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古德伍德速度节之肥皂盒挑战赛赛车气动设计

2020-07-03 22:29:52·  来源：中汽中心空气动力学实验室  
　
诞生于1993年，历史悠久的古德伍德速度节，是全英国第二大的汽车文化活动，仅次于F1英国大奖赛。通常在每年6月的某个周末在英国古德伍德小镇举办。相比于其中最


诞生于1993年，历史悠久的古德伍德速度节，是全英国第二大的汽车文化活动，仅次于F1英国大奖赛。通常在每年6月的某个周末在英国古德伍德小镇举办。相比于其中最重头的爬山赛，有那么一小撮人的目的则是看谁能以最快的速度从山顶冲下来，他们就是肥皂盒重力赛车手。

肥皂盒重力赛，顾名思义，赛车手要把自己塞到一辆狭小的看起来像“肥皂盒”一样的赛车里面，没有发动机，完全由重力驱动。在这里,使用轻质材料车身及低阻力轴承的“肥皂盒”的最大车速能够超过105km/h，而想成为一个优秀的“肥皂盒”，关键就在于赛车受到的风阻要尽可能的小。换句话说，除去赛车手的驾驶水平，这是一项主要考验赛车气动设计的赛事。

一辆“肥皂盒”赛车的气动设计，大致可以分为以下阶段：

1. 赛道信息获取

在设计的初期，需要使用GPS绘制赛道的地形图，收集弯道几何尺寸、起始点之间的海拔落差，用以确定车辆的重心、理论最大速度、路面阻力及风阻带来的能量损失，等等。

GPS测绘图显示了赛段的地形，图中的黑色线段即为赛段路线

根据GPS测绘的数据，结合官方允许的车辆最大质量限值135kg，在不考虑能量损耗的前提下，可以达到的最大速度接近130km/h，该速度将作为气动设计的参考速度。

2. 造型概念设计

官方允许的车辆外形只有两种：“流线型（Streamliner）”和“敞篷型（Roadster）”。流线型的封闭式车体可以给与车手更安全的防护，同时更容易进行风阻的优化，缺点是造价相对较高；敞篷型造价低廉，容易制造，对于车体材料轻量化的要求不高，但开放式的驾驶舱对整车的空气动力学设计提出了更高的要求，且在事故中欠缺对于车手的保护。



敞篷型（Roadster）



流线型（Streamliner）
确定了基本车型后，需要从重心、迎风面积、浸湿面积等方面对多种概念造型进行初步筛选，保留其中的一种或几种进行下一步的分析。

3. 骨架及底盘设计

因为严格的重量限制，“肥皂盒”赛车一般不采用悬架等传统意义上的底盘设计，底盘和车身骨架融为一体，设计过程中主要考虑车手的坐姿带来的迎风面积和车辆重心的变化、在赛事规定的车身红线尺寸范围内，设计者要尽力获得更小的迎风面积和更低的车辆重心。


法规模型限制区域

为了更方便地进行赛车的合规性设计，通常会构造一个“法规模型”，如上图所示，白色的盒子区域代表赛车的外廓尺寸，灰色的区域代表轮轴距的范围，红色的平面则是车手视线的最低水平面。设计者利用这个模型，可以很直观地在法规允许范围内优化车架和底盘的设计。

4. 外造型CFD仿真分析

在前面的概念造型阶段筛选下来的几种不同的造型，会在这个阶段里进行CFD仿真计算，对比不同造型间的气动系数Cd、CL的差异，对造型进行初步的优化。


不同的“流线型”造型组合示例

如果计算资源有限，则可以考虑使用简化计算（忽略车轮、只计算半个车身）等方法更有效率地进行此步骤。


车身压力云图（一半车身、无车轮）

5. 风洞实验

在这个阶段，会基于CFD仿真计算确定的造型制作一个硬质的车辆模型，进行风洞实验，对整个气动设计的外造型方案进行最终的验证和调整。首先要搞定的问题是确定车辆模型的缩比尺寸，最理想的肯定是1:1的实车比例，但如果这是一个低成本的项目（大部分参赛车队的情况），设计者可能没有在实车风洞内进行实验的预算。这时候就需要在模型风洞内进行实验，随之而来的就是各种问题：模型实验如何保持与实车实验相同或相似的雷诺数？如何控制阻塞比在一个合理的范围内？模型如何与风洞的移动地面系统和天平系统进行匹配和安装……以上这些问题互为掣肘，设计者需要在它们之间找到一个平衡点。


某模型风洞顶置天平安装方式及不同缩比尺寸的匹配度：
红（25%）/蓝（40%）/绿（50%）

确定模型的缩比尺寸后，就可以开始进行模型的设计及制作，由于是气动设计的最终验证阶段，该模型应该体现尽量多的实车细节，如车轮、转向系统、刹车系统等，以保证风洞实验的准确性。


设计完成的“肥皂盒”赛车风洞缩比模型

完成风洞实验后，整台“肥皂盒”赛车的气动设计即告一段落，可交由其他团队进行后续系统的设计。待实车制作完成，需进行实际赛道路试，对整车的气动性能进行确认。 
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