这几年Formula Student/FSAE空力有什么新奇的设计？

先自答一下吧

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和概念成正比，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。以下的评论很多纯属个人观点，不建议背书。（本人目前在国外读大二，没上fluid和aero的课，上完大一主管了空力设计，车队的知识传承基本没有，所以设计和基础知识学习基本上靠自学和查资料加上跑CFD，所以知识上还有欠缺，大家见谅）

这两年最具创新的设计应该是Rennteam的Whisker。Whisker的设计概念已经在国外发到网上了。这里就截个屏发一下原文和图片。

这里谈到了几个队，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。这里上几个队的图片，包括我们队在Lincoln比赛的照片。

基本原理基本上就是用airfoil底部的高Cp区和上部低Cp区来控制气流上洗和用endplate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

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。自己我接手了空力之后，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（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，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要好很多。尾翼的下压力不但取决于尾翼设计，更多取决于bodywork interference和多少flow separation，这样就能减少动压损失，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，所以车辆后部引擎部分经常和尾翼抢气流，我的CFD模型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，而不是单个的尾翼模拟，我设计尾翼没有做2D模拟，完全是靠书里的wing theory，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Sidewing的设计，我今年设计了undertray而不是sidewing，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安装在了前翼端板上了。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-13，一般翼型-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。

话说回来，前几天刚公布的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，而是提升地板的下压力而存在的。

Endplate louvres

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。这里说下压力有些许的提升，但我个人看取决于尾翼设计，我们车队的一个alumni是will power的比赛工程师（2018年印地500冠军），他说这样的设计应该会得到相同的下压力。

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，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 lourve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

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，而他们还说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二流美国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，空力的概念及其先进。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。

在车队里过了两年了，一个寒假和一个暑假外加所有的空余时间都来干这个。这期间经历了跟之前head of aero阿三的矛盾然后联合别人背后捅我刀子不让我去密歇根了，即使我是所有大一新生出力最多的一个的狗血剧情。当然狗血剧情不只这一个，比完赛后head of aero玩消失，大一下学期问star ccm和空力问题故意不回答或给我错误答案的问题，知识传承基本断片，花了3个月自己一人自学star ccm的，设计档案就是一堆CFD图片，完全没有介绍，后来还发现数据都是伪造的，这也是为什么我把整个空力设计推到重来的原因，车队换届竞选被某个在车队里混了三年的阿三抢走了（又他妈的是阿三，当上了aero head还不干活，只为了混简历，我们车队是根据受欢迎程度和大学年级来选的head，我年龄上和受欢迎程度上都没有，当然当不上了），结果新阿三什么都不会，aero team五个人就我一个人设计新车，其他人不懂aero，star ccm和vehicle dynamics，我一个大一新生完全靠自己设计新车空力。

看着那些在国外开开心心玩FSAE的学长学姐们真的很羡慕，而我的经历很不爽，但这里就不卖惨了。老爸经常跟我说打破牙齿把血吞。只有是与不是，没有解释。自己努力能解决任何事，即使自己刚完成大一的学习。最终，自己设计出比之前毕业的阿三更好的空力套件，在知识上也超越了前辈。重要的是，我作为一个大一新生，在没有人帮助的前提下，能通过自己努力从无基础到超越前辈已经很开心了，更重要的是自己通过努力在自己喜欢的事上做得很棒让我对自己的信心大增，感觉自己的潜力真的很大。自己五年大学生涯将设计4辆赛车，已经比同龄人强很多了。波音公司和通用汽车公司也向我伸出了橄榄枝，还有通用动力的两家公司和一些航空航天公司也青睐我所做的成绩，自己准备通过alumni申请team penske的实习机会（没国籍航空航天公司就别想了，他们都不知道我没国籍），我自己也很感激自己当初遇到挫折时没有放弃，坚持了下来。

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.

先说到这里，以后再更新

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4月7日，随便写一些我自己的空力设计经验吧

第一部分：翼型选择

前翼或者翼片的离地间隙不是越低越好。离地间隙过低会以为adverse pressure gradient变得太steep导致气流被吸回了低压区，造成前翼失速。另外，压缩流体力学里提到过如果venturi的inlet和throat的比例过大会造成choking的发生。这里放一下我设计的前翼CLA和ride height的图片。

之前阿三设计的前翼最佳离地间隙是1英寸，也就是CLA 的最高值，为了防止pitch造成与地面接触所以设置成1.5英寸的离地间隙，这根他用的翼片有关，他的main element是GAW2，类似于对称翼型的一个wing profile，0度时CL是0.5。我这里就简单粗暴地用了最强的S1223翼型，0度时CL是1.25. 所以今年前翼的CLA提升了整整40%完全是应为main element的选择。（之前从某个硕士论文上看到过，说相比camber翼型，对称翼型的对离地间隙的敏感度较低，我不知道对不对，但从低压区或者说机翼的suction side的inlet到throat的比例来讲S1223的比例要比GAW2的要高很多，间接地提高了前翼失速的可能性，但是相比下压力的提升，这点敏感度不算什么，这里需要大佬们评论一下），鉴于今年我的前翼的设计高度是2英寸，正好符合我的设计要求。

似乎现在很多车队都是用S1223作为airfoil的首选，有些很强的队伍基本上全是S1223翼型。我看过Tufast2013年车的侧视图，清一色S1223。而当年无人能挡的GFR 2014年神车用的是Joukouski的翼型，他们的侧视图我也看过，自己从翼型库里查了所有的Joukouski的翼型，没有一个符合GFR的翼型形状，他们的翼型应该是定制的。Specsheet上写的全部翼型都是Joukouski，他们80公里下2450N的下压力已经很恐怖了，同时前翼尾翼都是簧下安装。（不要问我怎么知道这些的，这是都是不对外公开的数据，尤其是侧视图）后来某一天我从网上查FSAE资料，无意中发现GFR很多的设计论文在网上，他们的单体壳，侧翼，扩散器都是公开的，里面倒发现了GFR的翼型数据，只不过上面写的是机密。但camber要比S1223高25%

下面这图从我看的一篇论文里找到了机翼地面效应的CL曲线，图片很有意思。明显在最高值之前是失速或者部分失速状态，h/c是离地间隙与机翼长度的比例，这也说明了离地间隙跟机翼长度对CL影响的直接关系。

自己最近玩Instagram时发现一个很有意思的事（Instagram重度玩家，因为我性格更像美国人，所以社交圈全是美国人，大家都玩Instagram所以我都玩了）。之前书中提到过，由于速度的增加导致前翼下压力增加，前翼的离地间隙变低造成前翼失速，一旦失速造成前翼下压力骤然减少，前翼的高度骤然上升，下压力恢复，下压力恢复后前翼高度又降低造成了前翼失速，这样造成了一个死循环。前几天在Instagram上看到南安普顿大学（艾德里安纽维的母校）的车队用学校的风洞做空力测试，结果速度上来了前翼发生了非常猛烈地震动，震动的频率之高连肉眼都看不清了。

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4月8日，接着把机翼部分写完，以后再解释关于风刀和footplate vortex geneartor的部分

先上一下我们队的照片吧，今年，我们车队成立30周年，算是非常老的车队了。前边是我们2018年的车，空力不是我设计的，今年是我们第5年上空力。车队历史上有很多有意思的事，最惊人的是车队历史上第二辆车是碳纤维单体壳车架（是的，90年代初FSAE车就用上单体壳了，另外也受益于当时规则少），也是车队历史上唯一一辆单体壳车架，后来知识传授断片了，钢架就一直用到了现在。看似人挺多，但是近三分之一的人基本上就是不干活的酱油队员，facebook上发合影的消息后这三分之一的二货都来了，当然很多车队都有这样拍合影装13的。我自己是队里唯一个国际生。之前说钢架车空力效果就呵呵了，因为这辆车只有CFD里60%的下压力，所以我今年的任务主要是保证空力管用。

去年夏天设计期间找资料，从车队压箱底的杂志里找到了一篇关于赛车airfoil的文章，作者是Erik Zapletal，FSAE界鼎鼎大名的Z。这从来没人看的文章给我这个在选Airfoil迷茫中的大一新生指明了道路

在国外很多人尊敬Z是因为这个Design Judge真的很聪明，空力悬挂车架样样精通。有人称它为反Claude或者Anti Claude，因为Claude喜欢把一些理论解释弄得非常复杂，而Z喜欢简单的设计，流言说这几年GFR用的无Rocker直连避震器就是受Z的文章启发，另外在这里也推荐一下Z的阿克曼转向几何的文章

Z的文章是一篇给competition car aerodynamics（我最喜欢的空力书）的作者Simon Mcbeath反驳的信。Mcbeath认为翼型的厚度与CL有一定的关系，Z反驳到厚度非但不增加CL，反而提高提前失速Early Stall的可能性。

在这里我把airfoil guideline总结为下面几点（此处的guideline可能更偏向于高速空力，但也有一定可取之处）：

A.翼型的CL取决于翼型的攻角a和翼型本身的攻角a_L，而不是厚度，增加camber和翼型整体攻角a才是提升CL的直接方法

B.就像上面提到的，增加厚度只有非常小的CL提升，小到可以忽略不计。增加厚度反而会造成early stall的发生，进而减小CL，尽量把厚度降低到15%以下。

C.航空航天的airfoil，像是NACA系统，并不推荐。因为飞机设计者考虑更多的是结构上而不是空力上的效率。因为飞机上机翼里装的是油箱，同时较厚的机翼或者说较高的横截面积可以保证机翼的轻量化和装更多的燃油，进而提高里程，同时也可以保证持续高速下机翼的刚度，这也是为什么飞机设计师偏向更厚的翼型。飞机的工况属于长时间高负载，同时也要保证与自身重量相近的升力。空力方面，航空航天的翼型也需要在极大的速度区间保持稳定的升力（0-500mph）和非常大的攻角变化（夸张点说+/-15度），同时还要有更小的turbulent敏感度，防止因为飞行中的乱流导致机翼被震断，所以CL方面就不能保证了。个人觉得NACA系列的也有一些优点，因为S1223本身camber非常大，不好在2D里布置，NACA系列很平直，所以相对简单一些，做Flap还是可以的。全用S1223的话临近两个翼片需要很大的攻角差才能有很好overlap和gap，FSAE尾翼较长但不高用S1223简直就是悲剧。又短又高的尾翼很适合全S1223配置

D.适合赛车的翼型可以归纳为以下几个特点：足够细，尖头，高camber。这样的特点可以保证高CL和高升阻比。就FSAE赛车低速和+/-2度的pitch angle而言，这种极端的airfoil完全足够。这类的翼型通常有高升力，低阻力和高空力效率的特性。当然，这么极端的airfoil同时也有很高的敏感度，这取决于赛道和车辆本身的pitch angle，所以在敏感度和CL上需要一定的平衡。我个人建议厚度要保持在5%以上。

感觉树立了一个不太好的榜样，Claude在Formula Student 101里说在学习基础知识之前或自己知识不牢固之前，不要看其他车队的车，因为这样限制你的想象力。

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今天晚上熬夜复习不更了，扯两句：

如果你还想要尾翼，请降低车手高度。

我上面写的东西会直接导致我被踢出车队的。车队每年签协议，说一切成果是车队的私有财产，不是我自己的，对外也不能透露，但是没有协议说进车队就一定要干活，不干活被踢出车队，所以我也就去他的协议了（我们学校干车队不给学分）。

毕竟Rennteam和AMZ对外都愿意分享知识，大车队也踢那些不干活的人。我们车队像TUfast一样封闭自我不是长久之计，二货们自己不努力还怕别人追上。要真努力早就美国第一了。FSAE本身就是一个教育赛事，不是正式比赛，互相学习帮助是其中一大主题。就我个人而言，大一毕业后把整个空力扔给我本身就是很不负责任的行为，alumni玩消失，没知识传授也是很不负责的行为，我自己有同理心也知道从0开始有多困难，这也是为什么我分享自己的知识。协议吗，fuck it。

自己花三个月自学的star ccm+，我教的新人半个小时就会了。你就想想我当时心里多不平衡了

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看了楼下给的回答，正好我手机里有图，我这Aero二货当初为了搞设计参考了特多，感觉都成stalker了