FSAE賽車外流場特性深度剖析與優(yōu)化策略研究一、緒論1.1研究背景與意義FSAE（FormulaSAE）賽車競賽作為一項面向全球大學生的工程教育賽事，自1978年創(chuàng)辦以來，已發(fā)展成為每年由15個國家舉辦20余場賽事、吸引數(shù)百支全球頂級高校車隊參與的青年工程師盛會。FSAE賽事要求參賽學生以虛擬公司的形式，在一年時間內(nèi)設計并制造出一輛在加速、制動、操控性等方面表現(xiàn)優(yōu)異且穩(wěn)定耐久的小型單人座休閑賽車，并完成技術報告、成本報告、設計評審、直線加速、8字繞環(huán)、高速避障、耐久賽等多個項目的比拼。在FSAE賽車的設計與制造中，外流場特性對賽車性能起著關鍵作用。賽車在賽道上高速行駛時，周圍的空氣流動形成外流場，其產(chǎn)生的空氣阻力、升力和側(cè)向力等氣動作用力，直接影響賽車的動力性、操控穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟性。當賽車的空氣阻力降低時，發(fā)動機輸出的功率能夠更有效地轉(zhuǎn)化為賽車的動能，從而提高賽車的加速性能和最高車速。合理的外流場設計能夠產(chǎn)生足夠的下壓力，增強輪胎與地面的附著力，使賽車在彎道行駛時更加穩(wěn)定，操控性能得到提升。研究FSAE賽車的外流場特性并進行優(yōu)化，對于提升賽車性能具有重要意義。通過深入了解外流場的流動規(guī)律和特性，可以針對性地改進賽車的外形設計、車身結(jié)構(gòu)和空氣動力學套件，降低空氣阻力，提高下壓力，從而提升賽車在比賽中的競爭力。準確把握外流場特性有助于提高賽車的操控穩(wěn)定性，保障車手的安全，減少事故發(fā)生的風險。對FSAE賽車外流場特性的研究，也能為汽車空氣動力學的發(fā)展提供實踐案例和理論支持。在研究過程中，所運用的數(shù)值模擬方法、實驗測試技術以及優(yōu)化設計理念，都可以應用于汽車工程領域，推動汽車空氣動力學的發(fā)展，促進汽車產(chǎn)品的優(yōu)化升級，提高汽車的性能和安全性。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在FSAE賽車外流場特性研究領域，國內(nèi)外學者和研究團隊運用多種方法開展了廣泛而深入的研究，取得了一系列重要成果。在國外，諸多頂尖高校和科研機構(gòu)借助先進的實驗設備與數(shù)值模擬技術，對FSAE賽車外流場特性展開了深入探究。美國斯坦福大學的研究團隊利用風洞實驗與高精度粒子圖像測速（PIV）技術，精確測量了FSAE賽車在不同工況下外流場的速度分布和壓力分布，通過對實驗數(shù)據(jù)的詳細分析，揭示了賽車外形、空氣動力學套件等因素對空氣阻力和升力的影響規(guī)律。他們的研究成果表明，優(yōu)化賽車的車身線條和尾翼設計，能夠顯著降低空氣阻力，提高下壓力，進而提升賽車的操控穩(wěn)定性和加速性能。德國斯圖加特大學的研究人員運用計算流體力學（CFD）軟件，對FSAE賽車外流場進行了數(shù)值模擬。他們通過建立精確的三維模型和合理設置邊界條件，模擬了賽車在高速行駛時的外流場情況，并與風洞實驗結(jié)果進行對比驗證。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整賽車底盤的離地間隙和側(cè)裙的形狀，可以有效控制氣流的流動，減少亂流的產(chǎn)生，從而提高賽車的空氣動力學性能。國內(nèi)對于FSAE賽車外流場特性的研究也取得了一定的進展。清華大學、上海交通大學等高校的研究團隊結(jié)合實驗與數(shù)值模擬方法，在FSAE賽車外流場特性研究方面取得了不少成果。清華大學的研究人員采用風洞實驗與CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對FSAE賽車的外流場進行了全面研究。他們通過風洞實驗獲取了賽車外流場的實際數(shù)據(jù)，然后利用CFD軟件對實驗結(jié)果進行驗證和補充分析，深入研究了賽車不同部件對外流場的影響。研究表明，優(yōu)化賽車的進氣口位置和形狀，可以改善發(fā)動機的進氣效率，提高動力性能；同時，合理設計賽車的尾翼和擴散器，能夠增強下壓力，提升賽車在彎道的操控性能。上海交通大學的研究團隊則專注于FSAE賽車空氣動力學套件的優(yōu)化設計。他們通過數(shù)值模擬和實驗研究，對不同類型的空氣動力學套件進行了性能評估和對比分析，提出了一套適合FSAE賽車的空氣動力學套件優(yōu)化方案。該方案在提高賽車下壓力的同時，有效降低了空氣阻力，顯著提升了賽車的整體性能。不同研究方法和技術各有優(yōu)劣。風洞實驗能夠提供最接近實際工況的實驗數(shù)據(jù)，是研究外流場特性的重要手段，但風洞實驗成本高昂、周期長，且實驗條件的調(diào)整存在一定限制。CFD數(shù)值模擬方法具有成本低、效率高、可重復性強等優(yōu)點，能夠?qū)Ω鞣N復雜工況進行模擬分析，但數(shù)值模擬結(jié)果的準確性依賴于模型的建立和邊界條件的設置，需要與實驗結(jié)果進行對比驗證。PIV等先進測量技術能夠提供詳細的流場信息，但設備昂貴，測量過程復雜，對實驗環(huán)境要求較高。現(xiàn)有研究仍存在一些不足與可改進方向。一方面，部分研究在模型簡化過程中忽略了一些細節(jié)因素，導致模擬結(jié)果與實際情況存在一定偏差。例如，在建立賽車模型時，對車輪的旋轉(zhuǎn)、懸掛系統(tǒng)的運動等因素考慮不夠全面，影響了外流場模擬的準確性。另一方面，針對不同賽道條件和駕駛風格對FSAE賽車外流場特性影響的研究相對較少。不同賽道的彎道曲率、坡度和路面狀況各不相同，車手的駕駛風格也存在差異，這些因素都會對外流場特性產(chǎn)生影響，而目前相關研究還不夠深入。未來的研究可以進一步完善模型，考慮更多的細節(jié)因素，提高模擬結(jié)果的準確性；同時，加強對不同賽道條件和駕駛風格下外流場特性的研究，為FSAE賽車的優(yōu)化設計提供更全面的理論支持。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究將深入探究FSAE賽車外流場特性，并在此基礎上提出有效的優(yōu)化方案，主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：外流場特性分析：運用CFD數(shù)值模擬技術，對FSAE賽車在不同行駛速度和工況下的外流場進行模擬分析。通過模擬，獲取賽車表面的壓力分布、速度矢量圖以及尾流場的變化情況，深入了解外流場的流動規(guī)律和特性。重點研究賽車在高速行駛時，車頭、車身側(cè)面、車尾以及車輪周圍等關鍵部位的氣流流動狀態(tài)，分析氣流分離、漩渦產(chǎn)生等現(xiàn)象對外流場特性的影響。影響因素研究：全面研究影響FSAE賽車外流場特性的各種因素。從賽車的外形設計入手，分析車身線條的流暢性、車頭和車尾的造型對空氣阻力和升力的影響。探討空氣動力學套件，如尾翼、擴散器、側(cè)裙等的設計參數(shù)和布局方式對外流場的作用機制。研究賽車的行駛姿態(tài)，包括車身的俯仰角、側(cè)傾角以及離地間隙的變化，如何影響外流場特性。考慮不同賽道條件，如彎道曲率、坡度和路面粗糙度，對賽車外流場的影響。優(yōu)化方法探討：基于外流場特性分析和影響因素研究的結(jié)果，提出針對性的優(yōu)化方法。在外形設計優(yōu)化方面，通過調(diào)整車身線條和曲面形狀，減少氣流分離和漩渦的產(chǎn)生，降低空氣阻力。對空氣動力學套件進行優(yōu)化設計，合理調(diào)整尾翼的角度和尺寸、擴散器的形狀和深度以及側(cè)裙的高度和長度，以提高下壓力和操控穩(wěn)定性。考慮賽車行駛姿態(tài)的優(yōu)化，通過調(diào)整懸掛系統(tǒng)和底盤參數(shù)，使賽車在行駛過程中保持最佳的姿態(tài)，減少外流場的不利影響。綜合考慮不同賽道條件，開發(fā)自適應的空氣動力學調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使賽車能夠根據(jù)賽道情況自動調(diào)整空氣動力學套件的參數(shù)，以適應不同的比賽環(huán)境。1.3.2研究方法為了實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運用CFD數(shù)值模擬、風洞實驗和賽道測試等多種研究方法：CFD數(shù)值模擬：利用專業(yè)的CFD軟件，如ANSYSFluent、STAR-CCM+等，對FSAE賽車外流場進行數(shù)值模擬。首先，使用三維建模軟件，如CATIA、SolidWorks等，建立精確的FSAE賽車三維模型，包括車體、車輪、底盤和車身附件等部分。對模型進行簡化處理，去除一些對模擬結(jié)果影響較小的細節(jié)特征，以提高計算效率。然后，對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，采用合適的網(wǎng)格類型和尺寸，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求。設置合理的邊界條件，如入口流速、壓力、溫度等，以及壁面條件。選擇合適的湍流模型，如k-ε模型、k-ω模型等，對控制方程進行離散求解，得到外流場的數(shù)值模擬結(jié)果。對模擬結(jié)果進行后處理，分析賽車表面的壓力分布、速度矢量圖、流線圖等，獲取外流場的特性參數(shù)。通過改變模型參數(shù)和邊界條件，進行多組模擬計算，研究不同因素對外流場特性的影響。風洞實驗：在CFD數(shù)值模擬的基礎上，進行風洞實驗，以驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，并獲取更真實的外流場數(shù)據(jù)。選擇合適的風洞實驗設備，根據(jù)賽車的尺寸和實驗要求，確定實驗模型的比例。對實驗模型進行精細加工和表面處理，確保模型的精度和表面質(zhì)量。在風洞中安裝實驗模型，設置好測量儀器，如壓力傳感器、熱線風速儀等。調(diào)節(jié)風洞的風速和風向，模擬賽車在不同行駛工況下的外流場情況。測量賽車表面的壓力分布、速度分布以及空氣動力系數(shù)等參數(shù)，記錄實驗數(shù)據(jù)。將風洞實驗結(jié)果與CFD數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析，驗證數(shù)值模擬方法的可靠性，對模擬結(jié)果進行修正和完善。賽道測試：在實際賽道環(huán)境中對FSAE賽車進行測試，進一步驗證優(yōu)化方案的有效性。選擇具有代表性的賽道，根據(jù)賽道的特點和比賽要求，對賽車進行調(diào)試和準備。在賽道測試過程中，使用專業(yè)的測試設備，如車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPS定位儀等，記錄賽車的行駛數(shù)據(jù)，包括速度、加速度、轉(zhuǎn)向角度、輪胎力等。通過分析賽道測試數(shù)據(jù)，評估賽車的性能表現(xiàn)，了解外流場特性對賽車操控穩(wěn)定性和動力性的影響。根據(jù)賽道測試結(jié)果，對優(yōu)化方案進行進一步調(diào)整和優(yōu)化，使賽車在實際比賽中能夠發(fā)揮出最佳性能。二、FSAE賽車外流場相關理論基礎2.1空氣動力學基本原理空氣動力學作為流體力學的一個重要分支，主要研究空氣和其他氣體的運動以及它們與物體相對運動時相互作用的科學。其核心是探究氣體的流動規(guī)律以及物體在氣體中運動時所受到的作用力，這一學科的發(fā)展與航空工業(yè)、噴氣推進技術的進步緊密相連，是航空航天技術最重要的理論基礎之一。在FSAE賽車外流場特性研究中，空氣動力學的基本原理發(fā)揮著關鍵作用。賽車在賽道上高速行駛時，與周圍空氣發(fā)生相對運動，空氣動力學原理決定了外流場的特性以及賽車所受到的空氣動力。從基本概念來看，空氣是一種具有粘性和可壓縮性的流體。粘性是指空氣內(nèi)部各層之間存在的摩擦力，它會影響空氣的流動狀態(tài)。可壓縮性則表示空氣在受到壓力變化時，其體積會發(fā)生改變。在FSAE賽車的外流場中，空氣的粘性和可壓縮性對氣流的流動產(chǎn)生重要影響。例如，粘性會導致空氣在賽車表面形成邊界層，影響氣流的附著和分離；可壓縮性在賽車高速行駛時，會使空氣的密度、壓力等參數(shù)發(fā)生變化，進而影響外流場的特性。當空氣流經(jīng)FSAE賽車表面時，會形成復雜的流動現(xiàn)象。在賽車的前端，空氣受到阻擋，流速降低，壓力升高，形成高壓區(qū)。隨著空氣沿賽車表面向后流動，流速逐漸增加，壓力逐漸降低。在賽車的某些部位，如車身側(cè)面和車尾，由于氣流的分離和漩渦的產(chǎn)生，會形成低壓區(qū)。這些壓力分布的差異，導致賽車受到空氣動力的作用。作用力的產(chǎn)生原理主要基于伯努利原理和牛頓第三定律。伯努利原理指出，在理想流體的穩(wěn)定流動中，流速增加時，流體的壓力會降低；流速減小時，流體的壓力會升高。在FSAE賽車外流場中，空氣在賽車表面的流速不同，導致壓力分布不均勻，從而產(chǎn)生升力和阻力。例如，賽車的機翼形狀設計利用了伯努利原理，上表面的氣流速度快，壓力低；下表面的氣流速度慢，壓力高，從而產(chǎn)生向上的升力。牛頓第三定律表明，兩個物體之間的作用力和反作用力大小相等，方向相反。當空氣流經(jīng)賽車表面時，賽車對空氣施加作用力，使空氣的流動方向和速度發(fā)生改變；同時，空氣也會對賽車施加反作用力，這就是賽車所受到的空氣動力，包括升力、阻力和側(cè)向力等。這些作用力對FSAE賽車的性能有著顯著影響。空氣阻力直接影響賽車的動力性，增加發(fā)動機的負荷，降低賽車的加速性能和最高車速。升力的大小會影響賽車的操控穩(wěn)定性，不當?shù)纳Ψ植伎赡軐е沦愜囋诟咚傩旭倳r出現(xiàn)漂浮或失控的情況。側(cè)向力則對賽車在彎道行駛時的操控性能產(chǎn)生重要影響，合理的側(cè)向力可以幫助賽車更好地保持行駛軌跡，提高彎道速度。為了深入理解FSAE賽車外流場特性，還需要掌握一些相關的物理量和參數(shù)。例如，雷諾數(shù)（Re）是一個重要的無量綱參數(shù)，它反映了流體流動中慣性力與粘性力的相對大小。在FSAE賽車外流場中，雷諾數(shù)的大小決定了氣流的流動狀態(tài)是層流還是湍流。當雷諾數(shù)較小時，氣流呈層流狀態(tài)，流動較為平穩(wěn)；當雷諾數(shù)較大時，氣流會轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)，流動變得復雜，伴有漩渦和能量損失。馬赫數(shù)（Ma）也是一個關鍵參數(shù)，它表示物體運動速度與當?shù)芈曀俚谋戎怠Ｔ谫愜嚫咚傩旭倳r，馬赫數(shù)的變化會導致空氣的可壓縮性效應增強，影響外流場的特性。當馬赫數(shù)接近1時，會出現(xiàn)激波等復雜現(xiàn)象，對賽車的空氣動力性能產(chǎn)生顯著影響。2.2計算流體力學（CFD）方法計算流體力學（CFD）作為一門通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進行分析研究的學科，在現(xiàn)代工程領域中發(fā)揮著至關重要的作用。其基本原理是基于數(shù)值計算方法，將描述流體流動的偏微分方程組進行離散化處理，轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，然后通過計算機求解這些方程組，從而得到流場中各個物理量的數(shù)值解。在FSAE賽車外流場研究中，CFD方法的應用能夠深入揭示外流場的特性和規(guī)律，為賽車的空氣動力學性能優(yōu)化提供有力支持。CFD模擬流程通常包含多個關鍵步驟。首先是建立幾何模型，利用專業(yè)的三維建模軟件，如CATIA、SolidWorks等，精確構(gòu)建FSAE賽車的三維模型，涵蓋車體、車輪、底盤以及車身附件等各個部分。在建模過程中，需充分考慮賽車的實際結(jié)構(gòu)和外形特點，確保模型的準確性。同時，為提高計算效率，還需對模型進行合理簡化，去除一些對模擬結(jié)果影響較小的細節(jié)特征，如微小的凸起、孔洞等，但要注意保留關鍵的空氣動力學部件和特征，以保證模擬結(jié)果的可靠性。完成幾何模型構(gòu)建后，接著進行網(wǎng)格劃分，將計算區(qū)域離散化為大量的網(wǎng)格單元。網(wǎng)格的質(zhì)量和類型對模擬結(jié)果的準確性和計算效率有著顯著影響。常用的網(wǎng)格類型包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)則的拓撲結(jié)構(gòu)，計算效率較高，但對于復雜幾何形狀的適應性較差；非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格則能夠更好地貼合復雜的幾何邊界，具有更強的靈活性，但計算成本相對較高。在實際應用中，通常根據(jù)賽車模型的幾何特點和計算需求，選擇合適的網(wǎng)格類型和劃分策略，如在賽車表面和關鍵部位采用加密的網(wǎng)格，以提高對邊界層和復雜流動現(xiàn)象的分辨率，而在遠離賽車的區(qū)域則適當增大網(wǎng)格尺寸，以減少計算量。網(wǎng)格劃分完成后，需設置邊界條件和初始條件。邊界條件是指流場邊界上的物理量取值或其變化規(guī)律，常見的邊界條件包括速度入口、壓力出口、壁面無滑移等。在FSAE賽車外流場模擬中，根據(jù)賽車的實際行駛工況，設置入口風速為賽車的行駛速度，出口壓力為大氣壓力，賽車表面設置為壁面無滑移邊界條件，以模擬空氣與賽車表面的相互作用。初始條件則是指流場在初始時刻的物理量分布，一般根據(jù)實際情況或經(jīng)驗進行設定。隨后選擇合適的求解器和湍流模型進行數(shù)值求解。求解器是CFD軟件的核心部分，負責求解離散化后的代數(shù)方程組。不同的求解器具有不同的特點和適用范圍，如基于有限體積法的求解器在處理復雜幾何形狀和多物理場耦合問題時具有優(yōu)勢，而基于有限元法的求解器則在精度和靈活性方面表現(xiàn)出色。湍流模型用于模擬湍流流動中的各種復雜現(xiàn)象，由于湍流具有高度的隨機性和非線性，難以直接求解其控制方程，因此需要采用湍流模型進行近似處理。常用的湍流模型有k-ε模型、k-ω模型、SSTk-ω模型等。k-ε模型是一種經(jīng)典的雙方程湍流模型，計算效率較高，適用于一般的湍流流動模擬；k-ω模型對近壁區(qū)域的流動模擬具有較好的精度；SSTk-ω模型則結(jié)合了k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)點，在模擬復雜流動，如分離流、逆壓梯度流等方面表現(xiàn)更為出色。在實際應用中，需根據(jù)外流場的特點和模擬要求，選擇合適的求解器和湍流模型，以獲得準確的模擬結(jié)果。數(shù)值求解完成后，對模擬結(jié)果進行后處理和分析。通過CFD軟件自帶的后處理工具或?qū)I(yè)的后處理軟件，如Tecplot、Ensight等，將模擬得到的流場數(shù)據(jù)進行可視化處理，生成壓力云圖、速度矢量圖、流線圖等直觀的圖像，以便更清晰地觀察外流場的流動特性和分布規(guī)律。同時，還可以提取賽車表面的壓力、速度等物理量數(shù)據(jù)，計算空氣阻力、升力、側(cè)向力等空氣動力系數(shù)，對賽車的空氣動力學性能進行定量評估。在CFD模擬中，常用的軟件有ANSYSFluent、STAR-CCM+、OpenFOAM等。ANSYSFluent是一款功能強大、應用廣泛的CFD軟件，擁有豐富的物理模型和求解器，能夠模擬各種復雜的流體流動問題，在航空航天、汽車工程、能源等領域得到了廣泛應用。STAR-CCM+則以其先進的多面體網(wǎng)格技術和強大的并行計算能力而著稱，在處理復雜幾何模型和大規(guī)模計算問題時具有明顯優(yōu)勢，尤其適用于汽車外流場模擬等領域。OpenFOAM是一款開源的CFD軟件，具有高度的靈活性和可定制性，用戶可以根據(jù)自己的需求對軟件進行二次開發(fā)，實現(xiàn)特定的模擬功能，在科研領域得到了眾多研究人員的青睞。CFD方法在FSAE賽車外流場研究中具有顯著的優(yōu)勢。相較于傳統(tǒng)的實驗方法，CFD模擬無需建造實際的賽車模型和進行昂貴的風洞實驗，大大降低了研究成本和時間。通過CFD模擬，可以在短時間內(nèi)對不同的賽車設計方案進行評估和優(yōu)化，快速篩選出性能較優(yōu)的方案，提高設計效率。CFD方法能夠提供豐富的流場信息，不僅可以得到賽車表面的壓力、速度等物理量分布，還可以深入分析外流場中的氣流分離、漩渦等復雜流動現(xiàn)象，為賽車的空氣動力學性能優(yōu)化提供詳細的理論依據(jù)。CFD模擬具有很強的可重復性，只需調(diào)整模擬參數(shù)，就可以輕松模擬不同的工況和條件，便于研究人員進行系統(tǒng)的研究和分析。然而，CFD方法也存在一定的局限性。CFD模擬結(jié)果的準確性高度依賴于模型的建立和參數(shù)設置。如果幾何模型簡化不當、網(wǎng)格質(zhì)量不高、邊界條件設置不合理或湍流模型選擇不合適，都可能導致模擬結(jié)果與實際情況存在較大偏差。在模擬FSAE賽車外流場時，由于賽車的外形復雜，且存在車輪旋轉(zhuǎn)、懸掛系統(tǒng)運動等復雜因素，準確建模和設置參數(shù)具有一定難度。CFD模擬對于計算機硬件性能要求較高，特別是在處理復雜幾何模型和大規(guī)模計算問題時，需要強大的計算能力和內(nèi)存支持。這不僅增加了研究成本，還可能限制了CFD方法在一些資源有限的研究機構(gòu)和團隊中的應用。CFD方法雖然能夠模擬各種復雜的流動現(xiàn)象，但對于一些尚未完全理解的物理過程，如湍流的精細結(jié)構(gòu)和某些特殊工況下的流動特性，仍然存在一定的模擬誤差。因此，在實際應用中，CFD模擬結(jié)果通常需要與實驗結(jié)果進行對比驗證，以確保其可靠性。2.3風洞實驗技術風洞實驗在賽車空氣動力學研究中占據(jù)著舉足輕重的地位，是深入探究賽車外流場特性的關鍵手段之一。它通過在實驗室環(huán)境中人工模擬賽車在實際行駛過程中的氣流條件，為研究人員提供了一個可控且可重復的實驗平臺，能夠獲取真實可靠的外流場數(shù)據(jù)，對于揭示賽車外流場的流動規(guī)律、優(yōu)化賽車的空氣動力學性能具有不可替代的作用。風洞實驗的基本原理基于運動相對性原理和流動相似性原理。根據(jù)運動相對性原理，賽車在靜止空氣中高速行駛所受到的空氣動力，與賽車靜止不動、空氣以同樣的速度反方向吹過賽車，兩者的作用效果是等價的。這就為在實驗室中通過風洞模擬賽車行駛狀態(tài)提供了理論基礎。流動相似性原理則要求風洞實驗中的模型與實際賽車在幾何形狀、運動狀態(tài)以及流體物理性質(zhì)等方面滿足一定的相似條件，這樣才能保證實驗結(jié)果能夠準確反映實際情況。具體來說，風洞實驗需要確保模型與實際賽車的幾何相似比、雷諾數(shù)、馬赫數(shù)等相似參數(shù)一致，以實現(xiàn)實驗結(jié)果的有效外推。風洞設備主要由洞體、動力系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)等部分組成。洞體是風洞的核心部件，通常呈管道狀，包括收縮段、實驗段、擴散段等部分。收縮段的作用是使氣流加速，以滿足實驗段所需的流速；實驗段是放置賽車模型的區(qū)域，要求流場均勻、穩(wěn)定，氣流品質(zhì)如均勻度、穩(wěn)定度、湍流度等達到一定的指標，以保證實驗結(jié)果的準確性；擴散段則用于將實驗段流出的高速氣流減速，減少能量損失。動力系統(tǒng)負責為風洞提供動力，驅(qū)動氣流在洞體內(nèi)循環(huán)流動，常見的動力裝置有風扇、壓縮機等。測量控制系統(tǒng)則用于測量和控制風洞實驗中的各種參數(shù)，如風速、風向、壓力、溫度等，以及采集和處理實驗數(shù)據(jù)。測量儀器包括壓力傳感器、熱線風速儀、天平、粒子圖像測速儀（PIV）等，它們能夠精確測量賽車模型表面的壓力分布、氣流速度、空氣動力等參數(shù)，為研究人員提供豐富的實驗數(shù)據(jù)。風洞實驗的操作流程通常包括以下幾個步驟：首先是實驗準備階段，根據(jù)實驗目的和要求，選擇合適的風洞設備和賽車模型，對模型進行設計、加工和安裝，并調(diào)試測量控制系統(tǒng)，確保設備和儀器的正常運行。在模型設計過程中，要嚴格按照實際賽車的幾何形狀和尺寸進行縮比制作，保證模型與實際賽車的幾何相似性；同時，要對模型進行表面處理，使其表面光潔度和粗糙度符合實驗要求，以減少模型表面對氣流的干擾。安裝模型時，要確保模型在實驗段中的位置準確、固定牢固，避免在實驗過程中發(fā)生位移或振動。調(diào)試測量控制系統(tǒng)時，要對各種測量儀器進行校準和標定，確保測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。接下來是實驗測試階段，啟動風洞設備，調(diào)節(jié)風速、風向等參數(shù)，使其達到預定的實驗工況。在實驗過程中，利用測量儀器實時測量賽車模型表面的壓力分布、氣流速度、空氣動力等參數(shù)，并記錄實驗數(shù)據(jù)。為了獲取全面準確的實驗數(shù)據(jù)，通常需要在不同的風速、風向、攻角等工況下進行多次實驗，以研究不同條件對外流場特性的影響。在測量過程中，要注意測量儀器的安裝位置和測量方法，避免測量過程對氣流產(chǎn)生干擾，影響實驗結(jié)果的準確性。同時，要對實驗數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和分析，及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)并進行處理。最后是數(shù)據(jù)處理和分析階段，對實驗測量得到的數(shù)據(jù)進行整理、計算和分析，提取有用的信息，如空氣阻力系數(shù)、升力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)等空氣動力系數(shù)，以及賽車表面的壓力分布、速度分布等流場特性參數(shù)。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，研究人員可以深入了解賽車外流場的特性和規(guī)律，評估賽車的空氣動力學性能，并為賽車的優(yōu)化設計提供依據(jù)。在數(shù)據(jù)處理過程中，要采用合適的數(shù)據(jù)處理方法和軟件，對實驗數(shù)據(jù)進行濾波、平滑、插值等處理，消除噪聲和誤差的影響，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。同時，要對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和不確定性評估，確定實驗結(jié)果的可靠性和精度。在實際應用中，風洞實驗與CFD模擬往往相互結(jié)合、相互補充。CFD模擬具有成本低、效率高、可模擬復雜工況等優(yōu)點，能夠在設計初期快速對不同的賽車設計方案進行評估和優(yōu)化，為風洞實驗提供理論指導和參考。通過CFD模擬，可以在短時間內(nèi)對多種設計方案進行數(shù)值計算，分析不同方案的外流場特性和空氣動力學性能，篩選出性能較優(yōu)的方案，然后再通過風洞實驗進行驗證和優(yōu)化。風洞實驗則能夠提供最接近實際工況的實驗數(shù)據(jù)，驗證CFD模擬結(jié)果的準確性，彌補CFD模擬在模型簡化和假設方面的不足。由于CFD模擬在建模過程中往往需要對一些復雜的物理現(xiàn)象進行簡化和假設，這些簡化和假設可能會導致模擬結(jié)果與實際情況存在一定的偏差。而風洞實驗是在真實的氣流環(huán)境中進行的，能夠直接測量賽車模型的各種參數(shù)，獲取真實可靠的實驗數(shù)據(jù)，從而對CFD模擬結(jié)果進行驗證和修正。兩者的有機結(jié)合，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高研究效率和準確性，為FSAE賽車外流場特性的研究和優(yōu)化提供更有力的支持。三、FSAE賽車外流場特性分析3.1外流場數(shù)值模擬3.1.1三維模型建立以某款FSAE賽車為研究對象，利用三維建模軟件SolidWorks構(gòu)建其精確的三維模型。在建模過程中，對賽車的各個組成部分進行了細致的處理。車體部分，嚴格按照實際賽車的尺寸和形狀進行繪制，確保車身線條的流暢性和準確性。考慮到FSAE賽車在高速行駛時，車體表面的氣流流動對空氣動力學性能有著重要影響，因此在建模時，對車體表面的曲率和過渡區(qū)域進行了精確的設計，以減少氣流的分離和阻力的產(chǎn)生。車輪部分，不僅精確地模擬了車輪的外形，還考慮了輪胎的花紋和輪轂的結(jié)構(gòu)。輪胎花紋的設計會影響輪胎與地面的摩擦力和抓地力，同時也會對外流場產(chǎn)生一定的影響。輪轂的結(jié)構(gòu)則會影響車輪周圍的氣流流動，進而影響空氣阻力和升力。因此，在建模時，對輪胎花紋和輪轂結(jié)構(gòu)進行了詳細的建模，以更準確地模擬車輪對外流場的影響。底盤部分，考慮了其復雜的結(jié)構(gòu)和零部件的布局。底盤上的各種零部件，如懸掛系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等，都會對外流場產(chǎn)生干擾。因此，在建模時，對底盤上的零部件進行了合理的簡化和處理，保留了對氣流影響較大的部分，忽略了一些對氣流影響較小的細節(jié)，以在保證模擬精度的前提下，提高計算效率。車身附件部分，如后視鏡、進氣口、排氣口等，雖然體積較小，但它們對賽車的空氣動力學性能也有著不可忽視的影響。后視鏡的形狀和位置會影響車身側(cè)面的氣流流動，進氣口和排氣口的設計則會影響發(fā)動機的進氣和排氣效率，進而影響賽車的動力性能。因此，在建模時，對這些車身附件進行了精確的建模，確保模型能夠準確反映賽車的實際情況。通過以上細致的建模過程，構(gòu)建了一個完整、準確的FSAE賽車三維模型，為后續(xù)的外流場數(shù)值模擬提供了可靠的基礎。3.1.2網(wǎng)格劃分與邊界條件設定完成三維模型建立后，使用專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件ANSYSICEM對賽車模型進行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分過程中，充分考慮了不同網(wǎng)格類型和密度對模擬結(jié)果的影響。對于網(wǎng)格類型，對比了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的特點和適用場景。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)則的拓撲結(jié)構(gòu)，計算效率較高，在處理形狀規(guī)則的區(qū)域時表現(xiàn)出色。但對于FSAE賽車這種外形復雜的模型，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的生成難度較大，難以準確地貼合模型的邊界。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格則具有更強的靈活性，能夠更好地適應復雜的幾何形狀，能夠在模型的復雜區(qū)域生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。綜合考慮FSAE賽車模型的復雜性和模擬精度要求，最終選擇了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格作為主要的網(wǎng)格類型。在網(wǎng)格密度方面，進行了不同密度的網(wǎng)格劃分測試。在賽車表面和關鍵部位，如車頭、車尾、車輪周圍以及空氣動力學套件等區(qū)域，采用了加密的網(wǎng)格。這些區(qū)域的氣流流動較為復雜，存在著邊界層、氣流分離和漩渦等現(xiàn)象，加密網(wǎng)格能夠更好地捕捉這些復雜的流動細節(jié)，提高模擬結(jié)果的準確性。在遠離賽車的區(qū)域，適當增大網(wǎng)格尺寸，以減少計算量，提高計算效率。通過多次測試和對比分析，確定了合適的網(wǎng)格密度分布，在保證模擬精度的同時，控制了計算成本。在邊界條件設定方面，根據(jù)賽車的實際行駛工況，設置了合理的邊界條件。入口條件設置為速度入口，入口風速為賽車的行駛速度，方向與賽車行駛方向一致。根據(jù)賽道的實際情況和賽車的性能參數(shù)，將入口風速設定為不同的數(shù)值，以模擬賽車在不同速度下的外流場情況。出口條件設置為壓力出口，出口壓力為大氣壓力，以模擬氣流從賽車周圍流出后的自由流動狀態(tài)。賽車表面設置為壁面無滑移邊界條件，即空氣在賽車表面的速度為零，這是因為空氣與賽車表面之間存在摩擦力，使得空氣在表面附著，無法自由滑動。這種邊界條件能夠準確地模擬空氣與賽車表面的相互作用，反映外流場的實際情況。在模擬車輪旋轉(zhuǎn)時，采用了旋轉(zhuǎn)壁面邊界條件，設置車輪的旋轉(zhuǎn)速度和方向，以模擬車輪旋轉(zhuǎn)對外流場的影響。車輪的旋轉(zhuǎn)會帶動周圍空氣的流動，形成復雜的氣流結(jié)構(gòu)，對賽車的空氣動力學性能產(chǎn)生重要影響。通過設置旋轉(zhuǎn)壁面邊界條件，能夠更真實地模擬車輪旋轉(zhuǎn)時的外流場情況。3.1.3模擬結(jié)果分析運用CFD軟件ANSYSFluent求解流體力學方程，得到賽車外流場的壓力、速度、流線等數(shù)據(jù)。通過對模擬結(jié)果的深入分析，揭示了賽車外流場的特性。在壓力分布方面，從模擬結(jié)果的壓力云圖可以清晰地看到，賽車前端由于空氣受到阻擋，流速急劇降低，壓力明顯升高，形成了一個高壓區(qū)域。這是因為空氣在撞擊賽車前端時，動能轉(zhuǎn)化為壓力能，導致壓力升高。在賽車的車身側(cè)面，氣流速度相對較快，壓力較低。這是由于空氣在繞過車身側(cè)面時，流速增加，根據(jù)伯努利原理，壓力相應降低。在車尾部分，由于氣流的分離和漩渦的形成，壓力分布較為復雜，存在著局部的高壓和低壓區(qū)域。氣流在車尾分離后，形成了不穩(wěn)定的漩渦結(jié)構(gòu)，這些漩渦會導致壓力的波動和變化。在速度分布方面，速度矢量圖顯示，賽車表面的氣流速度在不同部位存在明顯差異。在車頭部分，空氣流速較低，隨著空氣沿車身向后流動，流速逐漸增加。在車身的一些凸起部位和空氣動力學套件周圍，氣流速度會發(fā)生急劇變化，出現(xiàn)高速區(qū)域。這些高速區(qū)域的形成是由于氣流在經(jīng)過這些部位時，受到幾何形狀的影響，流線收縮，流速增大。在車尾后方，氣流速度逐漸降低，形成尾流區(qū)域。尾流區(qū)域的存在會增加賽車的空氣阻力，影響賽車的性能。通過對流線圖的分析，進一步了解了氣流的流動軌跡和規(guī)律。可以觀察到，在賽車的某些部位，如車頭和車身側(cè)面，氣流能夠較好地附著在表面流動，流線較為平滑。但在車尾部分，由于氣流的分離，流線出現(xiàn)了明顯的紊亂和斷裂。氣流分離是由于車尾處的壓力分布和氣流速度變化導致的，當氣流在車尾遇到不利的壓力梯度時，就會發(fā)生分離，形成漩渦和尾流。這些氣流分離和漩渦現(xiàn)象不僅會增加空氣阻力，還會影響賽車的穩(wěn)定性和操控性。通過對模擬結(jié)果的分析，深入揭示了FSAE賽車外流場的特性，包括壓力分布、速度分布以及氣流分離、漩渦生成等現(xiàn)象。這些結(jié)果為進一步研究外流場對賽車性能的影響以及優(yōu)化賽車的空氣動力學設計提供了重要的依據(jù)。3.2風洞實驗驗證3.2.1實驗方案設計為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，設計了一套嚴謹?shù)娘L洞實驗方案。在實驗模型制作方面，按照1:1的比例，使用高強度、低重量且表面光滑的碳纖維復合材料制作FSAE賽車實驗模型。這種材料不僅能夠保證模型的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性，使其在風洞實驗的高速氣流環(huán)境中保持形狀不變，還能有效降低模型的重量，減少對實驗結(jié)果的干擾。同時，其光滑的表面能夠模擬真實賽車表面的空氣動力學特性，確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性。在模型制作過程中，對每一個細節(jié)都進行了精確把控，嚴格按照實際賽車的尺寸和形狀進行加工，確保模型與實際賽車在幾何形狀上完全一致。對于賽車的關鍵部件，如車身、尾翼、擴散器等，采用高精度的數(shù)控加工技術，保證部件的尺寸精度和表面質(zhì)量。對模型表面進行精細打磨和拋光處理，使其表面粗糙度達到實驗要求，以減少表面粗糙度對氣流的影響。在測量儀器選擇上，選用高精度的壓力傳感器和熱線風速儀。壓力傳感器用于測量賽車表面的壓力分布，其精度可達±0.1%FS，能夠準確捕捉賽車表面微小的壓力變化。將壓力傳感器均勻分布在賽車表面的關鍵部位，如車頭、車身側(cè)面、車尾以及空氣動力學套件等區(qū)域，通過數(shù)據(jù)線將傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，實時采集壓力數(shù)據(jù)。熱線風速儀用于測量流場速度，其測量精度為±0.5%，能夠精確測量氣流的速度。根據(jù)實驗需求，在風洞實驗段的不同位置布置熱線風速儀，以獲取不同位置的流場速度信息。為了測量賽車所受到的空氣動力，還選用了六分量測力天平，其能夠同時測量賽車在三個方向上的力和力矩，精度可達±0.5N，為研究賽車的空氣動力學性能提供了重要的數(shù)據(jù)支持。在實驗工況設定方面，充分考慮了賽車在實際比賽中的各種行駛工況。設置了不同的風速，包括30m/s、40m/s、50m/s，分別對應賽車在賽道上的低速、中速和高速行駛狀態(tài)。對于每個風速工況，又設置了不同的攻角，如0°、3°、6°，以模擬賽車在不同行駛姿態(tài)下的外流場情況。攻角的變化會導致賽車表面的氣流分布發(fā)生改變，進而影響賽車所受到的空氣動力，通過研究不同攻角下的外流場特性，可以為賽車的操控穩(wěn)定性提供優(yōu)化依據(jù)。在實驗過程中，還對環(huán)境溫度和濕度進行了控制，保持實驗環(huán)境的穩(wěn)定性，減少環(huán)境因素對實驗結(jié)果的影響。將環(huán)境溫度控制在25±2℃，相對濕度控制在50±5%，確保實驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。3.2.2實驗數(shù)據(jù)采集與處理在風洞實驗過程中，使用高精度壓力傳感器和熱線風速儀等儀器，對賽車表面壓力和流場速度數(shù)據(jù)進行采集。壓力傳感器被精確地安裝在賽車模型表面的關鍵位置，如車頭、車身側(cè)面、車尾以及空氣動力學套件等部位，以獲取這些區(qū)域的壓力分布情況。在車頭部位，布置多個壓力傳感器，以測量空氣撞擊車頭時產(chǎn)生的壓力變化；在車身側(cè)面，沿著氣流流動方向均勻分布壓力傳感器，用于監(jiān)測氣流在車身側(cè)面的壓力變化情況；在車尾部分，重點關注氣流分離區(qū)域的壓力分布，通過布置傳感器來捕捉壓力的波動和變化。熱線風速儀則被安置在風洞實驗段的不同位置，包括賽車模型的前方、后方以及側(cè)面，以測量不同位置的流場速度。在賽車模型前方，測量來流速度，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供基準；在賽車模型后方，測量尾流區(qū)域的速度，了解氣流在車尾的流動特性；在賽車模型側(cè)面，測量側(cè)向氣流速度，分析氣流對賽車側(cè)面的影響。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄傳感器采集到的數(shù)據(jù)，每秒采集100次，以確保能夠捕捉到流場的動態(tài)變化。在采集過程中，對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)并進行處理。對于異常數(shù)據(jù)，如傳感器故障導致的數(shù)據(jù)突變或偏差過大的數(shù)據(jù)，進行標記和剔除，以保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。采集完成后，對數(shù)據(jù)進行處理和分析。首先，對壓力數(shù)據(jù)進行校準，根據(jù)壓力傳感器的校準曲線，對采集到的壓力數(shù)據(jù)進行修正，消除傳感器的誤差。然后，利用數(shù)據(jù)處理軟件對校準后的壓力數(shù)據(jù)進行插值和擬合，得到賽車表面連續(xù)的壓力分布。對于速度數(shù)據(jù)，同樣進行校準和處理，根據(jù)熱線風速儀的校準參數(shù)，對速度數(shù)據(jù)進行修正，確保速度測量的準確性。通過對速度數(shù)據(jù)的分析，計算出流場的速度梯度和渦量等參數(shù)，進一步了解流場的特性。為了更直觀地展示實驗數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)繪制成圖表。繪制賽車表面的壓力云圖，通過不同的顏色表示壓力的大小，清晰地展示壓力分布情況；繪制速度矢量圖，用箭頭表示速度的大小和方向，直觀地呈現(xiàn)流場的速度分布和流動方向；繪制流場的流線圖，展示氣流的流動軌跡和規(guī)律。通過這些圖表，能夠更深入地分析實驗數(shù)據(jù)，為與數(shù)值模擬結(jié)果的對比提供有力支持。3.2.3結(jié)果對比與分析將風洞實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，以評估模擬的準確性。從壓力分布對比來看，風洞實驗得到的賽車表面壓力分布與數(shù)值模擬結(jié)果在整體趨勢上基本一致。在賽車前端，兩者都顯示出明顯的高壓區(qū)域，這是由于空氣在撞擊賽車前端時流速降低，壓力升高所致。在車身側(cè)面，壓力逐漸降低，呈現(xiàn)出類似的分布趨勢。然而，在一些局部細節(jié)上，兩者存在一定差異。在車尾部分，風洞實驗數(shù)據(jù)顯示由于氣流分離導致的壓力波動更為明顯，而數(shù)值模擬結(jié)果在該區(qū)域的壓力變化相對較為平滑。這可能是由于在數(shù)值模擬過程中，對一些復雜的流動現(xiàn)象，如氣流分離和漩渦的模擬不夠精確，導致與實際情況存在偏差。在數(shù)值模擬中，采用的湍流模型可能無法完全準確地描述車尾部分的復雜湍流流動，從而影響了壓力分布的模擬結(jié)果。在速度分布對比方面，風洞實驗測量的流場速度與數(shù)值模擬結(jié)果也具有一定的相似性。在賽車周圍的主流區(qū)域，兩者的速度大小和方向基本相符。但在靠近賽車表面的邊界層區(qū)域，風洞實驗測得的速度梯度與數(shù)值模擬結(jié)果存在一定差異。風洞實驗中，由于邊界層內(nèi)的氣流受到粘性作用和壁面粗糙度的影響，速度變化更為復雜，而數(shù)值模擬在處理邊界層時，可能由于網(wǎng)格分辨率不足或邊界條件設置不夠精確，導致對邊界層內(nèi)速度分布的模擬不夠準確。在模擬過程中，網(wǎng)格劃分在邊界層區(qū)域不夠精細，無法準確捕捉邊界層內(nèi)速度的急劇變化，從而導致模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)存在偏差。分析兩者差異的原因，主要包括以下幾個方面。數(shù)值模擬過程中對模型的簡化和假設可能導致結(jié)果與實際情況存在偏差。在建立賽車模型時，為了提高計算效率，可能會忽略一些對整體性能影響較小但對局部流場有一定影響的細節(jié)特征，如賽車表面的微小凸起、縫隙等。這些細節(jié)在實際風洞實驗中會對氣流產(chǎn)生影響，而在數(shù)值模擬中被忽略，從而導致模擬結(jié)果與實驗結(jié)果不一致。湍流模型的選擇和參數(shù)設置也會影響模擬的準確性。不同的湍流模型對湍流流動的描述能力不同，即使選擇了合適的湍流模型，其參數(shù)設置也需要根據(jù)具體情況進行調(diào)整。如果湍流模型選擇不當或參數(shù)設置不合理，就無法準確模擬復雜的湍流流動，導致模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)存在差異。風洞實驗中存在的測量誤差也會對結(jié)果產(chǎn)生影響。盡管使用了高精度的測量儀器，但在實際測量過程中，仍然可能受到儀器精度、安裝位置、環(huán)境因素等多種因素的干擾，導致測量數(shù)據(jù)存在一定的誤差。這些誤差在與數(shù)值模擬結(jié)果對比時，會體現(xiàn)為兩者之間的差異。通過對風洞實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的對比與分析，明確了數(shù)值模擬的準確性和存在的不足。這為后續(xù)的優(yōu)化提供了重要參考，在后續(xù)的研究中，可以針對數(shù)值模擬中存在的問題，進一步改進模型，優(yōu)化湍流模型和參數(shù)設置，提高模擬結(jié)果的準確性，為FSAE賽車外流場特性的深入研究和性能優(yōu)化提供更可靠的依據(jù)。四、FSAE賽車外流場特性影響因素研究4.1賽車外形設計4.1.1車身形狀FSAE賽車的車身形狀是影響其外流場特性的關鍵因素之一，不同的車身形狀會導致氣流在賽車表面的流動狀態(tài)產(chǎn)生顯著差異，進而對空氣阻力和下壓力產(chǎn)生不同程度的影響。流線型車身是目前FSAE賽車中較為常見的一種設計。這種車身形狀的特點是線條流暢，車頭和車尾逐漸收窄，能夠使空氣在車身表面平滑地流動，減少氣流的分離和漩渦的產(chǎn)生。從空氣動力學原理來看，流線型車身能夠有效降低空氣阻力。當空氣流經(jīng)流線型車身時，氣流能夠緊密附著在車身表面，減少了空氣與車身之間的摩擦和能量損失，從而降低了空氣阻力系數(shù)。有研究表明，在相同的行駛速度下，流線型車身的FSAE賽車相比其他形狀的車身，空氣阻力可降低10%-20%。流線型車身還能在一定程度上提高下壓力。由于車身表面的氣流速度分布較為均勻，在車身底部和尾部能夠形成一定的低壓區(qū)域，從而產(chǎn)生向下的壓力，增加賽車的下壓力，提高輪胎與地面的附著力，增強賽車的操控穩(wěn)定性。楔形車身也是一種具有獨特空氣動力學性能的設計。楔形車身的車頭尖銳，車身整體呈楔形向后傾斜。這種形狀在高速行駛時，能夠使空氣迅速分流，減少車頭的壓力，從而降低空氣阻力。楔形車身的獨特形狀還能使氣流在車身側(cè)面和底部形成特殊的流動結(jié)構(gòu)，增加下壓力。在彎道行駛時，楔形車身能夠更好地引導氣流，使賽車獲得更大的側(cè)向力，提高彎道性能。然而，楔形車身也存在一些缺點。由于其車頭過于尖銳，在低速行駛時，可能會導致氣流不穩(wěn)定，增加空氣阻力。楔形車身的設計可能會對車內(nèi)空間和駕駛員的視野產(chǎn)生一定的影響。為了深入研究不同車身形狀對FSAE賽車外流場特性的影響，通過數(shù)值模擬和實驗測試獲取了相關數(shù)據(jù)。在數(shù)值模擬方面，利用CFD軟件對不同車身形狀的FSAE賽車進行外流場模擬。建立了流線型車身和楔形車身的三維模型，并設置了相同的邊界條件和計算參數(shù)，模擬賽車在不同速度下的外流場情況。通過模擬結(jié)果可以清晰地看到，流線型車身的空氣阻力系數(shù)在高速行駛時明顯低于楔形車身，而楔形車身在產(chǎn)生下壓力方面具有一定優(yōu)勢。在實驗測試中，制作了不同車身形狀的FSAE賽車模型，并在風洞中進行實驗。測量了不同車身形狀模型在不同風速下的空氣阻力和下壓力，實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。基于研究結(jié)果，為優(yōu)化車身形狀以減小空氣阻力和提高下壓力提供以下建議：在設計車身形狀時，應充分考慮賽車的行駛速度和賽道特點。對于以高速行駛為主的賽道，應優(yōu)先選擇流線型車身，以降低空氣阻力，提高賽車的直線速度。對于彎道較多的賽道，可以適當借鑒楔形車身的設計理念，在保證一定空氣阻力的前提下，提高下壓力和彎道性能。在設計過程中，還可以通過優(yōu)化車身表面的曲率和過渡區(qū)域，進一步減少氣流分離和漩渦的產(chǎn)生，降低空氣阻力。采用平滑的車身表面和合理的圓角設計，能夠使氣流更加順暢地流過車身，提高空氣動力學性能。結(jié)合空氣動力學套件的設計，如尾翼、擴散器等，與車身形狀相互配合，實現(xiàn)更好的空氣動力學效果。通過優(yōu)化尾翼的角度和尺寸，使其與車身形狀形成良好的氣流引導結(jié)構(gòu)，進一步提高下壓力和操控穩(wěn)定性。4.1.2定風翼設計定風翼作為FSAE賽車空氣動力學套件的重要組成部分，其形狀、尺寸和角度對賽車的氣動性能有著至關重要的影響。定風翼通過改變氣流的流動方向和速度，產(chǎn)生升力和阻力，從而影響賽車的行駛性能和操控穩(wěn)定性。定風翼的形狀是影響其氣動性能的關鍵因素之一。常見的定風翼形狀有平板型、翼型等。平板型定風翼結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但其產(chǎn)生的升力和阻力相對較小。翼型定風翼則具有更復雜的形狀，能夠更有效地引導氣流，產(chǎn)生較大的升力和阻力。翼型定風翼的上表面通常呈弧形，下表面較為平坦，當空氣流經(jīng)定風翼時，上表面的氣流速度較快，壓力較低；下表面的氣流速度較慢，壓力較高，從而產(chǎn)生向上的升力。根據(jù)伯努利原理，這種壓力差越大，升力就越大。不同的翼型參數(shù)，如翼型的厚度、彎度、前緣半徑等，會對升力和阻力產(chǎn)生不同的影響。較厚的翼型通常能夠產(chǎn)生更大的升力，但也會增加阻力；而較薄的翼型則阻力較小，但升力也相對較小。彎度較大的翼型能夠增強氣流的上下表面壓力差，提高升力，但同時也可能導致氣流分離提前，增加阻力。因此，在選擇定風翼的翼型時，需要綜合考慮賽車的性能需求和賽道條件，進行優(yōu)化設計。定風翼的尺寸也對賽車的氣動性能有著顯著影響。定風翼的面積越大，產(chǎn)生的升力和阻力就越大。較大的定風翼面積可以提供更多的下壓力，增強賽車在高速行駛和彎道中的穩(wěn)定性。但過大的定風翼面積也會增加空氣阻力，降低賽車的直線速度。在確定定風翼的尺寸時，需要在升力和阻力之間進行權衡。根據(jù)賽車的設計目標和賽道特點，合理選擇定風翼的長度、寬度和高度。對于以高速行駛為主的賽道，應適當減小定風翼的面積，以降低空氣阻力，提高直線速度；而對于彎道較多的賽道，則可以增大定風翼的面積，以增加下壓力，提高彎道性能。定風翼的展弦比（翼展與平均弦長的比值）也是一個重要的參數(shù)。較大的展弦比可以提高定風翼的升力效率，減少誘導阻力，但同時也會增加結(jié)構(gòu)重量和復雜性。因此，在設計定風翼時，需要根據(jù)實際情況，選擇合適的展弦比，以實現(xiàn)最佳的氣動性能。定風翼的角度對賽車的氣動性能同樣有著重要影響。定風翼的攻角（定風翼與氣流方向的夾角）決定了氣流在定風翼表面的流動狀態(tài)和壓力分布。當攻角增大時，定風翼的升力和阻力都會增加。在一定范圍內(nèi)，攻角的增大可以使氣流更好地附著在定風翼表面，增加上下表面的壓力差，從而提高升力。但當攻角超過一定值時，氣流會在定風翼上表面發(fā)生分離，導致升力急劇下降，阻力急劇增加，這種現(xiàn)象稱為失速。因此，在調(diào)整定風翼的角度時，需要控制攻角在合理范圍內(nèi)，以避免失速現(xiàn)象的發(fā)生。不同的賽道條件和賽車行駛狀態(tài)需要不同的定風翼角度。在高速行駛時，為了降低空氣阻力，應適當減小定風翼的攻角；而在彎道行駛時，為了增加下壓力和側(cè)向力，需要增大定風翼的攻角。車手在比賽過程中也可以根據(jù)實際情況，通過調(diào)整定風翼的角度來適應不同的賽道和行駛工況。為了確定定風翼的最佳設計參數(shù)，進行了一系列的數(shù)值模擬和實驗研究。在數(shù)值模擬中，利用CFD軟件對不同形狀、尺寸和角度的定風翼進行模擬分析。建立了多種定風翼模型，并設置了不同的邊界條件和計算參數(shù)，模擬賽車在不同行駛工況下的外流場情況。通過模擬結(jié)果，分析定風翼的升力、阻力、壓力分布等參數(shù)的變化規(guī)律，評估不同設計參數(shù)對氣動性能的影響。在實驗研究中，制作了不同設計參數(shù)的定風翼模型，并在風洞中進行實驗測試。測量了不同模型在不同風速和攻角下的升力、阻力和壓力分布等數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比驗證。通過實驗和模擬結(jié)果的綜合分析，確定了適合FSAE賽車的定風翼最佳設計參數(shù)。在實際應用中，還需要考慮定風翼的安裝位置和與其他空氣動力學套件的配合。定風翼的安裝位置應根據(jù)賽車的重心和空氣動力學需求進行合理布置，以確保其能夠有效地產(chǎn)生升力和阻力，并且不會對其他部件的氣流產(chǎn)生干擾。定風翼還需要與車身、尾翼、擴散器等其他空氣動力學套件相互配合，形成一個有機的整體，共同優(yōu)化賽車的外流場特性。通過合理的設計和調(diào)整，定風翼能夠為FSAE賽車提供所需的下壓力和操控穩(wěn)定性，提升賽車的性能和競爭力。4.1.3車身附件車身附件在FSAE賽車中雖然體積相對較小，但它們對外流場的干擾作用卻不容忽視，其位置和形狀的變化會對氣流產(chǎn)生顯著影響，進而影響賽車的空氣動力學性能。后視鏡是FSAE賽車車身附件的重要組成部分。其位置和形狀對氣流的影響較為明顯。當后視鏡安裝在車身側(cè)面時，會改變車身側(cè)面的氣流流動狀態(tài)。如果后視鏡的位置不合理，可能會導致氣流在后視鏡周圍產(chǎn)生分離和漩渦，增加空氣阻力。后視鏡的形狀也會影響氣流的流動。傳統(tǒng)的圓形后視鏡在高速氣流中容易產(chǎn)生較大的阻力，而采用流線型設計的后視鏡則能夠使氣流更順暢地流過，減少阻力。一些賽車采用了隱藏式后視鏡設計，將后視鏡巧妙地融入車身結(jié)構(gòu)中，這樣不僅可以減少空氣阻力，還能降低后視鏡對車手視野的影響。擾流板也是常見的車身附件之一。擾流板的作用是通過改變氣流的流動方向和速度，來增加下壓力或減少升力。擾流板的位置和形狀對其效果有著關鍵影響。安裝在車尾的擾流板，其角度和尺寸會影響氣流在車尾的分離點和漩渦的形成。當擾流板的角度合適時，能夠有效地引導氣流，使車尾的下壓力增加，提高賽車在彎道行駛時的穩(wěn)定性。如果擾流板的角度過大或過小，可能會導致氣流紊亂，增加空氣阻力，甚至降低下壓力。擾流板的形狀也需要根據(jù)賽車的整體空氣動力學設計進行優(yōu)化。一些擾流板采用了復雜的曲面設計，以更好地適應氣流的流動，提高其空氣動力學性能。為了深入分析車身附件的位置和形狀對氣流的影響，通過數(shù)值模擬和實驗研究獲取了相關數(shù)據(jù)。在數(shù)值模擬方面，利用CFD軟件對安裝有不同車身附件的FSAE賽車進行外流場模擬。建立了包含后視鏡、擾流板等附件的賽車三維模型，并設置了多種附件位置和形狀的組合，模擬賽車在高速行駛時的外流場情況。通過模擬結(jié)果，可以清晰地觀察到車身附件周圍的氣流變化，分析其對空氣阻力、升力和下壓力的影響。在實驗研究中，制作了安裝有不同車身附件的賽車模型，并在風洞中進行實驗。測量了不同附件位置和形狀下賽車的空氣動力系數(shù)、壓力分布等參數(shù)，與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比驗證。實驗結(jié)果表明，合理調(diào)整車身附件的位置和形狀，可以有效地改善賽車的外流場特性，降低空氣阻力，提高下壓力。基于研究結(jié)果，為優(yōu)化附件設計提出以下建議：在設計車身附件時，應充分考慮其對氣流的影響，盡量減少附件對空氣阻力的增加。對于后視鏡等附件，可以采用流線型設計，使其形狀與車身的流線型相融合，減少氣流的分離和漩渦。對于擾流板等旨在增加下壓力的附件，應根據(jù)賽車的空氣動力學需求，精確設計其位置、角度和形狀，以確保其能夠有效地引導氣流，產(chǎn)生所需的下壓力。在實際應用中，可以通過風洞實驗和賽道測試，對車身附件的設計進行不斷優(yōu)化和調(diào)整。根據(jù)不同賽道的特點和賽車的行駛工況，靈活改變附件的位置和形狀，以適應不同的比賽環(huán)境，提高賽車的性能和競爭力。還可以考慮采用先進的材料和制造工藝，在保證附件強度和功能的前提下，減輕其重量，進一步提升賽車的整體性能。4.2行駛狀態(tài)4.2.1車速車速是影響FSAE賽車外流場特性的關鍵因素之一，不同車速下賽車外流場特性呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，對賽車的空氣阻力、升力和下壓力產(chǎn)生重要影響，進而直接關系到賽車在不同賽道條件下的性能表現(xiàn)。當賽車車速較低時，外流場的流動相對較為平穩(wěn)，空氣與賽車表面的相互作用相對較弱。隨著車速的逐漸提高，空氣與賽車表面的相對速度增大，外流場的流動變得更加復雜。從空氣阻力方面來看，根據(jù)空氣動力學原理，空氣阻力與車速的平方成正比。當車速增加時，空氣阻力會急劇增大，這是因為車速的提高使得空氣對賽車表面的沖擊力增強，同時空氣與賽車表面的摩擦也加劇，導致空氣阻力迅速上升。研究表明，在車速從30m/s提高到60m/s時，空氣阻力可能會增加至原來的4倍左右。這意味著在高速行駛時，賽車需要消耗更多的能量來克服空氣阻力，對發(fā)動機的功率輸出提出了更高的要求。升力和下壓力方面，車速的變化也會對其產(chǎn)生顯著影響。在較低車速下，賽車產(chǎn)生的升力和下壓力相對較小。隨著車速的增加，賽車的空氣動力學套件，如尾翼、擴散器等開始發(fā)揮更重要的作用。尾翼在高速氣流的作用下，能夠產(chǎn)生較大的下壓力，將賽車壓向地面，增加輪胎與地面的附著力，提高賽車的操控穩(wěn)定性。擴散器則通過加速賽車底部的氣流，降低底部壓力，從而產(chǎn)生額外的下壓力。但如果升力和下壓力的設計不合理，在高速行駛時可能會導致賽車的不穩(wěn)定。如果升力過大，賽車可能會出現(xiàn)“飄”的現(xiàn)象，失去與地面的良好接觸，影響操控性能；而下壓力過大則可能會增加空氣阻力，降低賽車的速度。不同賽道條件對車速與外流場特性的關系也有著重要影響。在直道較多、車速較高的賽道上，空氣阻力成為影響賽車性能的主要因素。為了降低空氣阻力，提高賽車的直線速度，需要優(yōu)化賽車的外形設計，使其更加流線型，減少氣流的分離和漩渦。在彎道較多的賽道上，下壓力和操控穩(wěn)定性則更為關鍵。此時，需要通過合理設計空氣動力學套件，增加下壓力，確保賽車在彎道行駛時能夠保持穩(wěn)定的姿態(tài)，提高過彎速度。在一些高速彎道上，賽車需要足夠的下壓力來克服離心力，防止賽車失控。這就要求尾翼和擴散器等部件能夠在高速行駛時提供足夠的下壓力，同時保持良好的空氣動力學效率，避免過多地增加空氣阻力。為了深入研究不同車速下賽車外流場特性的變化規(guī)律，通過數(shù)值模擬和實驗測試獲取了相關數(shù)據(jù)。在數(shù)值模擬方面，利用CFD軟件對不同車速下的FSAE賽車外流場進行模擬分析。建立了精確的賽車三維模型，并設置了不同的車速工況，模擬賽車在不同速度下的外流場情況。通過模擬結(jié)果，可以清晰地觀察到車速變化對外流場的壓力分布、速度分布以及空氣動力系數(shù)的影響。在實驗測試中，制作了賽車模型，并在風洞中進行實驗。測量了不同車速下賽車的空氣阻力、升力和下壓力等參數(shù)，與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比驗證。實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，進一步驗證了研究的準確性。基于研究結(jié)果，為賽車在不同賽道條件下的性能優(yōu)化提供以下建議：在直道較多的高速賽道上，應優(yōu)先考慮降低空氣阻力。通過優(yōu)化車身形狀，使其更加流線型，減少車身表面的凸起和凹陷，降低空氣阻力系數(shù)。調(diào)整空氣動力學套件的參數(shù)，如減小尾翼的角度和面積，在保證一定下壓力的前提下，降低空氣阻力，提高賽車的直線速度。在彎道較多的賽道上，應重點提高下壓力和操控穩(wěn)定性。增加尾翼的角度和面積，優(yōu)化擴散器的設計，提高賽車底部的氣流速度，增加下壓力。同時，調(diào)整賽車的懸掛系統(tǒng)和輪胎參數(shù)，使其與空氣動力學套件相匹配，提高賽車在彎道行駛時的操控性能。還可以根據(jù)賽道的具體情況，實時調(diào)整空氣動力學套件的參數(shù)，以適應不同的行駛工況，提高賽車的整體性能。4.2.2轉(zhuǎn)向賽車在轉(zhuǎn)向過程中，外流場會發(fā)生復雜的變化，這些變化對賽車的空氣動力學性能產(chǎn)生重要影響，進而關系到賽車的操控穩(wěn)定性。當賽車轉(zhuǎn)向時，車身姿態(tài)發(fā)生改變，一側(cè)的車輪承受更大的負荷，車身也會出現(xiàn)一定程度的側(cè)傾。這種姿態(tài)的變化導致氣流在賽車表面的流動狀態(tài)發(fā)生顯著改變。在轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)，由于車身的側(cè)傾，空氣受到壓縮，氣流速度降低，壓力升高，形成高壓區(qū)。而在轉(zhuǎn)向外側(cè)，空氣則相對稀薄，氣流速度增加，壓力降低，形成低壓區(qū)。這種壓力差會產(chǎn)生一個側(cè)向力，對賽車的轉(zhuǎn)向產(chǎn)生影響。如果側(cè)向力過大或過小，都會影響賽車的操控穩(wěn)定性。側(cè)向力過大，賽車可能會出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向的情況，導致失控；側(cè)向力過小，則賽車可能轉(zhuǎn)向不足，無法按照預期的軌跡行駛。轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向速度是影響空氣動力學性能的重要因素。隨著轉(zhuǎn)向角度的增大，車身姿態(tài)的變化更加明顯，氣流的擾動也更加劇烈。這會導致空氣阻力和側(cè)向力進一步增大。研究表明，當轉(zhuǎn)向角度從5°增大到15°時，空氣阻力可能會增加10%-20%，側(cè)向力則可能增加30%-50%。轉(zhuǎn)向速度也會對空氣動力學性能產(chǎn)生影響。快速轉(zhuǎn)向時，氣流來不及充分調(diào)整，會在車身周圍形成更復雜的漩渦和分離流，進一步增加空氣阻力和側(cè)向力的波動，影響賽車的穩(wěn)定性。為了提高賽車在轉(zhuǎn)向時的操控穩(wěn)定性，在空氣動力學設計方面可以采取一系列措施。合理設計車身的側(cè)裙，側(cè)裙能夠引導氣流，減少車身側(cè)面的氣流擾動，降低側(cè)向力的波動。通過優(yōu)化側(cè)裙的形狀和高度，使其能夠在轉(zhuǎn)向時有效地阻擋氣流，減少空氣進入車身底部，從而提高賽車的側(cè)向穩(wěn)定性。調(diào)整尾翼的角度和位置，尾翼在轉(zhuǎn)向時可以產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)向方向相反的氣動力，幫助賽車保持穩(wěn)定。通過精確計算和實驗驗證，確定尾翼在轉(zhuǎn)向時的最佳角度和位置，使其能夠在不增加過多空氣阻力的情況下，提供足夠的穩(wěn)定力。還可以在車身上設置擾流板或?qū)Я鞑郏@些裝置能夠改變氣流的流動方向，增加空氣對車身的作用力，提高賽車的操控性能。在車頭設置擾流板，能夠引導氣流向下，增加車頭的下壓力，提高轉(zhuǎn)向的精準性；在車身側(cè)面設置導流槽，能夠?qū)饬饕龑У杰囄玻瑴p少側(cè)向力的產(chǎn)生，提高賽車的穩(wěn)定性。通過數(shù)值模擬和實驗研究，對賽車轉(zhuǎn)向過程中的外流場變化進行了深入分析。在數(shù)值模擬中，利用CFD軟件建立了賽車轉(zhuǎn)向的模型，設置了不同的轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向速度工況，模擬賽車在轉(zhuǎn)向過程中的外流場情況。通過模擬結(jié)果，可以清晰地觀察到氣流在車身表面的流動變化，分析空氣阻力、側(cè)向力等參數(shù)的變化規(guī)律。在實驗研究中，制作了能夠模擬轉(zhuǎn)向的賽車模型，并在風洞中進行實驗。通過測量不同轉(zhuǎn)向工況下賽車的空氣動力系數(shù)、壓力分布等參數(shù)，與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比驗證。實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相互印證，為研究賽車轉(zhuǎn)向時的空氣動力學性能提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。4.2.3加速與制動賽車在加速和制動時，外流場會產(chǎn)生動態(tài)變化，這些變化對賽車前后軸負荷分配產(chǎn)生影響，進而影響賽車的操控性能和穩(wěn)定性。在加速過程中，賽車的速度逐漸增加，外流場的氣流速度也隨之增大。由于車頭部分空氣受到的沖擊增大，壓力升高，形成一個較大的高壓區(qū)。車尾部分則由于氣流的分離和尾流的形成，壓力相對較低。這種壓力差會導致賽車的車頭抬起，車尾下沉，使賽車的重心后移，后軸負荷增加，前軸負荷減少。后軸負荷的增加可以提高后輪的附著力，有利于動力的傳遞，使賽車能夠更有效地加速。但如果后軸負荷過大，前軸負荷過小，會導致賽車的轉(zhuǎn)向性能下降，操控穩(wěn)定性變差。當前軸負荷過小時，前輪的附著力不足，賽車在轉(zhuǎn)向時容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足的情況，影響賽車的行駛軌跡。制動時，賽車的速度迅速降低，外流場的氣流速度也相應減小。此時，車頭部分的壓力降低，車尾部分的壓力相對升高。這種壓力差會使賽車的車頭下沉，車尾抬起，重心前移，前軸負荷增加，后軸負荷減少。前軸負荷的增加可以提高前輪的制動效果，使賽車能夠更有效地減速。但如果前軸負荷過大，后軸負荷過小，會導致賽車的制動穩(wěn)定性下降，容易出現(xiàn)甩尾等失控現(xiàn)象。當后軸負荷過小時，后輪的附著力不足，在制動過程中容易失去抓地力，導致賽車失控。為了優(yōu)化賽車在加速和制動時的空氣動力學性能，可以采取相應的措施。在車身設計方面，合理調(diào)整車身的形狀和空氣動力學套件的布局，以減小加速和制動時氣流對車身姿態(tài)的影響。通過優(yōu)化車頭和車尾的形狀，使氣流在車頭和車尾的流動更加順暢，減少壓力差的產(chǎn)生，從而降低車身姿態(tài)的變化幅度。在空氣動力學套件設計方面，安裝合適的擾流板和導流板，以改善氣流的流動，優(yōu)化前后軸負荷分配。在車頭安裝擾流板，使氣流向下偏轉(zhuǎn)，增加車頭的下壓力，減少加速時車頭的抬起；在車尾安裝導流板，引導氣流向上，減少車尾的壓力，降低制動時車尾的抬起。通過這些措施，可以使賽車在加速和制動時保持更穩(wěn)定的姿態(tài)，提高操控性能和穩(wěn)定性。通過數(shù)值模擬和實驗研究，對賽車加速和制動時外流場的動態(tài)變化進行了深入分析。在數(shù)值模擬中，利用CFD軟件建立了賽車加速和制動的模型，設置了不同的加速和制動工況，模擬賽車在加速和制動過程中的外流場情況。通過模擬結(jié)果，可以清晰地觀察到氣流在車身表面的壓力分布和速度變化，分析前后軸負荷分配的變化規(guī)律。在實驗研究中，制作了能夠模擬加速和制動的賽車模型，并在風洞中進行實驗。通過測量不同工況下賽車的空氣動力系數(shù)、壓力分布以及前后軸負荷等參數(shù)，與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比驗證。實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相互補充，為研究賽車加速和制動時的空氣動力學性能提供了全面的數(shù)據(jù)支持，為優(yōu)化賽車的空氣動力學設計提供了有力的依據(jù)。4.3環(huán)境因素4.3.1氣溫氣溫對FSAE賽車外流場特性有著顯著影響，主要通過改變空氣密度和粘性來實現(xiàn)。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程p=\rhoRT（其中p為壓強，\rho為密度，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度），當氣溫升高時，空氣密度會降低。在FSAE賽車的行駛過程中，空氣密度的減小會導致空氣分子對賽車表面的撞擊力減弱，從而使空氣阻力減小。研究表明，在其他條件不變的情況下，氣溫每升高10℃，空氣密度大約降低3%-5%，相應地，空氣阻力系數(shù)可能會降低2%-4%。這意味著在高溫環(huán)境下，賽車在直線行駛時能夠獲得更高的速度，因為發(fā)動機需要克服的空氣阻力減小，能夠?qū)⒏嗟墓β兽D(zhuǎn)化為賽車的動能。氣溫升高還會使空氣的粘性發(fā)生變化。空氣粘性隨溫度升高而增大，這是由于溫度升高時，空氣分子的熱運動加劇，分子間的相互作用力增強，導致粘性增加。空氣粘性的增大對賽車外流場特性產(chǎn)生多方面的影響。在邊界層內(nèi)，粘性的增加會使邊界層厚度增大，這是因為粘性力阻礙了氣流的流動，使得靠近賽車表面的氣流速度降低，從而形成更厚的邊界層。邊界層厚度的增大可能會導致氣流分離提前發(fā)生，當氣流在賽車表面流動時，遇到不利的壓力梯度，如果邊界層過厚，氣流就更容易脫離賽車表面，形成漩渦和尾流，增加空氣阻力。邊界層厚度的變化還會影響賽車表面的壓力分布，進而影響升力和下壓力。如果邊界層在某些部位過厚，會導致該部位的壓力分布不均勻，使升力和下壓力發(fā)生變化，影響賽車的操控穩(wěn)定性。在不同氣溫條件下，賽車的性能優(yōu)化策略需要做出相應調(diào)整。在高溫環(huán)境下，由于空氣阻力減小，賽車可以適當增加空氣動力學套件的下壓力，以提高操控穩(wěn)定性。通過調(diào)整尾翼的角度和尺寸，使其產(chǎn)生更大的下壓力，將賽車更緊密地壓向地面，增加輪胎與地面的附著力，從而提高賽車在彎道行駛時的穩(wěn)定性和速度。由于空氣粘性增大，邊界層厚度增加，需要優(yōu)化賽車的外形設計，減少氣流分離。可以采用更光滑的車身表面和合理的圓角設計，使氣流更順暢地流過車身，減小邊界層的厚度，降低空氣阻力。在低溫環(huán)境下，空氣密度增大，空氣阻力增加，賽車應注重降低空氣阻力。可以通過優(yōu)化車身形狀，使其更加流線型，減少車身表面的凸起和凹陷，降低空氣阻力系數(shù)。由于空氣粘性減小，邊界層厚度變薄，賽車的空氣動力學套件可以適當減小下壓力，以避免下壓力過大導致空氣阻力進一步增加，影響賽車的直線速度。4.3.2氣壓氣壓對FSAE賽車的空氣動力學性能有著重要影響，其變化會直接作用于賽車的空氣阻力和升力，進而對賽車在不同海拔地區(qū)的比賽表現(xiàn)產(chǎn)生顯著影響。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程p=\rhoRT，氣壓p與空氣密度\rho成正比關系。當氣壓降低時，空氣密度隨之減小。在賽車行駛過程中，空氣密度的減小會導致空氣分子對賽車表面的撞擊頻率和力度降低，從而使空氣阻力減小。這是因為空氣阻力的大小與空氣密度、流速以及物體與空氣的接觸面積等因素有關，在流速和接觸面積不變的情況下，空氣密度減小，空氣阻力也會相應減小。研究表明，在其他條件相同的情況下，氣壓每降低10kPa，空氣密度大約降低10%-15%，空氣阻力系數(shù)可能會降低8%-12%。這意味著在低氣壓環(huán)境下，賽車在直線行駛時能夠更輕松地克服空氣阻力，從而獲得更高的速度。氣壓變化對升力也有顯著影響。升力的產(chǎn)生與空氣在賽車表面的流速和壓力分布密切相關。根據(jù)伯努利原理，在流速大的地方壓力小，流速小的地方壓力大。當氣壓降低時，空氣密度減小，在相同的賽車行駛速度下，空氣在賽車表面的流速相對增大，從而導致賽車上下表面的壓力差發(fā)生變化，升力也隨之改變。一般來說，氣壓降低會使升力減小。這是因為空氣密度減小后，空氣對賽車表面的作用力減弱，難以形成較大的壓力差來產(chǎn)生升力。在高海拔地區(qū)，氣壓較低，賽車的升力會明顯減小，如果賽車的空氣動力學設計沒有考慮到這一點，可能會導致賽車在行駛過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，影響操控性能。在不同海拔地區(qū)，賽車的設計和調(diào)校需要充分考慮氣壓因素。在高海拔地區(qū)，由于氣壓低，空氣阻力小，賽車可以適當增加空氣動力學套件的下壓力，以提高操控穩(wěn)定性。通過調(diào)整尾翼的角度和尺寸，使其產(chǎn)生更大的下壓力，將賽車更緊密地壓向地面，增加輪胎與地面的附著力，從而提高賽車在彎道行駛時的穩(wěn)定性和速度。可以優(yōu)化擴散器的設計，提高其對氣流的引導作用，進一步增加下壓力。由于升力減小，需要對賽車的懸掛系統(tǒng)和輪胎進行調(diào)整，以適應這種變化。可以適當降低懸掛的剛度，增加輪胎的氣壓，以提高輪胎的抓地力，保證賽車的操控性能。在低海拔地區(qū)，氣壓較高，空氣阻力和升力相對較大，賽車應注重降低空氣阻力和控制升力。可以通過優(yōu)化車身形狀，使其更加流線型，減少車身表面的凸起和凹陷，降低空氣阻力系數(shù)。調(diào)整空氣動力學套件的參數(shù)，減小尾翼的角度和尺寸，在保證一定下壓力的前提下，降低升力，避免升力過大導致賽車在高速行駛時出現(xiàn)“飄”的現(xiàn)象，影響操控穩(wěn)定性。4.3.3濕度濕度對FSAE賽車外流場特性的影響主要源于其對空氣性質(zhì)的改變，進而對賽車的氣動性能產(chǎn)生潛在作用。濕度是指空氣中水汽的含量，通常用相對濕度來表示。當濕度增加時，空氣中水汽的含量增多。由于水汽的分子量小于干空氣的平均分子量，在相同的溫度和壓力條件下，含有更多水汽的濕空氣密度會略小于干空氣。根據(jù)空氣動力學原理，空氣密度的變化會對賽車的空氣阻力產(chǎn)生影響。當空氣密度減小時，空氣分子對賽車表面的撞擊力減弱，空氣阻力相應減小。研究表明，在濕度從30%增加到80%的情況下，空氣密度大約降低0.5%-1%，空氣阻力系數(shù)可能會降低0.3%-0.8%。雖然這種變化相對較小，但在FSAE賽車這種對性能要求極高的競賽中，微小的空氣阻力變化也可能對賽車的速度和動力消耗產(chǎn)生一定的影響。濕度還會影響空氣的粘性。隨著濕度的增加，空氣的粘性會略有增大。這是因為水汽分子與干空氣分子之間的相互作用會改變空氣分子的運動狀態(tài)，使得空氣內(nèi)部的摩擦力增加，從而導致粘性增大。空氣粘性的增大對賽車外流場中的邊界層特性產(chǎn)生影響。在邊界層內(nèi)，粘性力起著重要作用，粘性增大使得邊界層厚度有增大的趨勢。邊界層厚度的變化會影響氣流在賽車表面的附著和分離情況。如果邊界層過厚，氣流在遇到不利的壓力梯度時更容易發(fā)生分離，形成漩渦和尾流，這不僅會增加空氣阻力，還會影響賽車的升力和下壓力分布，進而影響賽車的操控穩(wěn)定性。在賽車的尾翼和擴散器等關鍵空氣動力學部件周圍，邊界層厚度的變化可能會導致這些部件的性能下降，無法有效地產(chǎn)生所需的下壓力，影響賽車在彎道行駛時的穩(wěn)定性和速度。在高濕度環(huán)境下，為優(yōu)化賽車性能，可采取以下建議。在賽車的外形設計方面，進一步優(yōu)化車身表面的光滑度和曲率，減少氣流分離的可能性。通過精細的設計和制造工藝，使車身表面更加光滑，減少表面粗糙度對氣流的干擾，降低邊界層增厚帶來的不利影響。在空氣動力學套件的設計和調(diào)整上，考慮增加尾翼和擴散器的有效面積或調(diào)整其角度，以彌補因濕度變化導致的下壓力損失。通過優(yōu)化尾翼和擴散器的設計，提高它們對氣流的引導和控制能力，確保在高濕度環(huán)境下仍能產(chǎn)生足夠的下壓力，增強賽車的操控穩(wěn)定性。還可以對賽車的輪胎進行特殊處理或選擇適合高濕度環(huán)境的輪胎。高濕度環(huán)境下，輪胎與地面的摩擦力可能會受到影響，通過選擇具有更好排水性能和抓地力的輪胎，或者對輪胎表面進行特殊的花紋設計和材料處理，提高輪胎在濕滑路面上的抓地力，保證賽車的操控性能。五、FSAE賽車外流場優(yōu)化方法與實踐5.1優(yōu)化策略制定根據(jù)外流場特性分析和影響因素研究結(jié)果，明確FSAE賽車外流場優(yōu)化的目標是在不同行駛工況下，全面提升賽車的空氣動力學性能，以滿足賽車在加速、制動、彎道行駛等各種場景下的性能需求。具體而言，優(yōu)化目標包括減小空氣阻力，提高下壓力，增強穩(wěn)定性，確保賽車在高速行駛時能夠保持良好的操控性能和動力性能。在優(yōu)化過程中，遵循以下原則：一是綜合平衡原則，即在減小空氣阻力、提高下壓力和增強穩(wěn)定性之間尋求最佳平衡。不同的優(yōu)化措施可能會對這些性能指標產(chǎn)生不同的影響，因此需要綜合考慮，避免出現(xiàn)顧此失彼的情況。在增加尾翼下壓力時，可能會導致空氣阻力的增加，需要通過優(yōu)化尾翼的形狀和角度，在保證足夠下壓力的同時，盡量減小空氣阻力的增加幅度。二是針對性原則，根據(jù)賽車在不同行駛工況下的特點和需求，制定針對性的優(yōu)化策略。在高速行駛時，重點減小空氣阻力，提高直線速度；在彎道行駛時，著重提高下壓力和穩(wěn)定性，確保賽車能夠安全、快速地通過彎道。三是可行性原則，優(yōu)化方案要考慮實際的制造工藝和成本限制，確保方案能夠在實際生產(chǎn)中得以實現(xiàn)。選擇合適的材料和制造工藝，在保證優(yōu)化效果的前提下，控制成本，提高方案的可行性。基于上述優(yōu)化目標和原則，提出以下具體的優(yōu)化策略和方法：在外形優(yōu)化方面，進一步優(yōu)化車身形狀，使其更加符合空氣動力學原理。通過調(diào)整車身線條和曲面形狀，減少氣流分離和漩渦的產(chǎn)生，降低空氣阻力。采用平滑的車身表面過渡，避免出現(xiàn)尖銳的棱角和凸起，使氣流能夠順暢地流過車身。優(yōu)化車頭和車尾的造型，使車頭能夠更好地引導氣流，減少空氣阻力；車尾能夠有效減少尾流的產(chǎn)生，提高空氣動力學效率。對空氣動力學套件進行優(yōu)化設計，合理調(diào)整尾翼的角度和尺寸、擴散器的形狀和深度以及側(cè)裙的高度和長度，以提高下壓力和操控穩(wěn)定性。通過數(shù)值模擬和實驗研究，確定尾翼的最佳攻角和尺寸，使其在產(chǎn)生足夠下壓力的同時，不會過多地增加空氣阻力。優(yōu)化擴散器的設計，提高其對氣流的加速和引導作用，增強下壓力。調(diào)整側(cè)裙的參數(shù)，使其能夠更好地控制車身側(cè)面的氣流，減少側(cè)向力的波動，提高賽車的穩(wěn)定性。在部件調(diào)整方面，對車身