摘 要

FSAE即中国大学生方程式汽车大赛，自2010年赛事举办以来，武汉理工大学方程式赛车队已经连续参加了十届比赛。本项目主要是以武汉理工大学燃油方程式赛车外流场空气动力学优化分析为目标，通过查阅相关的中外文献，总结往年设计经验已及参考其他学校车队的技术方案，设计出优化改进方案，以提升赛车高速行驶的操纵稳定性。

首先对赛车空气动力学特性进行理论研究分析，介绍赛车主要的空气动力学套件：前翼，尾翼，扩散器，并对其各自的特点进行分析。然后结合赛事规则，空气动力学的理论基础，以及汽车理论、汽车设计的知识，使用三维建模软件绘制三维模型。利用CFD软件对整车模型进行空气动力学仿真计算，获取赛车在特定工况下主要的气动参数。并通过气体流动轨迹图与压力分布云图来观察气流在赛车的流通状态、整车各部位的气动受力状态，以分析赛车车身的优化设计空间，并提出优化方案。

对往年的空气动力学套件优化设计，并参考其他车队设计扩散器的经验及方案，结合赛车的实际需求以及空间布置，设计出与赛车相匹配的扩散器。对优化设计之后的整车进行仿真，并跟往年的分析数据进行对比，分析优化设计之后的提升效果。

关键词：FSAE赛车，CFD软件，空气动力学套件，空气动力学特性，操纵稳定性

Abstract

FSAE is the Formula Vehicle Competition for Chinese University Students. Since the 2010 event was held, the Formula Vehicle Competition of Wuhan University of Technology has participated in 10 consecutive competitions. This project mainly aims at the aerodynamic optimization analysis of the external flow field of the fuel equation racing car of Wuhan University of Technology. By consulting the relevant literature at home and abroad, the design experience of previous years has been summarized and the technical scheme of other school teams has been consulted, and the optimization improvement scheme has been designed to improve the handling stability of the racing car at high speed.

Firstly, the aerodynamic characteristics of the racing car are analyzed theoretically. The main aerodynamic components of the racing car are introduced, including the front wing, the tail wing and the diffuser, and their respective characteristics are analyzed. Then combined with the rules of the race, the theoretical basis of aerodynamics, automobile theory and knowledge of automobile design, three-dimensional modeling software is used to draw the three-dimensional model. The CFD software is used to simulate the aerodynamics of the whole car model, and the main aerodynamic parameters of the car under specific conditions are obtained. Through the gas flow trajectory chart and pressure distribution cloud chart to observe the flow state of the air in the car, the aerodynamic force state of all parts of the car, in order to analyze the optimization design space of the car body, and put forward the optimization scheme.

Based on the optimization design of aerodynamic suite in the past years, and referring to the experience and scheme of other teams in diffuser design, combined with the actual needs of the car and space layout, the diffuser matching the car was designed. The whole vehicle after optimization design is simulated and compared with the analysis data of previous years, and the improvement effect after optimization design is analyzed.

Keywords: FSAE racing car, CFD software, aerodynamic suite, aerodynamic characteristics, handling stability

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要完成的任务及要求 2

第二章 车身空气动力特性概述 4

2.1 汽车动力学 4

2.1.1 气动阻力 4

2.1.2 研究内容 5

2.2 研究方法 5

2.3 赛车空气动力学装置 5

2.3.1 前翼 6

2.3.2 扩散器 7

2.3.3 尾翼 8

2.3.4 地面效应 10

2.4 评估汽车空气动力学方法与特点 10

2.4.1 试验基本方法 10

2.4.2 CFD数值模拟仿真的特点 10

2.5 本章小结 12

第三章 计算流体动力学的基础知识 13

3.1计算流体动力学的概念 13

3.2 流体动力学控制方程 13

3.2.1 连续性方程 14

3.2.2 动量守恒方程 15

3.2.3 能量方程 17

3.3 本章小结 20

第四章 赛车外流场分析 21

4.1 FLUENT简介 21

4.1.1 功能特色 23

4.1.2 高级物理模型功能 24

4.1.3 集成功能 24

4.2 赛车外流场分析 25

4.2.1模型的创建及简化 25

4.2.2 划分网格 25

4.2.3 FLUENT数值仿真求解 26

4.3 本章小结 29

第五章 空气动力学套件的优化设计 30

5.1 翼型对比流程 30

5.2 扩散器类型对比流程 33

5.3 整车性能分析 35

5.4 本章小结 38

第六章 总结与展望 39

参考文献 41

致谢 43

第一章 绪论

1.1 引言

在F1赛车领域，空气动力学扮演着重要的角色，目前动力性的研究相对停滞不前，空气动力学的研究就对赛车性能的提升起了决定性作用。F1赛车在上世纪六十年代首次使用了空气动力学套件，先是尾翼，然后是前翼、扩散器等，空气动力学在汽车技术领域扮演着越来越重要的角色，并取得了巨大的技术突破。

流动的空气遇到物体时会做出怎样的反应？一个风车或一架飞机都是空气动力学实际应用的例子。在F1的早年，工程师们仅仅将兴趣放在制造流线型的车体，换句话说，就是为了减小赛车的阻力，也就是一般理解的拉力。作用于赛车的阻力越小，推动赛车所用的功率也越小，车就越快。当各车队开始意识到下压力对赛车行驶的稳定性和安全性的重大影响时，工程师们理解了要增加作用于轮胎的下压力，这能增加轮胎与地面之间的摩擦力，榨取更多的抓地力。从中工程师们学到，增加下压力不仅能使赛车在弯中更快，同时也能在轮胎不打滑的情况下输出更多的动力。

1.2 国内外研究现状

近些年，被誉为“学生界的F1赛车”的大学生方程式赛车（FSC）在中国得到大力发展，越来越多的高校都相继组建车队征战比赛，2018赛季共计90多支车队报名参加比赛。随着比赛竞争激烈程度的增加，各种先进技术相继引入。其中，空气动力学的发展尤其明显，前翼、尾翼、扩散器和侧翼等空气动力学套件相继出现在赛场上，甚至有些车队已经加装了DRS尾翼。通过这些技术解决方程式赛车的诸多问题，包括下压力的产生，前翼、尾翼、扩散器的工作原理，以及如何提高气动部件的工作效益和气流的传输效率等，使赛车在比赛中有更好的表现。

虽然有越来越多的技术逐渐运用于国内赛事的赛车，但是国内的技术水平与国外还存在一定的差距，很多车队还都处于模仿设计阶段，使用的还都是国外车队淘汰的技术，自主研发创新能力远远不足。而车身造型设计是整车设计中比较复杂的一个环节，在这一环节中，需要协调整车零部件的布置，符合相关的赛事规则，考虑制造加工的可行性，以及最重要的空气动力学等因素。由于国内在空气动力学相关领域的研究起步较晚，技术相对比较落后，与国外顶尖技术还无法相提并论，导致借鉴国外设计的情况广泛存在，这在所有车队刚起步阶段是无法避免的。借鉴国外技术不是一味的抄袭，要学习他们的设计理念，并提高自己的创新意识。随着各高校在这方面技术的探索，我国空气动力学领域的技术突破十分迅速，对于各种技术难题，国内各顶尖高校相继取得了技术突破，在空气动力学领域的研究不断发展。

根据空气动力学理论知识，汽车行驶时，作用在车身上的空气阻力和空气阻力矩与车速(空气流速)的平方成正比，而空气阻力所引起的功率的损失与车速的立方成正比。由此可见，对于高速行驶的方程式赛车来说，降低车身的空气阻力不仅可以提升燃油经济性，对赛车的动力性也有一定的提升，从而提升赛车的性能，对提高比赛成绩有很大帮助。因此，良好的气动造型是车身设计的首要考核指标。当然，除了车身的气动造型，合理的零部件的布局对空气的流动也有一定的影响。

目前，由于各个高校对动力总成的研究逐渐成熟，导致出现了动力过剩的情况。2017年，吉林大学的赛车由于动力性能过于强大，赛车产生的下压力不足以提供轮胎所需要的附着力，导致操纵稳定性十分不好。空气动力学的研究成为越来越多学校的研发重心。吉林大学的老队长也表示，以后的比赛不再是得动力者得天下，关键是底盘稳定性和空气动力学。

所以，加强赛车空气动力学的理论研究，掌握气动造型设计的关键因素，形成一套行之有效的、可操作性强的设计体系还是很有必要的。

1.3 本文主要完成的任务及要求

本课题需建立某FSAE方程式赛车外流场的空气动力学模型，利用通用CFD软件，通过仿真分析，优化汽车造型设计，从而减小空气阻力和提升下压力，提高赛车燃油经济性和操纵稳定性。

本文主要基于武汉理工大学燃油方程式赛车进行整车外流场空气动力学优化分析，并完成以下目标任务：

1、进行国内外汽车空气动力学研究发展现状的调研，文献翻译及综述；

2、利用流体力学等相关学科知识及参考文献，建立某FSAE方程式赛车外流场的空气动力学模型；

3、使用通用CFD软件进行仿真计算分析，优化汽车造型设计，减小空气阻力和提升下压力，提高汽车燃油经济性和操纵稳定性；

4、按照学院要求，对毕业设计进行总结，撰写毕业设计说明书。

第二章 车身空气动力特性概述

汽车空气动力学（Automobile Aerodynamics），是空气动力学的一个分支，它主要研究流动的流场中，汽车的受力特性以及流场气体的流动规律，以及两者之间相互作用的关系。它是以流体动力学为基础。

2.1 汽车空气动力学

汽车空气动力学是研究汽车与周围空气在相对运动时，两者之间相互作用力的关系及运动规律的学科，它是流体力学不可或缺的一部分，为研究提升车辆的空气动力性能、操纵稳定性、振动及噪声等方面问题提供帮助。

随着汽车工业发展与汽车行驶速度日益提高，汽车空气动力学的影响作用越来越大，其研究工作越来越受重视，并不断地发展。随着研究的深入，汽车空气动力学逐渐发展成为流体力学一个重要分支学科，在整车造型设计，空间布置阶段都起着重要的作用，其研究结果对汽车性能有着很明显的影响作用，对改进汽车动力性，燃油经济性有着显著的效果。

与航空、船舶、铁路车辆等领域的研究流场不同，汽车是行驶在地面上的，是一种钝头体，行驶状态异常复杂，气体流动杂乱无章，比较难以发现其规律，因而汽车空气动力学与上述分支学科不同，具有自身的特点。

2.1.1 气动阻力

汽车行驶所受空气阻力可分解为五种：

车型阻力，车身外形所产生的阻力，约占汽车所受空气阻力的31%；

表面摩擦阻力，汽车相对气体运动所产生的摩擦力，约占汽车所受空气阻力的9%；

干扰阻力,即由于车体外部扰流的零部件，如赛车的悬架杆件，汽车装饰件、后视镜、轮胎等对气体流动产生干扰所产生的阻力，约占汽车所受空气阻力的17%；

在车身空腔产生涡流所引起的“涡阻”，约占汽车所受空气阻力的31%；

内部气流阻力，气体通过进气装置，散热装置等所产生的阻力，约占汽车所受空气阻力的12%。

减小车辆的迎风面积，优化车身造型结构，合理分布整车零部件，均可使空气阻力系数显著下降。据研究表明，空气阻力每减少10%，可提升5%的燃油经济性。

2.1.2 研究内容

汽车空气动力学研究主要有下列四个方面：

①车运行中与气流相互作用的受力状态，不仅影响整车的动力性，还与整车的操纵稳定性与燃油经济性有关；

②汽车运行中各部位的流场,观察整车的气体压力分布云图，分析各部位的受力状态等；

③发动机的冷却作用，通过观察气流在散热器的流动状态，判断发动机的冷却效果；

④汽车内的气候条件，包括车厢内空气循环状态。

2.2 研究方法

目前，可通过风洞实验和外场实验进行汽车所受的空气阻力以及相应的空气动力系数的测定^[11]。车型空气阻力的研究一般采用等比缩小的模型进行风洞试验，因为只需要检测车身阻力数据，不需要很精确的结构细节，所以可以利用等比例缩小的模型代替实验，从而节约成本。然而，由于无法反映真实的车身结构细节，气体流动轨迹相对单一，真实气体流动相对复杂很多，因而该方法所测出数据相对真实数据会偏小。在没有全尺寸风洞的情况下，可以先测定汽车在路面滑行的总阻力，然后在转鼓试验台测得汽车的机械阻力，两者一减就可以得出空气阻力。但是该方法工作量大，数据准确性差，不够经济和安全，所以不被采纳。

2.3 赛车空气动力学装置

在汽车行驶的过程中，气流与汽车相遇之后分开，分为车顶和车底两股气流。如果赛车空气动力学设计不当，气流在车顶的行程相对于车底更长，与之对应的气流的速度也较快。根据伯努利原理可得：流体的流速越快，其压力也就会越小。而车底速度相对车顶要慢，车底压力也大，因而会产生向上的升力。

然而，升力是飞机飞行所需要的要素，由于汽车要贴附在道路表面行驶，升力越大，轮胎的附着力越小，汽车的抓地力越小，汽车的行驶稳定性也就越差。于是工程师们开发了各种空气动力学套件用来制造向下的气压力，减少汽车行驶时的升力，提升汽车高速行驶时的稳定性。

为了提升车辆空气动力学性能,工程师们在有限的空间研究出行之有效的空气动力学套件，前翼、尾翼在方程式赛车的运用，实现了下压力最大化提升。这些车翼都采用较大的平面、更小的襟翼以及十分尖锐的攻角，目的是在高低两侧产生更高的压力梯度。

2.3.1 前翼

前翼是装在车头前端的空气动力装置，它在汽车行驶时，根据自身的结构特点，使流动的气体产生向下的压力。整车的下压力约有25%-30%由汽车前翼提供,相比较于尾翼来说,前翼的发展较早，经历过更多的技术升级与优化。作为汽车最前端的部件，前翼是气流最先接触的部分，它不仅可以提升下压力，还能影响气流在车身的流动轨迹。根据规则要求,前翼可以加装多个大小不一的翼片。而前翼的端板可以稳定翼片的气流，减少气流损失,并且可以改变尺寸、形状以及复杂程度^[3]。

赛车的前翼在工作的时候气流状态并不是理想状态，实际工况会复杂很多，首先，气体的流速是时刻在变化的，且方向也不固定，且不确定，所以前翼的实际受力很难计算，此外，赛车在过弯时，气流不会沿着前翼流动，而会发生横向偏移。这不仅会降低前翼的作用效果，还影响到了前翼后部的气流环境，使其他部位的气流状态与预期效果产生偏差。然而这些问题也不是解决不了，随着一代又一代工程师的研究，相继研究出了改良版的翼型，翼型的性能也不断地提升，今天F1赛车所采用的主襟翼结合的翼形（图2.1所示）就是通过不断的更新换代进化而来，这种翼形的技术成熟，效果明显。

图2.1 赛车前翼图

F1赛车在高速行驶时，流过前翼所在区域的气流被前翼分割为两部分:一部分从翼片的上表面流过，另一部分则流过翼片的下表面，这两股气流依附在翼片上流动，最后在前翼后方的某一区域重新汇聚，两股气流的区别在于，由于襟翼与主翼的攻角较大（如图2.2），迎风面积大，则气动阻力大，气流流速相对较慢，而翼片下面的气流通行流场，气流速度较快，根据伯努利方程可知，气流流速与气压大小成反比，因此翼片上方气压大于翼片下方气压，因而产生向下的作用力，提升下压力。

图2.2 法拉利F1赛车前翼图

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