼的负压。
- 与尾翼一样，侧翼最首要的仍然是来流的质量，仅有少部分赛车的侧翼没有被大量乱流覆盖，例如河北工程、哈工大、武汉理工、概念队，值得一提的是这恰好是-CL·A＞4.0的分界线，而其余车队最明显的问题是前翼造成过多的气流分离、而非我们通常所认为的前轮喷流，再次印证前翼的重要性。
- 对于-CL·A＞4.0的几辆赛车，前轮喷流似乎才产生了些许影响，由图3.3可见，前轮喷流的横向扩展与侧扩底部强负压的面积成反比，武汉理工的前翼端板产生了过多的气流分离、也造成了最大的前轮喷流；河北工程和哈工大的前翼则很好地照顾到了底板地进气；概念采用轮胎内侧的扰流板、产生一对翼尖涡限制了喷流的向内发展，其近地面的轮胎乱流也最小。
※但此处需要注意的是河北工程、哈工大、概念队采用的是圆角较大的Hoosiers轮胎模型，而武汉理工采用的是较为凌厉的Continental轮胎模型，虽然轮胎与地面接触的处理不够严谨，但轮胎的外形绝对是造成上述差异的一个重要因素。
为进一步分析气流流动机理，观察Y=0、Y=0.4m、Y=0.6m处的速度矢量图，如图3.4所示。
- 组合翼的设计仍然是不可缺少的基本功，优秀的翼片组合是门槛较低的武器，极具性价比。例如，2022年河北工程的前、侧、尾翼均采用了组合翼形式，与2020年武汉理工的设计方案类似，简单有效，二者也均实现-CL·A＞4.0。但河北工程的设计更为简约，假设包裹尾舱以优化外形、并稍加控制前翼前轮不利气流，整体的性能将进一步提升，让人不禁感叹经典的组合翼方案可真是力量无穷，它会不会继续进化呢？让我们拭目以待。
- 得益于对乱流和上洗气流的控制，概念队各空套部件均处于较为优质的气流，使得空套下表面流速高，下压力大。哈工大的方案同样优秀，轮圈电机的使用和其丰富的单体壳车身设计制造经验增加了空套设计灵活度，配以合理的空套设计，使得下压力和升阻比均达到不错的效果。
- 湖南大学和湖北汽院的赛车外形十分帅气，这与上文的“颜值就是战斗力”有些不符，这又是为什么呢？不难发现，由于缺少对前翼上洗气流和前轮乱流的考虑，湖大侧面完全处于不利的气流中，同时其尾翼下方的高速气流并未延续较长距离，说明翼片的组合有待优化。湖北汽院侧扩的剖面设计、尾翼的组合翼同样有待优化，且有几处本可避免的下翼面气流分离，另外，驾驶员前方的挡板虽起到了挡风的作用，但却使气流上扬、减小了尾翼的攻角，这些细节都限制了下压力的提升。
- 另外通过观察各家车队设计可知，仅考虑稳态直线行驶的下压力时，侧翼离地间隙应较小，此时侧翼下方流速快、下压力水平较高。
每当F1解析视频讨论起空气动力学，“涡流”就不可避免地被提起，通常被用作促进表面的气流附着，或卷走/阻隔乱流。但对于空间局促的FSAE想有效利用涡流就不那么容易了，如图3.5所示：
- 很多涡流出现在了无关紧要的地方，例如：很多赛车前翼襟翼内侧的翼尖涡贴着车身流向尾翼。
- 有些赛车选择直接通过涡流产生下压力，例如：哈工大和武汉理工的侧扩翻边边缘的翼尖涡附着于空套表面产生下压力，侧扩内腔在文丘里涡的作用下可以在离地间隙低、角度大的情况下仍保持气流附着。
- 概念队的选择是涡流的流场整合作用（对乱流的控制），即为组合翼服务，前部的各种气动装置产生的涡流从各个方向包裹前、后轮的乱流，使之远离后方的空气动力学套件。但额外的扰流板也意味着额外的阻力。
4 总结和建议
1）应为空套提供优质的气流条件
通过上述分析不难发现，假设单独看每一个空套部件，很多赛车的空套设计是合理的，可一旦置于整车中，他们就处于轮胎、驾驶舱单元或是前方空套部件的不利气流中，难以发挥其应有的性能，因此在设计中不仅需要考虑空套自身的设计，也应考虑整车总布置设计，通过多种手段进行整车的流场整合，例如哈工大通过其优秀的单体壳设计和空套的流场整合，使下压力和升阻比都有不错的表现。
2) 翼片组合的设计不可轻视
翼片组合虽然是基本功，但仍十分重要，例如2022年河北工程和2020年武汉理工只通过简洁的前翼、侧翼、尾翼设计就实现了-CL·A>4，处于参赛车辆中的前列。
3）前翼对气流的梳理十分重要
优化前翼对气流的梳理是提高后方部件效能的前提，平衡好前翼自身性能与后方部件的来流是前翼设计中的关键，例如概念队通过前部的各种气动装置梳理前轮乱流，给侧翼和尾翼发挥性能创造了条件。
4）气动附件的应用值得尝试
由于受规则约束，翼片的尺寸不能无限大、位置不能离乱流无限远，此时一些小尺寸的气动附件就能四两拨千斤，例如格尼襟翼、端板翻边、涡流发生器、外洗扰流板等，起到直接产生下压力、或是阻隔高低压强、引导乱流等作用。
5）希望之后有更多的概念车参与进来
概念车的灵活度给予设计上的想象力，不仅可作为之后设计的预研，也是我们了解气流作用机理的一种方式。
6） 最后，掌握原理比多算更重要
算例就像海洋，只有掌握原理的人能到达彼岸！
感谢上述10支队伍及ItDoesWorkInMyOwnCFD群内所有成员的支持！
