FSAE空力笔记 I——从那抹撩人的八字胡说起
FSAE大学生方程式2019-04-26 17:11
关于作者目前在美国读本科大二，美国二流车队空力组。没修fluid和aerodynamics的课，上完大一后主管空力设计。车队的知识传承基本没有，FSAE自学党。文内中英文夹杂，还请见谅。本文内容纯属个人观点，欢迎一起讨论交流，也欢迎来知乎找我玩。
这几年FS/FSAE空力变得越来越复杂，空力一直是所有车队最具创新的部门，没有之一。个人感觉很多车队的实力和他们空套概念成正比，其中也不乏反例（曾经听Claude Roullel说即使是强队的空套也有很多是poor concept）。这里就简简单单聊一下这些年比较新奇的设计。
这两年最具创新的设计应该是Rennteam Uni Stuttgart的Whisker。Whisker的设计概念已经公布在了FStotal上。这里就截个屏发一下原文和图片。
Rennteam Uni Stuttgart的F0711-11是第一辆也是世界第一辆装有Whisker的FSAE Racer
AMZ2018年新车eiger也装有Whisker，但与Rennteam是不同的concept。AMZ去年拿到了电车和无人车双项冠军
Rennteam的CFD图片, 上面标注了由涡流造成的速度梯度变化
AMZ的CFD图片, 上面标注了由涡流造成的速度梯度变化，很明显AMZ的涡流更大强度更高。
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这里谈到了几个也装有whisker的车队，莫纳什，AMZ，TUGraz，HSK和TBR以及我们队都用到的相同的设计，但这个设计的版权依然是Rennteam的。这里上几个队的图片，包括我们队在Lincoln比赛的照片。
莫纳什220kg的钢架车，但实力惊人的强
Team Bath Racing
TU Graz的Tankia 2018，今年在德国赛拿到了油车整体第二的好成绩，他们的车属于Low drag concept。此外，他们的KTM单缸机有着15.13的惊人压缩比，得益于他们的engine dyno，同时也是把KTM 450 SXF和KTM EXC 500拼起来的结果。
High Speed Karlsruhe。他们今年的油车成绩超过了KIT，（一般来说，TU级别的要比UAS要强，也不乏像GFR这种级别的存在）
在Lincoln拿了整体第六，当然强队少外加强队退赛的多，靠运气拿了第六
Whisker原理基本上是用airfoil底部的高Cp区和上部低Cp区来控制气流上洗和用机翼的翼尖涡流来控制tire wake，从而后移COP和提升整体CL。这决定了whisker的两个属性，必须要产生升力，以及没有端板。AMZ的设计相对比较特殊，他们前移了whisker以产生足够强的翼尖涡流。这点和Delft 2019 年新车类似。
Delft的Whisker概念类似于AMZ，但似乎更靠后更低
Delft早早便公布了新车的CAD模型，而且他们在CAD发布会上说他们今年主攻空力，欧陆第一的航空航天工程学院终于能拿出点像样的设计了，当然不止他们一队公布了新车的CAD，Oxford Brooks也公布了CAD模型，OBR的Aero也很有意思，这里后面再说
我们队之前的数据显示尾翼CL提升了20%，当然这个设计对尾翼的影响因人而异。我接手了空力之后，因为没有知识传承和详细的设计报告，而且在Lincoln设计答辩被裁判狠狠地批了一通（空力阿三毕业后直接拍拍屁股走人了，他的设计我并不清楚，2018年Lincoln是我第一次参加设计答辩，所以完全没有经验，给的comment是design for straight line），所以整个设计推到重来，whisker和部分前翼设计是被保留了下来了。
我们队今年的尾翼CL在安装了whisker之后只提升了10%，因为我设计的尾翼很小，所以效果有限，但是整体上尾翼效果要比去年好很多。尾翼的下压力不但取决于尾翼设计，更多取决于bodywork interference和车身flow separation的程度。降低这两方面的影响就能减少动压损失，进而提升CpT，使得尾翼有更多的下压力。而bodywork interference和flow separation主要来自头枕和前翼的上洗气流，这也是为什么我的尾翼特别小的原因。我是以头枕上方基准线为尾翼纵向起点来设计的尾翼而不是像18年我们车以头枕中部为起点。同时还要考虑引擎仓方面的影响，air intake会产生很多的wake而且很多队伍的intake都装在很高的位置，对尾翼的影响很多。由于我们是钢架车，所以引擎方面是没有覆盖的，导致车辆后部引擎部分经常和尾翼抢气流，我的CFD模型的引擎部分就是个实体方块，因为我们这里没有cluster，所以细节方面就被省略了，这也是为什么尾翼特别高的原因之一，算是减小与现实之间的差距吧。
跑CFD发现一个很有意思的事，尾翼的CD在做单个模拟和整车模拟基本上没有多大的变化，而CL变化非常大。虽然说阻力在FSAE空力里最不重要，特别是油车，但尽量地减小也没有坏处，除非为了后移COP而故意增加阻力（这里我建议做尾翼的优化就做整车的模拟，而不是单个尾翼的模拟，我设计尾翼没有做2D模拟，完全是靠书里的wing theory来做设计的，因为2D模拟优化纯属是挤牙膏，单个尾翼做得再好放到车上大多数不能达到预期，而且浪费时间。唯一能做非整车模拟的大概就只有前翼了）
关于翼尖涡流的方面，个人觉得效果真的有限。一个是FSAE的速度不高，所以翼尖涡的强度和大小很有限，yaw的模拟上翼尖涡的会更小。另外翼尖涡的效果也取决于你的Side wing的设计，我今年设计了Undertray而不是Side wing，考虑了很多因素，其中包括tire wake 方面，但是影响并不是很大，更多是yaw sensitivity方面和COP方面的原因（Side wing COP都靠前，wing theory提到过单个wing的COP都在前1/4的地方）。
关于安装的问题，我把whisker安装在前翼端板上了。因为我们是钢架车，如果直接铆接在车架上nose就取不下来了，还需要有人爬到车里拧螺丝，所以我直接就设计来较大的前翼端板以便安装whisker。
另外说一下whisker攻角和翼型的问题，我这里翼型是前任自己设计的，设计的角度是-13度，一般翼型-5度就失速了，这里考虑到前翼气流上洗，所以上表面的边界层才没有分离。我个人觉得自己设计翼型完全没有必要，翼型库有很多低雷诺数的翼型。Delft新车直接用S1223加类似-5度的攻角。另外，wkisker的产生的升力基本上可以忽略不计。
至此，前翼对尾翼的影响已经降到了最低，我可以设计一个非常强大的前翼而不用担心对尾翼的影响，不用像以前以牺牲前翼下压力为代价来减少气流上洗以平衡尾翼，whisker带来的是整体的提升和更多的前翼和尾翼设计自由度。
我设计的第一个空套，在平直状态80kph下产生1100N下压力，冬天用寒假的时间做了概念设计，已经达到1250N的水平，当然钢架车空力效果就呵呵了
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话说回来，前几天公布的F1 2021年概念也有whisker的身影，只不过这不是为了提升尾翼的下压力而存在的，而是提升底板的下压力而存在的。
Endplate louvres（尾翼端板百叶窗）
书中的解释是这样的，外加他们的测试图片。
基本上是说通过百叶窗这样的结构来产生与endplate vortice反向的涡流，进而减少endplate voritce的涡流，从而减少诱导阻力，下压力有些许的提升。
这样的设计一般都用在高速开轮方程式赛车上。FSAE赛车阻力并不重要，但也不乏像TU Graz声称自己是low drag concept为了赢efficiency的和TUFast这样的空力怪兽的应用。这不是简单的端板打孔，这百叶窗结构实际上是一个个倾斜的机翼。自己做过CFD模拟，发现简单的打孔是完全做不到产生涡流进而减少阻力的，反而减少下压力。此外，我们这里的碳纤维工艺达不到，车队也没有资金让大公司特制，所以我自己设计时想都没想就放弃了。另外，我这里没有做过yaw sensitivity的模拟，Fz和Fy的数值不好说。Endplate lourves应该是为了直线速度而设计的，而不是yaw。我估计在yaw情况下side force的数值会降低，下压力不好说。对我来说side force要比直道上的阻力要重要得多，特别是FSAE。
CLA 6.8的Tufast EB018，FSAE里最强的空力套件。在密歇根见过他们一次，我本来想近距离看看他们的车的，结果他们都不让我靠近他们的车，弄得我真的不爽。Tufast从今年开始不做油车了，转向无人车了，所以再也见不到了。当然，鉴于去年无人车第一和第二名300多分的差距，TUfast还有很长的路要走。
TU Graz Tankia 2017，他们2018车没有装Endplate louvres。
Endplate louvres vortices
Tankia 2017 CFD
前翼气流上洗
这里不得不多说一句关于TUFast的车。他们2018的电车完全是以空力为标准设计的车，他们先设计车的空套，然后根据ride height，roll和各种空力mapping来设计悬挂和单体壳，当然这样大胆的决定完全是以足够的资金和知识为基础的，而且他们声称想要最好的空套必须要有单体壳，同时他们还表示他们有最硬的单体壳。他们的冷却系统集成了吹气扩散器和monkey seat这样F1才有的东西，还有sharkfin以降低尾翼yaw sensitivity。似乎现在很多顶级车队已经开始以牺牲机械抓地力为代价发展空力了，而不是像我们这样的美国二流车队以车架和悬挂为基础设计空力。
之前提到了Oxford Brooks的车，下面是他们的空套。作为全英国最强的队伍，且2017在德国油车8字拿到第二的队伍，空力的概念极其先进。前翼有canard（风刀），F1式的double vortex generator（双涡流产生器）和cascade wing这样的F1元素，尽可能密封了低压区和最大程度上利用了前翼的空间。尾翼超大的端板能提供很强的side force，同时也提高了negative yaw moment。negative yaw moment利于出弯但不利于入弯，出弯入弯两者都重要，我目前不知道对未来设计是到底减少negative yaw moment 还是增加negative yaw moment，这里暴露了我目前在vehicle dynamics上的不足。
总而言之，设计阶段不要设计自己不知道东西，更不要抄袭别的车队的设计，只有自己设计的东西才知道怎么去优化，怎么去答辩。在美国这边，很多空力负责人完全只知道空力，车辆动态和vehicle dynamics上都差很多。建议国内车队空力负责人尽可能学习vehicle dynamics，这也是设计答辩的得分点。另外，虽然我只有一场设计答辩的经验，但是我感觉设计答辩很多取决于你答辩的方式，从整体到细节再到整体，裁判会从最简单的为什么要空力到与vehicle dynamics结合上都会问到，但我感觉没人能够准备充分去答辩，只能尽力做到最好。
还要一个月是密歇根了，自己很紧张，两个月内用英语写了15000词的设计档案依然没写完，自己依然尽力push myself to be the best because this is what I love.
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