赛车双层尾翼气动效率研究

摘 要：为了同时提高赛车在不同行驶状态下的性能，设计出一种可调节攻角的双层赛车尾翼。该种尾翼可以改善赛车的空气动力学性能，从而节省赛车空间，弥补传统尾翼的不足和局限。本设计主要采用了CFD仿真计算结合工程经验估算的方法，比较NACA四位数字翼族中翼型的气动效率，分析设计出的双层尾翼的气动特性。通过计算和评估，选定了NACA4309和NACA6309的组合并构成了赛车的双层尾翼。使用该种尾翼兼顾了赛车在直道行驶时的减阻需求与在弯道行驶时的下压力要求，从而提高了赛车的气动性能。

关键词：CFD仿真;二元翼型;空气动力学;NACA四位数字翼型

空气动力学不仅是飞机研发的基础，它在车辆的设计中也起着重要作用。对于赛车或跑车来说，其空气动力学效率在很大程度上影响车的性能，尤其对于赛车，气动效率往往决定其设计的成败。

在F1（一级方程式）赛车的各项气动性能中，空气阻力与下压力最为被关注。较小的阻力有助于赛车的高速行驶和减少能耗，而良好的下压力则可以使轮胎在赛车过弯时提供更大的向心力，防止侧滑，增大过弯时的速度，有助于弯道超车。为了充分利用空气动力的收益，F1赛车的气动部件多而复杂，尾翼是最重要的组成部分之一。尾翼的作用主要是利用局部流场的特性产生负升力（即通常所说的下压力）使赛车在高速转弯时更稳定[1]。然而，在直道的情况下，尾翼的存在将使阻力升高，导致不必要的能量耗散，降低赛车在直道上的速度。因此，如何妥协好弯道上的下压力和直道上的阻力是赛车尾翼设计的重要课题。

本文通过分析方程式赛车的气动需求，设计了一款双层尾翼，车手可以通过操纵系统改变其攻角，达到减阻或是增压的目的，以同时满足赛车在直道上减少阻力和弯道上增加下压力的要求。

一、设计依据

（一）理论依据

根据二元翼型升力理论，增加鼻翼及尾翼扰流板的弯度和攻角，有助于提高下压力，但在下压力提高同时，阻力也相应地提高了，但不同翼型有不同的升阻特性。在众多翼型中，美国国家航空咨询委员会开发的NACA4位翼型[2]最具代表性，每个翼型的代号由“NACA”这四个字母与一串数字组成，将这串数字所描述的几何参数代入特定方程中即可得到翼型的精确形状。NACA四位翼型系列中，不同厚度、不同弯度翼型的升/阻力系数曲线变化趋势大致相同，但其各点曲率、拐点位置存在差异。

（二）现有设计

目前，跑车和F1赛车通常采用尾翼开槽和可升降尾翼来解决下压力与阻力的矛盾：

1.尾翼开槽。以迈凯轮MP4-25型F1赛车为例，其引入了“F-duct系统”来解决这一问题。如图1、图2所示，赛车的尾翼上有一个15cm的开槽，开槽连接气流管道，通向鼻锥上的气流入口。在弯道时，控制阀门关闭，气流不会进入管道，F-duct不工作;而在直道上，车手打开控制阀门，空气沿图3中1-2-3-4的顺序流动，喷在尾翼上的开槽上，造成了尾翼后缘轻微失速，达到了减小阻力的效果。

2.可升降尾翼。这一类的尾翼以保时捷911型跑车为代表。如图3所示，车在直线行驶时，尾翼与车的后部紧紧贴合成一个整体，尽可能地使车保持流线型以减小阻力[3];在车过弯时，车手可调节尾翼使其升起，为跑车制造下压力。

两种解决方案目的都是在赛车低速度过弯时制造较高下压力提高弯道速度，而在直道上则减小阻力，提升赛车的圈速。然而，这两种方案都没有把尾翼的气动效率发挥到极限，还会占用车内非常有限的空间资源。为提升赛车的气动性能，本研究设计了可变攻角的双层尾翼，并与传统单层尾翼的气动效率进行比较。

二、设计方案和研究方法

（一）双层尾翼的设计方案

图1 MP4-25赛车尾翼开槽

图2 MP4-25赛车F-duct系统图

图3 保时捷911型跑车

图4 双层尾翼示意图

图4为双层尾翼示意图，由两块NACA四位数字翼族组成，车手可调节两块翼板的攻角α，β：

a） 低速弯道（过弯半径小于100米），将尾翼调节至最大升力系数的攻角，增加下压力。

b） 高速弯道（过弯半径大于100米），将尾翼调节至最大升阻比攻角，妥协下压力和阻力。

c） 直线行驶时，尾翼调节至最小阻力系数攻角，减少阻力。

（二）筛选翼型理论依据

选型时评估翼型好坏的主要指标为升力系数和阻力系数，理论依据是库塔-茹科夫斯基升力、阻力公式：

其中ρ、v分别表示流体密度、速度，Cl、Cd分别表示升力、阻力系数，A表示参考面积。

虽然升、阻力系数与来流的速度v和雷诺数Re有关，但当马赫数不超过0.4时来流的影响很小，对于赛车而言，其马赫数不会超过0.3，因此来流的影响可以忽略。

（三）研究方法

对于赛车气动特性研究，主要有四种方式：资料搜集、工程估算、CFD仿真计算及风洞试验。由于风洞试验耗资巨大，缩比模型制作安装时间长，本研究没有涉及，只基于其余三种方式进行研究。

工程估算主要针对翼型的选择。为提高研究工作的效率，在选择翼型的初级阶段采用空气动力学的经验公式进行初步估算，进行第一轮筛选，优化选择范围。

CFD（Computational Fluid Dynamics 计算流体力学）仿真模拟计算在空气动力学研究中有着不可替代的作用[4]，通过计算机三维仿真软件（CATIA，UG，ProE等）建立尾翼的3D数字模型，然后采用网格生成软件（ICEM，GAMBIT等）进行简单的网格划分，最后通过CFD计算软件ANSYS-Fluent选择相应的程序进行计算。

（四）研究实施过程

a） 赛车整体受力情况分析。分析赛车在不同行驶条件下的受力，以及对下压力与减阻的需求[5]。

b） 尾翼选型。结合文献资料，使用气动计算程序，筛选单层尾翼翼型及双层尾翼翼型组合。

c） 尾翼气动力计算。通过计算机软件分别模拟仿真计算b）所选单、双层尾翼在不同速度、攻角下的气动（下压力、阻力）系数曲线。

d） 分析与评估。将c）中的结果（包括升力系数、阻力系数、升阻比）对照比较并进行数值分析。结合a）的需求，对尾翼选型方案进行评估，并确定最优的方案。

三、赛车整体受力情况分析

图5 赛车受力示意图

图5为赛车右转弯时的受力示意图，其中G，Fd，Fc，Ff分别表示赛车的重力、气动套件产生的下压力、过弯时的侧向离心力、轮胎所产生的侧向摩擦力。赛车在过弯时应当保证既不侧翻也不侧滑，需要满足的条件如下：

a） 不侧翻。记车宽为d，赛车中心距地面高度为h，过弯半径为R则

（1）

（2）

由（1）（2）可知

b） 不侧滑。记轮胎与地面摩擦系数为μ，过弯半径为R则：Fc≤ Ff （3）

（4）

（5）

由（3）（4）（5）可知：

结合不侧翻、不测滑的理论要求，通过查阅方程式赛车相关参数，获得赛车过弯时不同速度对下压力的需求，在尾翼筛选时作出判断和取舍。

四、尾翼选型

（一）翼型厚度的确定

保持翼型相对弯度不变，取较为常见的NACA 24XX翼型，用气动计算程序进行计算，结果见表1、图6。

注：AOA表示该种翼型在达到最大升力系数或最小阻力系数时的攻角大小，下同

从中可以看出NACA 2410为其中的最优翼型，在此基础上比较NACA 2410与厚度相邻近的NACA 24XX的气动性能，结果见表2。

显示NACA 2409为最优翼型。通过比较不同弯度的翼型，翼型均在厚度为9%的时候达到最优。

（二）翼型弯度的确定

设定翼型厚度为9%不变，改变弯度进行比较，从结果表4可见，NACA 6309和NACA 5309的最大升力系数相同且最大，均略大于NACA 4309，但考虑到NACA 5309的阻力系数较大，而NACA 4309的阻力系数为同组中最小，因此NACA 4309和NACA 6309是最优的两种单层尾翼。表5、表6是两种翼型的最大升力系数、最小阻力系数和最大升阻比及分别达到该最值时的攻角：

五、尾翼气动力计算与气动效率分析

（一）双层尾翼气动参数的计算

确定了性能较优的两种翼型后，我们将NACA 4309和NACA 6309组合起来成为双层尾翼，用CFD软件进行整体气动力计算，改变两块翼板之间的距离d，计算结果见表7。

根据计算结果，各种尾翼的阻力系数均相同，当两块翼板距离为30cm时升力系数最大。以下是该款尾翼在分别达到最大升力系数、最小阻力系数和最大升阻比时两块翼板各自的攻角。

（二）尾翼气动效率对比及分析

从上文可知，最优的单层尾翼翼型为NACA 4309和NACA 6309，将其与双层尾翼的各项气动参数进行比较，结果见表9 。

可以看出，双层尾翼的最大升力系数是三种尾翼中最大的，NACA 4309虽然最大升力系数为三者最小，但它具有最小的最小阻力系数，其最大升阻比也大于双层尾翼，而NACA 6309则介于两者之间。

尽管下层翼的高压区在上层翼的引导降压后，会在一定程度上影响尾翼效率[6]，但双层尾翼的最大升力系数仍比单层尾翼大0.6左右，而最小阻力系数仅比单层尾翼大0.01左右，根据库塔-茹科夫斯基升力、阻力公式可知，双层尾翼在下压力方面优势明显，可以弥补其阻力系数略大的劣势。

六、结论

通过比较本研究设计的NACA 4309/6309双层尾翼与其他类型的尾翼，可以得出以下结论：

1.相较于传统的固定尾翼，双层尾翼具有以下提高车速和节省燃油的优势。车手可以调节双层尾翼的攻角，使尾翼在赛车对下压力需求较高的高速弯道中提供更大的下压力，而在不需要过多下压力的直道上表现为较小的阻力系数，这样更容易妥协高下压力和低阻力的需求，从而提高赛车的竞争力。同时，高速状态下的低阻力设置，可以使赛车在直线行驶时减少摩擦阻力和压差阻力导致的能量损失，从而降低油耗。

2.相较于当前比较常见的单层可调节尾翼，双层尾翼具有高升力系数和节省空间的优势。双层尾翼的最大升力系数为2.20（NACA 4309攻角5.5°、NACA 6309攻角7°时取到），大于所有的单层NACA四位数字翼型，配备该尾翼的赛车可在中速弯道获得较大优势。此外，由于对尾翼攻角的控制仅需使用齿轮连接步进电机完成，无需铺设复杂的气流管道，因此可以节省更多的车内空间。

参考文献：

[1]宋涛 空气动力学在F1赛车上的运用[A].天津大学内燃机研究所.小型内燃机与车辆技术2014.43（4）：94-96.

[2] Bruna P.M. Design of ground touring sports car wing [J]. Sports Engineering and Technology 2012.227（1） ：70C80.

[3]余顺达， 李能， 王兵， 高阳 基于CFD 技术的FSC 赛车车身气动造型设计[J]. 湖北汽车工业学院学报 2012.26（3）：77-80.

[4]Zhang X.& W. Toet & J. Zerihan Ground effect aerodynamics of race cars [R].UK： University of Southampton 2006：33-49.

[5]谭菊甫 一级方程式赛车高速转弯的力学基础[J].工科物理1994（2）：15-16.

[6]钱翼稷 空气动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社2013：110-112.