CN113371081B - 一种基于升力线理论的方程式赛车前翼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于升力线理论的方程式赛车前翼，包括主翼和增升扰流装置，所述增升扰流装置包括两个增升扰流单元，所述增升扰流单元包括端板、三级襟翼、二级襟翼、第一固定板和第二固定板，所述端板固定连接在主翼的一端，第一固定板和第二固定板固定连接在主翼的一侧，第一固定板位于端板和第二固定板之间；二级襟翼固定连接在端板和第一固定板之间，三级襟翼固定连接在第一固定板和第二固定板之间；两个增升扰流单元沿主翼中心线，对称布设在主翼的两侧。该赛车前翼具有高升阻比，且能有效导流。

Description

一种基于升力线理论的方程式赛车前翼

技术领域

本发明属于赛车空气动力学技术领域，具体来说，涉及一种基于升力线理论的方程式赛车前翼。

背景技术

方程式赛车的前翼安装在整个赛车的最前部，由主体翼面结构和许多附加结构组成，最前端的水平翼片称为主翼，其后上方有攻角的倾斜翼片称为襟翼或副翼。从翼型的原理可知，有主翼和襟翼就能够产生下压力，但方程式赛车的前翼却并非这种简单结构。

大学生方程式赛车比赛中，赛车的百公里加速度在4秒左右，动态项目中操控性测试以及8字绕环测试要求赛车在弯道时拥有充足的抓地力。在合理的整车布局条件下，为了提高赛车弯道极速，还需获得气动负升力，保证轮胎抓住赛道。大学生方程式赛车的前翼产生用于平衡整车的下压力，增大前轮的抓地力的同时对来流进行疏导。方程式赛车的前轮因暴露在外，巨大的空气阻力有抬起前轮的趋势，不利于赛车过弯，因此前翼造型在保证下压力的同时需考虑前轮与整车的流场。

2021年规则规定，前轮中轴线以前和通过轮心高度处的前轮轮胎最内侧以外围成的区域不得高于地面以上250mm处。这条规则限定了今年的赛车不能像往年一样通过简单地在外侧使用多层襟翼遮挡轮胎从而阻止气流抬升轮胎。大部分的赛车会选择在展向的外侧加装襟翼，通过弦长较长的直主翼获得较大下压力，但是这样设计的前翼风阻较大，主翼外侧受到的载荷较大导致车体高速行驶时若受到路面激振前翼变形较大，前翼升阻比较低，并且一般的前翼无法起到导流作用，无法使其后方的气动套件效率升高。

发明内容

技术问题：本发明旨在解决上述方程式赛车前翼存在的问题，提供一种基于升力线理论的方程式赛车前翼，具有高升阻比，且能有效导流。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用以下的技术方案：

一种基于升力线理论的方程式赛车前翼，包括主翼和增升扰流装置，所述增升扰流装置包括两个增升扰流单元，所述增升扰流单元包括端板、三级襟翼、二级襟翼、第一固定板和第二固定板，所述端板固定连接在主翼的一端，第一固定板和第二固定板固定连接在主翼的一侧，第一固定板位于端板和第二固定板之间；二级襟翼固定连接在端板和第一固定板之间，三级襟翼固定连接在第一固定板和第二固定板之间；两个增升扰流单元沿主翼中心线，对称布设在主翼的两侧。

优选的，所述主翼使用Wortmann FX 74-CL5-140 Modified高升力翼型，靠近主翼中间的翼型攻角为正攻角，靠近主翼两端的翼型攻角为负攻角，从而在主翼上形成椭圆形环量分布，主翼翼型沿展向的攻角分布为-2°～4.39°。

优选的，所述三级襟翼包括从下向上依次、且错位布设的内侧一级襟翼、内侧二级襟翼和内侧三级襟翼；内侧一级襟翼和内侧二级襟翼之间，以及内侧二级襟翼和内侧三级襟翼之间分别形成内通道；内侧一级襟翼、内侧二级襟翼和内侧三级襟翼形成内合成翼型。

优选的，所述二级襟翼包括从下向上依次、且错位布设的外侧一级襟翼和外侧二级襟翼，外侧一级襟翼和外侧二级襟翼之间形成外通道；外侧一级襟翼和外侧二级襟翼形成外合成翼型。

优选的，所述内合成翼型的弯度大于外合成翼型的弯度。

优选的，所述内通道的宽度大于外通道的宽度。

优选的，所述内侧一级襟翼、内侧二级襟翼、内侧三级襟翼、外侧一级襟翼和外侧二级襟翼均采用profili翼型库中高升力翼型s1223翼型；内侧一级襟翼的攻角为16°～19°,沿展向逐渐减小；内侧二级襟翼的攻角为29°～33°，沿展向逐渐减小；内侧三级襟翼的攻角为39°～44°，沿展向逐渐减小；外侧一级襟翼的攻角为8°～10°，沿展向逐渐减小；外侧二级襟翼的攻角为25°～27°，沿展向逐渐减小。

优选的，所述增升扰流单元还包括半圆形保压条，保压条固定连接在端板外侧下沿。

有益效果：本发明实施例采用了主翼、三级襟翼和二级襟翼组合的气动布局，这样的布局具有更好的扰流效果，可以使得水平来流在通过前翼后向车身中轴线聚拢，进入位于车身中部的扩散器入口，增加扩散器的效率，同时这样的设计会使部分气流绕过滚动车轮，大大减小由于马格努斯效应造成的滚动车轮升力和由于滚动车轮与来流较高的相对速度引起的阻力。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的正视图；

图3是本发明实施例的俯视图；

图4是本发明实施例与赛车其他部件的安装图。

附图标记：1、主翼；2、保压条；3、外侧一级襟翼；4、端板；5、外侧二级襟翼；6、内侧一级襟翼；7、内侧二级襟翼；8、内侧三级襟翼；9、第一固定板；10、第二固定板。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1至图4所示，本发明实施例的方程式赛车前翼，包括主翼1和增升扰流装置。增升扰流装置包括两个增升扰流单元。增升扰流单元包括端板4、三级襟翼、二级襟翼、第一固定板9和第二固定板10。端板4固定连接在主翼的1一端，第一固定板9和第二固定板10固定连接在主翼1的一侧，第一固定板9位于端板4和第二固定板10之间。二级襟翼固定连接在端板4和第一固定板9之间，三级襟翼固定连接在第一固定板9和第二固定板10之间。两个增升扰流单元沿主翼1中心线，对称布设在主翼1的两侧。

上述实施例中，在主翼1两端加装大小合适的端板4，用以隔断下翼面低压区和上翼面高压区与外界气流的直接接触造成的下压力损失。端板4切割成适宜大小，达到轻量化的效果。将端板4切割至能覆盖上翼面，高于来流常压。主翼1的上表面为上翼面。主翼1的下表面为下翼面。上述实施例的赛车前翼包括主要下压力产生结构与起辅助作用的增升扰流装置。其中，主要下压力产生结构为主翼1；增升扰流装置由三级襟翼和二级襟翼，端板4与端板4下沿的保压条2结构组成。主翼1与襟翼、端板等结构通过固定板进行固连，主翼同时可以通过铝制的天鹅颈零件与单体壳中的预埋件相固连。

上述结构的赛车前翼能通过主翼的几何扭转设计与主翼与襟翼形成的缝道提升前翼的升阻比，并且通过三级襟翼与二级襟翼布置方式，实现导流作用，使气流流过前翼后向车身中轴线收集，从而增加赛车其他空气动力学套件的效率。

优选的，所述主翼1使用Wortmann FX 74-CL5-140 Modified高升力翼型，根据最小升力使用升力线理论进行设计，靠近主翼1中间的翼型攻角为正攻角，靠近主翼1两端的翼型攻角为负攻角，从而在主翼1上形成椭圆形环量分布，主翼1翼型沿展向的攻角分布为-2°～4.39°。椭圆形环量分布是延展向处处攻角相等的椭圆形机翼形成的环量分布，对于矩形翼可以通过设置展向上各翼型攻角的值，从而使环量Γ(y)在理论上等于椭圆形环量分布：

具体公式如下：

其中，Γ(y)为环量，Γ₀为翼根剖面处的环量，y为展向坐标；s为展向半总长，α(y)为展向上各翼型的攻角随展向坐标y的函数，V_∞为来流速度，c(y)为翼型弦长，对于矩形翼来说，c(y)为常数；

为升力系数随攻角变化的斜率，ξ(y)为下洗角；a_0l为翼型零升迎角。

由于升力系数斜率随攻角变化，但是观察未失速范围内的曲线可知，使用拟合函数r＝a+bt去拟合升力系数曲线。利用Xfoil得到两个翼型-9-8度攻角的升力系数，再由最小二乘原理可得WortmannFX 74-CL5-140 Modified拟合函数为C_l＝1.248+6.1×α。因此，该翼型的

取6.1。根据最低下压力要求以及前翼主翼设定的参数可以确定椭圆形环量分布表达式。再代入到转角公式中，即可得到主翼沿展向各个位置的几何扭转角α(y)，从而在理论上近似形成椭圆形环量分布。最终由计算确定主翼翼型沿展向的攻角分布为-2°～4.39°。

当机翼展向升力分布为椭圆时，诱导阻力为最小，由于主翼1在保证下压力相同的情况下通过几何扭转设计使升力分布为近似椭圆，使诱导阻力减小，提高了升阻比。

优选的，所述三级襟翼包括从下向上依次、且错位布设的内侧一级襟翼6、内侧二级襟翼7和内侧三级襟翼8。内侧一级襟翼6和内侧二级襟翼7之间，以及内侧二级襟翼7和内侧三级襟翼8之间分别形成内通道；内侧一级襟翼6、内侧二级襟翼7和内侧三级襟翼8形成内合成翼型。内侧三级襟翼与主翼形成合成翼型，合成翼型较单独翼型的弧度更大，可以增大边界层，并且合成翼的单体间的相互作用会获得混合下压力。

优选的，所述二级襟翼包括从下向上依次、且错位布设的外侧一级襟翼3和外侧二级襟翼5，外侧一级襟翼3和外侧二级襟翼5之间形成外通道；外侧一级襟翼3和外侧二级襟翼5形成外合成翼型。外侧二级襟翼与主翼也会形成合成翼型，合成翼型较单独翼型的弧度更大，可以增大边界层，并且合成翼的单体间的相互作用会获得混合下压力。

优选的，所述内合成翼型的弯度大于外合成翼型的弯度。在机翼展向上从中间到两端有两个襟翼布置区，靠近中间的区域布置三级襟翼，靠近端部的区域布置两级襟翼。三级襟翼区前后翼片组成的内合成翼型弯度更高，使后方区域的压强低于二级襟翼区后方区域的压强，实现导流作用。

优选的，所述内通道的宽度大于外通道的宽度。襟翼使用失速攻角较高的s1223翼型。三级襟翼区的前后翼片形成的缝道较宽，更容易加速下翼面的气流，从而促进下翼面压强降低；二级襟翼区前后翼片形成的缝道较窄，主要为了将气流向上导流避开高速转动的车轮，减小阻力。

优选的，所述内侧一级襟翼6、内侧二级襟翼7、内侧三级襟翼8、外侧一级襟翼3和外侧二级襟翼5均采用profili翼型库中高升力翼型s1223翼型；内侧一级襟翼6的攻角为16°～19°,沿展向逐渐减小；内侧二级襟翼7的攻角为29°～33°，沿展向逐渐减小；内侧三级襟翼8的攻角为39°～44°，沿展向逐渐减小；外侧一级襟翼3的攻角为8°～10°，沿展向逐渐减小；外侧二级襟翼5的攻角为25°～27°，沿展向逐渐减小。该优选例中的襟翼布置与上述主翼攻角的设置的组合可以在展向上使靠近车身中轴线的区域压强相对于靠近车轮的区域压强较小，从而能够将来流向位于车身中轴线的扩散器入口导流。也就是说，由于压差作用，流过前翼的水平来流会有向车身中轴线方向的加速度，向位于前翼后方并处于车身中轴线处的扩散器入口集中，从而增大扩散器的下压力。

优选的，所述增升扰流单元还包括半圆形保压条2，保压条2固定连接在端板4外侧下沿。设置半圆形保压条2，从而减少下压力损失。

本实施例的赛车前翼，为满足赛车空套的弹性，刚度要求和连接强度要求。主翼与襟翼的表面材料采用3K斜纹碳纤维布和环氧树脂制成的复合材料，载荷较小区域碳纤维铺层两层，固定位置碳纤维铺层五层；为减小翼片在赛车行驶过程中因气动力与地面随机振动引起的形变，同时保证自重较小满足赛车轻量化要求，选择PMI泡沫作为支撑材料兼模具。

端板4、第一固定板9、第二固定板10用400gsm斜纹预浸料成型；对于主翼1，各级襟翼用PMI泡沫直接铣出翼片的形状，保证翼型精确性，然后采用传统手糊工艺：使用碳纤维喷胶先将碳纤维布粘接固定后刷上环氧树脂，最后将铺完布的翼片放入真空袋抽真空等待树脂固化。手糊工艺可以防止PMI泡沫由于多孔的结构吸收过多的树脂导致增重。制作完成后通过施加压力的方法验证翼片强度，强度足够则用砂纸打磨翼片表面在抽真空时产生的小褶皱，打磨完成后喷涂光油完成表面优化，若强度不足，则检查前面的操作，如真空袋压力，树脂溶液配比，碳纤维层数，时效处理时间等等。

在二维翼型选型上，本实施例采用Wortmann FX 74-CL5-140 Modified和s1223翼型。将前者作为主翼翼型，使主翼比采用其他翼型时拥有更高的升力系数和升阻比；由于后者拥有更高的失速攻角，采用其作为襟翼翼型保证在大攻角下提供充足下压力。本发明在主翼设计时没有采用直机翼，而是通过与飞机机翼类似的几何扭转设计，并应用了与工况相匹配的升力线理论进行设计。这种设计使主翼上的气流接近椭圆形环量分布，减小主翼的诱导阻力从而提高主翼升阻比，同时这种设计可以使主翼承受的气动下压力分布更加均匀，减小前翼在中部和单体壳连接处收到的弯矩。

本实施例的结构可以提升主翼升阻比，使整个主翼的受力分布更加均匀。同时，如图2所示，扭转造成的下翼面穹顶有将流经下翼面的气流向中部导流的作用。襟翼结构中，延展向分为两个部分：低压区和高压区。低压区靠近车身中轴线设置三级襟翼由内侧一级襟翼6、内侧二级襟翼7、内侧三级襟翼襟翼8组成，高压区设置二级襟翼由外侧一级襟翼3和外侧二级襟翼5组成。由于几何扭转设计导致主翼1沿展向不同截面位置的翼型的攻角是不同的，所以为了确定襟翼的攻角与位置，先对主翼翼型的各个剖面的二维仿真得到来流流过主翼后的速度方向，进而再由翼型升力系数随攻角变化图选择合适的内侧一级襟翼6和外侧一级襟翼3沿展向各截面的翼型攻角，再以最大下压力为优化目标由仿真确定内侧一级襟翼6和外侧一级襟翼3与主翼1尾缘的相对位置。外侧二级襟翼5、内侧二级襟翼7、内侧三级襟翼8的形状与安装位置也由同样的方法确定。气流流过内侧一级襟翼6、内侧二级襟翼7、内侧三级襟翼8区域后，将在其后方形成较大负压，从而将外侧气流向位于前翼后方的扩散器收集。

端板4覆盖住旁边主翼1，襟翼4,5形成的组合翼的大部分的高压(比来流压强高)部分和低压(比来流压强低)部分，并且将半圆形保压条2安装于端板4下部形成气流通道从而阻止翼尖气流的下洗现象。设置第一固定板9、第二固定板10固定两个区域的襟翼。

主翼采用Wortmann FX 74-CL5-140 Modified翼型，襟翼均采用s1223翼型。主翼和襟翼布置采用如表1所示的参数设定。通过在展向上不同位置布置截面，在每个截面处布置不同攻角的二维翼型，再通过CATIA“多截面曲面”的建模方式生成主翼。延展向长度以车身中轴线为原点；各级襟翼的坐标以该截面处主翼尾缘点为原点。

表1

该前翼的技术优点为提高了升阻比，减小诱导阻力，不需要额外导流板就有导流效果。导流效果可以通过各个截面的二维仿真结果验证。采用Ansys fluent软件经过fluent流场仿真，可以确定各截面主翼下方同一坐标点的流体质点流速与压强，如表2所示。

表2

从表2可以看出：对于前翼下方，前翼的气动扭转使主翼的外侧相对于主翼内侧的压强更大，对外侧气流有向车身中轴线的扩散器收集的作用。这达到了与在主翼下部安装导流条类似的效果。相比于安装下部导流条，这更易于加工，并且风阻，空套重量均有所减小。

Claims (5)

1.一种基于升力线理论的方程式赛车前翼，其特征在于：包括主翼(1)和增升扰流装置，所述增升扰流装置包括两个增升扰流单元，所述增升扰流单元包括端板(4)、三级襟翼、二级襟翼、第一固定板(9)和第二固定板(10)，所述端板(4)固定连接在主翼的(1)一端，第一固定板(9)和第二固定板(10)固定连接在主翼(1)的一侧，第一固定板(9)位于端板(4)和第二固定板(10)之间；二级襟翼固定连接在端板(4)和第一固定板(9)之间，三级襟翼固定连接在第一固定板(9)和第二固定板(10)之间；两个增升扰流单元沿主翼(1)中心线，对称布设在主翼(1)的两侧；所述三级襟翼包括从下向上依次、且错位布设的内侧一级襟翼(6)、内侧二级襟翼(7)和内侧三级襟翼(8)；内侧一级襟翼(6)和内侧二级襟翼(7)之间，以及内侧二级襟翼(7)和内侧三级襟翼(8)之间分别形成内通道；内侧一级襟翼(6)、内侧二级襟翼(7)和内侧三级襟翼(8)形成内合成翼型；所述二级襟翼包括从下向上依次、且错位布设的外侧一级襟翼(3)和外侧二级襟翼(5)，外侧一级襟翼(3)和外侧二级襟翼(5)之间形成外通道；外侧一级襟翼(3)和外侧二级襟翼(5)形成外合成翼型；所述内合成翼型的弯度大于外合成翼型的弯度。

2.按照权利要求1所述的基于升力线理论的方程式赛车前翼，其特征在于：所述主翼(1)使用Wortmann FX 74-CL5-140 Modified高升力翼型，靠近主翼(1)中间的翼型攻角为正攻角，靠近主翼(1)两端的翼型攻角为负攻角，从而在主翼(1)上形成椭圆形环量分布，主翼(1)翼型沿展向的攻角分布为-2°～4.39°。

3.按照权利要求1所述的基于升力线理论的方程式赛车前翼，其特征在于：所述内通道的宽度大于外通道的宽度。

4.按照权利要求3所述的基于升力线理论的方程式赛车前翼，其特征在于：所述内侧一级襟翼(6)、内侧二级襟翼(7)、内侧三级襟翼(8)、外侧一级襟翼(3)和外侧二级襟翼(5)均采用profili翼型库中高升力翼型s1223翼型；内侧一级襟翼(6)的攻角为16°～19°,沿展向逐渐减小；内侧二级襟翼(7)的攻角为29°～33°，沿展向逐渐减小；内侧三级襟翼(8)的攻角为39°～44°，沿展向逐渐减小；外侧一级襟翼(3)的攻角为8°～10°，沿展向逐渐减小；外侧二级襟翼(5)的攻角为25°～27°，沿展向逐渐减小。

5.按照权利要求1所述的基于升力线理论的方程式赛车前翼，其特征在于：所述增升扰流单元还包括半圆形保压条(2)，保压条(2)固定连接在端板(4)外侧下沿。

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