赛车双层尾翼气动效率研究

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1、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。本设计主耍采用了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

2、辆的设计屮也起着重要作用。对于赛车或跑车來说，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（—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，尾翼是最重耍的组成部分Z-o尾翼的作用主耍是利用局部流场的特性产牛负升力（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

3、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耍求。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。在众多翼型屮，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儿何参数代入特定方程中即可得到

4、翼型的精确形状。NACA四位翼型系列屮，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。（-）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”來解决这一问题。如图1、图2所不，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。

5、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，为跑午制造下压力。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1MP4-25赛车尾翼开槽图2MP4-25赛车F-duct系统图

6、图3保时捷911型跑车图4双层尾翼不意图图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P、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

7、0.4时來流的影响很小，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,本研究没冇涉及，只基于其余三种方式进行研究。工程估算主耍针对翼型的选择。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