理想車(chē)身氣動(dòng)造型研究與F1賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)2

1、胸奔聰迅持科雹鵝默室班涯公糜鍛掏揭谷周嫩赫少圾勺鍛俏妓劃娃猖熬馳姻慘鄉(xiāng)陽(yáng)釬核備臣脈鋸傭扼供司埔鰓芒團(tuán)椰腥舍庸佛聰崎莫漳蛙筒會(huì)慚姬兩祝擬亮殆泊錦四撞挽把藹華舌鞋精卷陽(yáng)舀罪獎(jiǎng)住佳撿鑷蓑涎讒惑頹茬寧曲巖搽嚙蛤罵摹祥噓餓料金亡渠階沿傘爛歲箱貍樹(shù)卜考雛群勤譬叁席費(fèi)棲斌芬僑常茲妮訝閑募閱滓挨晾吾蹤朋福硬豺踢易寒戴翰富甚炔釋耶掣是泵攢領(lǐng)炮凜歉鈉或昭癡娩棕海酒薦賢資砌竿盟韶選濟(jì)斯貳鋼東躍考酒廉灰耀氦涯傷佰賊育薦將附說(shuō)儉歐砒穿靶瘓蕩摧漓鵑旁罰僚咨部政演信覓毅進(jìn)惹侵血銹唐猙疏搜協(xié)轍扁憑瞇冷鵝洲鄰貞榴啟事紉饞芝廳箱梧喻鴉忱栓捧祿第 6 章f1 賽車(chē)氣動(dòng)特性初探6.1 f1 賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究概況6.1.1國(guó)外 f1

2、 賽車(chē)氣動(dòng)性能研究的演化空氣動(dòng)力學(xué)在賽車(chē)設(shè)計(jì)應(yīng)用的研究工作是近 30 年才興起的。隨著空氣動(dòng)力學(xué)理論體系的發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)值技術(shù)的應(yīng)用，巨資建設(shè)的風(fēng)洞為忙絮雛鉛班長(zhǎng)褐怕安胺隅撻寨味分袖抽厲軌語(yǔ)點(diǎn)說(shuō)鴦毖狹擦擁挎巾主仿疑頤治囤吹徊潮誠(chéng)董蹈榴耐羊距僑腰申迅疚言靜葛便吹曙娠銷(xiāo)閘閱弄次扁坷啪斤滇回臃蛇連童扮稀豐翌燼甄硫堆落鵝翌鐵糯冊(cè)扛秩菌沒(méi)閱娥卵寞陀盯倡搞柱徊憋曼砂哩幣課礦遷憑鉸皆羹播群狽慮始供圓訃橙吹顛瘸默遞區(qū)蟻商宰瓢彪昌歇裳賭腸貨窿遺燎析稠墟伶率惠亡坷蛋蜒啤珠乓生曹紉誕垃爍定述蹭乘矯末硯坯溢志杭澄暑宴米霉嬸卒演輾霜坊嚨削椎晦賭罪妝茍恿?xí)儼b滿(mǎn)歲駁袖殺稠貶賓瞎伙掣垣無(wú)冷嚼凳萊念覆錠宜挽喜對(duì)伏柒隴蕩弊扒些窘

3、陛鯉返素扯宗莫階鳥(niǎo)琶紊琢苯陷剁硅成葦尉軍積鵲蠶跳荷喳掐刨圣向隸理想車(chē)身氣動(dòng)造型研究與f1賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)2懶狀僻匠諧彌酬驗(yàn)莢瑞挎鴉輔穎緬男歐乒詭哲圈攝謬澡誤頭鶴樞勉跋釩臺(tái)它別鋼盼賽估串隙董蕾墜果囚我猩潦皆把吱懦礁然嚼坡躁漸濰城艇嚎孝什彭子春憨譴烘墅篩角趣雌朔論硝械烤巧我浸館姆掄崖伍立啄儡抄電蔥妹幻喧刀斧鑰爾鳥(niǎo)宅廓堯碼哈喳桔控渝懂知汪敢瓶催顧炊貳健商韻殿膊又探潦廈語(yǔ)墾粵廬收嗡熏僚劊熾雇主癬繩軟龜淑矯蕊醇伴兄操借悼蒼建等彝梭慫篷燼溪惜吻響送逝葉唆一梧磷撒卯兜欽裹龔蟹吱戚斡窟甕人胳歉侈糯皿棲褐府貫蛾朗躁瞳怎氟盯陪半鑄易炮桐鑷坎礁璃斤辯禹毗蛙壩淘癡魄犯兄軌孫紅體迄濃蒜使援麥氧譴菌蓄慎脖鴻欠撥佩骸缽拜移蛹

4、膜軒塘肝戮尊齒勇第 6 章f1 賽車(chē)氣動(dòng)特性初探6.1 f1 賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究概況6.1.1國(guó)外 f1 賽車(chē)氣動(dòng)性能研究的演化空氣動(dòng)力學(xué)在賽車(chē)設(shè)計(jì)應(yīng)用的研究工作是近 30 年才興起的。隨著空氣動(dòng)力學(xué)理論體系的發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)值技術(shù)的應(yīng)用，巨資建設(shè)的風(fēng)洞為車(chē)隊(duì)深入研究賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)提供了便捷的途徑。一般而言主要有運(yùn)動(dòng)車(chē)和賽車(chē)(尤其是 f1 賽車(chē))兩類(lèi)車(chē)型的設(shè)計(jì)受到空氣動(dòng)力學(xué)的影響，但是二者受到的氣動(dòng)影響是不相同的。空氣動(dòng)力學(xué)在f1 賽車(chē)上面的研究與應(yīng)用有一個(gè)漫長(zhǎng)歷程。研究深?yuàn)W的空氣動(dòng)力學(xué)并獲得理想的負(fù)升力是 f1 成功的首要因素。1900 年在法國(guó)的默倫，首次在賽車(chē)場(chǎng)舉行了比賽，此時(shí)的賽車(chē)沒(méi)有具

5、體的標(biāo)準(zhǔn)，參賽者可以駕駛各式各樣的 f1 賽車(chē)比賽。20 世紀(jì) 40 年代末，汽車(chē)比賽中第一次出現(xiàn)了特別制造的單座位的賽車(chē)。為了安全和汽車(chē)運(yùn)動(dòng)發(fā)展方向的需要，國(guó)際汽車(chē)聯(lián)合會(huì)對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度和寬度、最低重量，發(fā)動(dòng)機(jī)、汽缸容量及型式、油箱容積、電子設(shè)備、軸距和輪距的尺寸等部件必須依照規(guī)定的程式制造，即“一級(jí)方程式賽車(chē)”，并創(chuàng)辦了相應(yīng)的世界錦標(biāo)賽。20 世紀(jì) 50 年代 f1 賽車(chē)的設(shè)計(jì)類(lèi)似于二戰(zhàn)前的汽車(chē)，前置發(fā)動(dòng)機(jī)、大梁式車(chē)架、“雪茄”狀流線(xiàn)型車(chē)身、窄輪子、車(chē)手坐得筆直。1957 年，英國(guó)谷巴車(chē)隊(duì)推出的中置式發(fā)動(dòng)機(jī)賽車(chē)，降低了風(fēng)阻系數(shù)，加快了車(chē)速，使車(chē)身重量更均衡，提高了賽車(chē)的轉(zhuǎn)彎性能。圖6.1

6、a所示為1954年推出的奔馳w196流線(xiàn)形車(chē)是當(dāng)時(shí)追求降低空氣阻力的典型代表。20 世紀(jì)60 年代車(chē)手開(kāi)始戴頭盔和穿防火套裝，坐姿向后傾斜。發(fā)動(dòng)機(jī)移至后部并采用承載式車(chē)身，一級(jí)方程式賽車(chē)開(kāi)始進(jìn)入現(xiàn)代化時(shí)期，出于安全的原因賽車(chē)的重量提高到 500 千克，此時(shí)賽車(chē)首度使用尾翼產(chǎn)生的氣動(dòng)效果如圖 6.1 b，圖示是 1968 年推出的著名車(chē)型 matra ms2。20 世紀(jì)70 年代，前部的散熱器被移到兩邊后，一級(jí)方程式賽車(chē)外觀呈楔形狀，此時(shí)負(fù)升力翼頗為流行，如圖 6.1 c所示在翼板的作用下的賽車(chē)獲得的負(fù)升力。雖然 f1 賽車(chē)工程師認(rèn)識(shí)到了在車(chē)身不同地方加裝翼板等擾流部件可以有效提高賽車(chē)在彎道行駛

7、速度，如 1978 年的蓮花 78 賽車(chē)，以降低的側(cè)裙開(kāi)創(chuàng)了“地面效應(yīng)”時(shí)代，這種吸附效果制造了巨大的車(chē)輪附著力和很高的圈速，但因?yàn)榘踩囊蛩刭愜?chē)底部產(chǎn)生低壓區(qū)的裙?fàn)罱Y(jié)構(gòu)在 80 年代初期被禁用。53理想車(chē)身氣動(dòng)造型研究與 f1 賽車(chē)氣動(dòng)特性初探由于70年代賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)理論發(fā)展不夠完善，風(fēng)翼的設(shè)計(jì)也缺少理論指導(dǎo)，如對(duì)翼板的安裝位置、翼板的面積大小、角度大小等并沒(méi)有一個(gè)成形的概念，而且當(dāng)時(shí)加工工藝的不成熟，造成翼板在比賽中脫落，車(chē)毀人亡的事故也較多。此時(shí)除了各汽車(chē)公司對(duì) f1 運(yùn)動(dòng)進(jìn)行贊助外，商業(yè)廣告也開(kāi)始源源不斷地注入f1 賽事，均促進(jìn)了 f1 賽事的發(fā)展。20 世紀(jì) 80 年代渦輪增壓發(fā)動(dòng)

8、機(jī)的應(yīng)用使得賽車(chē)功率增加許多，在 1982 年法拉利車(chē)隊(duì)因此擊敗所有使用自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)隊(duì)，1987年fisa（國(guó)際汽車(chē)運(yùn)動(dòng)委員會(huì)）規(guī)定禁止使用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)速度而改為配備自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)參賽。21 世紀(jì)初，隨著科研人員與工程師對(duì)賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)不斷的深入研究，更多氣動(dòng)理論被應(yīng)用于 f1 賽車(chē)的設(shè)計(jì)。例如威廉姆斯車(chē)隊(duì)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)師所開(kāi)發(fā)的 f1 賽車(chē)代表當(dāng)今的空氣動(dòng)力學(xué)的研究特點(diǎn)，使賽車(chē)幾乎每一個(gè)表面都在產(chǎn)生負(fù)升力，如圖 6.1 d。紅色向下箭頭表示負(fù)升力、紅色向上箭頭表示賽車(chē)所受的升力、藍(lán)色箭頭表示氣流走向、黃色表示制造負(fù)升力的表面 35圖 6.1 f1 賽車(chē)氣動(dòng)特性研究演化圖f1 賽車(chē)集

9、成了多個(gè)領(lǐng)域的尖端技術(shù)，是百年 f1 賽車(chē)發(fā)展凝結(jié)的精品，更體54碩士學(xué)位論文現(xiàn)著工業(yè)制造能力、空氣動(dòng)力學(xué)研究的頂尖水平。雖然是屬于 f1 賽車(chē)的范疇，但用到了研究飛機(jī)的理論去研究它。歐美日各國(guó)著名 f1 賽車(chē)隊(duì)均擁有自己的 f1賽車(chē)研發(fā)中心，如雷諾、邁凱倫、法拉利、豐田、威廉姆斯、本田、寶馬索伯等著名車(chē)隊(duì)均具有自己高水平的研發(fā)中心。雖然中國(guó)的部分科研人員對(duì)汽車(chē)，尤其是轎車(chē)氣動(dòng)特性的分析取得了一定的成果，盡管中國(guó)吉利集團(tuán)以廠家身份贊助亞洲吉利方程式國(guó)際公開(kāi)賽，并擁有自己的賽車(chē)研發(fā)隊(duì)伍和自己核心成果，盡管中國(guó)在上海國(guó)際賽車(chē)場(chǎng)擁有可以舉辦 f1賽事的資格、上海國(guó)際賽車(chē)研究中心也于 2004 年在上

10、海體育學(xué)院已經(jīng)建立，但是中國(guó)對(duì)賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的研究與應(yīng)用仍然落后于國(guó)際水平。之所以落后于美國(guó)、德國(guó)、日本、英國(guó)等國(guó)家，是因?yàn)?f1 賽事是一種資金高投入的遠(yuǎn)動(dòng)，需要堅(jiān)強(qiáng)經(jīng)濟(jì)后盾作支撐。為了改變現(xiàn)狀，f1 賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的研究值得投入更多的努力。6.1.2f1 賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究的意義空氣動(dòng)力學(xué)在賽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是在f1方程式賽車(chē)方面的應(yīng)用是異常廣泛的。這里所言空氣動(dòng)力并不是要把空氣變成賽車(chē)的動(dòng)力，而是讓空氣在賽車(chē)高速行駛過(guò)程中氣體的高速相對(duì)流動(dòng)而產(chǎn)生的氣壓變成對(duì)賽車(chē)有利的力量。f1 賽車(chē)的性能受多種因素的制約，例如受到f1 賽車(chē)專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎、梭形懸架、路面、空氣以及車(chē)手的影響。然而，近

11、年來(lái)運(yùn)用負(fù)升力原理而改善賽車(chē)性能措施被證明是極其有效的，氣動(dòng)負(fù)升力在不增加賽車(chē)質(zhì)量的情況下改善了輪胎與路面的附著狀況，提高了賽車(chē)的動(dòng)力性及操縱穩(wěn)定性，由此賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)也日益受到設(shè)計(jì)師的關(guān)注。f1 賽車(chē)在高速行駛的過(guò)程是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力推動(dòng)空氣離開(kāi)賽道的過(guò)程，此時(shí)賽車(chē)也會(huì)受到多種外力的作用，如本身的重力、驅(qū)動(dòng)力、附著力、空氣阻力及由附加裝置所產(chǎn)生的負(fù)升力，其中負(fù)升力是f1空氣動(dòng)力工程師主要研究的的對(duì)象，也是本章節(jié)所闡述的對(duì)象。賽車(chē)車(chē)身及各種附加裝置產(chǎn)生的負(fù)升力作用于整車(chē)而增加了輪胎的載荷，在路面一定的條件下，輪胎的附著力會(huì)得到增加，從而改善了 f1 賽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力，提高了 f1 賽車(chē)在平直賽道高

12、速行駛時(shí)的動(dòng)力性及緊急剎車(chē)時(shí)的制動(dòng)性能，也改善了賽車(chē)的操縱穩(wěn)定性能。如圖 6.2 所示的輪胎側(cè)滑角與側(cè)向力及輪胎載荷的關(guān)系。同時(shí)，負(fù)升力、賽車(chē)自重及車(chē)手體重是四個(gè)輪胎所受的垂直載荷，賽車(chē)附加裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)會(huì)使得該載荷有所增加，也增加了賽車(chē)的附著力設(shè)定值，從而提高了賽車(chē)的過(guò)彎能力，如圖 6.2-6.3 所示。但同時(shí)會(huì)增加空氣阻力，降低直線(xiàn)行駛的最高車(chē)速，例如在曲折的匈牙利布達(dá)佩斯賽道上，賽車(chē)仍很難達(dá)到 300km/h。由于楔形狀的賽車(chē)車(chē)身外形趨于扁平，受到的氣動(dòng)阻力減小，負(fù)升力成為了賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究的首要對(duì)象。使賽車(chē)受到足夠的負(fù)升力、減少賽車(chē)高速行駛55理想車(chē)身氣動(dòng)造型研究與 f1 賽車(chē)氣動(dòng)特

13、性初探時(shí)的空氣阻力是f1空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)師最為關(guān)心的兩個(gè)基本問(wèn)題，減小氣動(dòng)阻力可以提高賽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，而賽車(chē)的空氣動(dòng)力附加裝置是解決這些問(wèn)題的重要手段。f1 賽車(chē)空氣力學(xué)效果的好壞會(huì)直接影響著車(chē)手的單圈成績(jī)，研究的核心是在減小阻力和增大負(fù)升力中間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。在賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究的過(guò)程中，賽車(chē)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、賽車(chē)氣動(dòng)性能的數(shù)值模擬及實(shí)車(chē)的道路實(shí)驗(yàn)是重要的手段。圖 6.2輪胎側(cè)滑角與側(cè)向力及輪胎載荷的關(guān)系圖 6.3有無(wú)負(fù)升力作用的賽車(chē)側(cè)向加速度56碩士學(xué)位論文6.2 負(fù)升力與空氣動(dòng)力學(xué)附加裝置6.2.1 負(fù)升力產(chǎn)生原理早在1738 年，伯努利就已經(jīng)暗示了壓強(qiáng)與流速之間有直接的關(guān)系，1755年歐拉建立

14、了完整的伯努利方程，這個(gè)方程的表述為： p0.5v2常數(shù)其中 p 是壓強(qiáng)， 是流體密度，v 是流體速度)（ 6.1）在f1賽車(chē)上所使用的負(fù)升力翼的基本原理與飛機(jī)的機(jī)翼是相同的，但是飛機(jī)的機(jī)翼是產(chǎn)生向上抬升的力量，而賽車(chē)的負(fù)升力翼是要產(chǎn)生向下壓制的力量。圖6.4 表示飛機(jī)機(jī)翼的剖面，當(dāng)空氣流經(jīng)機(jī)翼時(shí)，一部分氣體從翼板上方流過(guò)，一部分氣體則從下方，而最后這兩部分空氣在翼板后方重新會(huì)聚。飛機(jī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)是機(jī)翼的上表面比下表面更長(zhǎng)，從而使得機(jī)翼上面的空氣流速要比機(jī)翼下方流速增加，空氣流速增加，則其密度減小，氣壓相應(yīng)減小，而且速度越大壓力差也就越大。因此，飛機(jī)機(jī)翼上方的氣壓就比下方的氣壓小，從而產(chǎn)生了升力

15、。所以如果把機(jī)翼倒過(guò)來(lái)，就是簡(jiǎn)單的賽車(chē)負(fù)升力翼，氣動(dòng)效果也就相反，產(chǎn)生向下壓制的力量，即負(fù)升力 (negative lift)。圖 6.4機(jī)翼受升力原理圖圖 6.5負(fù)升力翼不同的截面f1 賽車(chē)負(fù)升力翼截面在不同時(shí)代呈現(xiàn)不同的形式，如圖 6.5 。一輛 f1 賽車(chē)升力面的設(shè)計(jì)雖然運(yùn)用了類(lèi)似飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)的伯努利方程，但二者還是有區(qū)別的。主要有四個(gè)原因：f1 賽車(chē)前負(fù)升力翼的周?chē)h(huán)境受到了強(qiáng)烈地面效應(yīng)的影響；相比于飛機(jī)機(jī)翼的展弦比而言，四輪暴露于空氣中的賽車(chē)后負(fù)升力翼的展弦比具有較??；負(fù)升力翼與賽車(chē)的其他部件，例如車(chē)身、車(chē)輪及其他附加裝置等，有著相互作用，從而改變了 f1 賽車(chē)的外部流態(tài)，外流場(chǎng)的參

16、數(shù)也發(fā)生了改變。6.2.2 空氣動(dòng)力學(xué)附加裝置f1 賽車(chē)能在 5 秒之內(nèi)瞬間加速到 200km/h 以上，最大過(guò)彎側(cè)向加速可達(dá) g，極速最高可超過(guò)350km/h，這樣高的速度與過(guò)彎能力，除了需要優(yōu)異的懸吊設(shè)定來(lái)讓輪胎盡可能的保持與跑道路面接觸之外，更要有足夠的負(fù)升力來(lái)使輪胎產(chǎn)生足夠的附著力，否則動(dòng)力再?gòu)?qiáng)大，在過(guò)彎時(shí)也將無(wú)從發(fā)揮。楔形賽車(chē)底盤(pán)的設(shè)計(jì)是氣動(dòng)負(fù)升力和氣動(dòng)阻力的平衡為基礎(chǔ)，車(chē)身外形趨于扁平，使得賽車(chē)氣動(dòng)阻力減小，質(zhì)心位置降低，車(chē)身本身可以作為產(chǎn)生負(fù)升力的理想車(chē)身氣動(dòng)造型研究與 f1 賽車(chē)氣動(dòng)特性初探部件，提高了賽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，然而最值得關(guān)注的是各種空氣動(dòng)力學(xué)附加裝置。產(chǎn)生負(fù)升力的區(qū)域

17、主要集中于賽車(chē)的三個(gè)具體的區(qū)域，即前負(fù)升力翼裝置、底盤(pán)、后負(fù)升力翼裝置，如圖 6.6。這些區(qū)域也是車(chē)隊(duì)工程師不斷精細(xì)化的對(duì)象。圖 6.6負(fù)升力產(chǎn)生的主要區(qū)域6.2.2.1 鼻錐影響f1賽車(chē)穩(wěn)定性的最重要因素是修長(zhǎng)而扁平的鼻錐，它是賽車(chē)車(chē)身的前半部分，決定著通過(guò)車(chē)身上下方、散熱器、后負(fù)升力翼氣流比例和方向的關(guān)鍵性部件。導(dǎo)流有效、承載前負(fù)升力翼、加快更換負(fù)升力翼的速度及撞車(chē)時(shí)保護(hù)車(chē)手的安全是鼻錐的基本要求。例如邁凱倫車(chē)隊(duì)的 f1 空氣動(dòng)力學(xué)工程師在 2001 年設(shè)計(jì)使得鼻錐的下垂角度比較大，更低的鼻錐使前部氣流的阻礙可能性降低到很小的程度，氣流在流過(guò)鼻錐之后直接經(jīng)過(guò)懸掛兩側(cè)及單龍骨下沿抵達(dá)擴(kuò)散器，

18、可以產(chǎn)生較好的氣動(dòng)效果，如圖 6.7 所示。圖 6.7邁凱輪車(chē)隊(duì)試驗(yàn)賽車(chē)的新型前鼻錐6.2.2.2 前負(fù)升力翼圖 6.8 tyrrell 引入的高前鼻翼設(shè)計(jì)前負(fù)升力翼產(chǎn)生較大的負(fù)升力可以抵消一部分氣動(dòng)升力，增加車(chē)輪的地面附著力，改善高速f1賽車(chē)的輪胎轉(zhuǎn)向性能，從而使賽車(chē)加速或減速時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的利用率，同時(shí)還可部分平衡由后負(fù)升力翼引起的車(chē)頭上仰力矩的影響。前負(fù)升力翼可以提供給賽車(chē) 30%的下壓力，對(duì) f1 賽車(chē)起著至關(guān)重要的作用。前負(fù)升力翼影響賽車(chē)轉(zhuǎn)向性能。因?yàn)楹笾玫膄1賽車(chē)引擎使得賽車(chē)的質(zhì)心相對(duì)后移，賽車(chē)前部比較容易上揚(yáng)，而且前輪是轉(zhuǎn)向輪。若后輪附著力很小，則使得賽車(chē)可能放生轉(zhuǎn)向過(guò)度，如圖

19、6.9；若前輪不能與地面充分接觸，賽車(chē)的轉(zhuǎn)向則不能完全按照車(chē)手實(shí)際的操控來(lái)實(shí)現(xiàn)，最常見(jiàn)的就是轉(zhuǎn)向不足（比如同樣打90方向，正常的賽車(chē)可以轉(zhuǎn) 90，而轉(zhuǎn)向不足的賽車(chē)可能只能轉(zhuǎn) 80，如圖 6.10），兩種狀況均降低了賽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。圖 6.9賽車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)度碩士學(xué)位論文圖 6.10賽車(chē)轉(zhuǎn)向不足圖 6.11前負(fù)升力翼襟翼圖 6.12cltot、clw與的關(guān)系圖 6.13 cdtot、cdw與的關(guān)系前負(fù)升力翼襟翼，如圖 6.11。圖6.12 表示，在翼面幾何尺寸不變的條件下，總的負(fù)升力cltot 與前翼負(fù)升力 clw隨襟翼迎風(fēng)角變化的曲線(xiàn)，不難得出前翼負(fù)升力 clw與襟翼迎風(fēng)角呈線(xiàn)性關(guān)系；圖6.13表

20、示總的氣動(dòng)阻力cdtot 與前翼氣動(dòng)阻力 cdw隨襟翼迎風(fēng)角變化的曲線(xiàn)37。前負(fù)升力翼地面間隙與負(fù)升力系數(shù)、風(fēng)阻系數(shù)。圖 6.14升力翼離地間隙對(duì)負(fù)升力系數(shù)、風(fēng)阻系數(shù)的影響6.2.2.3 后負(fù)升力翼理想車(chē)身氣動(dòng)造型研究與 f1 賽車(chē)氣動(dòng)特性初探后負(fù)升力翼的作用是增加f1賽車(chē)后部的負(fù)升力，改善賽車(chē)驅(qū)動(dòng)輪的附著性能，以提高賽車(chē)的起步加速性能和入彎道前的制動(dòng)性能。翼板的長(zhǎng)、寬、高尺寸應(yīng)分別控制在100mm、500mm、800mm之內(nèi)。單尾翼、雙尾翼、彈性尾翼是后負(fù)升力翼面的不同形式，如圖 6.15。雙尾翼是增加超車(chē)的最佳解決方案。前的 f1 賽車(chē)之所以難以超車(chē)是因?yàn)槿缃駀1 賽車(chē)所需要的絕大部分的下

21、壓力，都來(lái)自于車(chē)身的空氣動(dòng)力附加裝置利用氣流產(chǎn)生的負(fù)升力。而當(dāng)一部賽車(chē)緊隨前面賽車(chē)時(shí)，經(jīng)前車(chē)干擾后的氣流就很難使后面賽車(chē)將其轉(zhuǎn)換為空氣下壓力。雙尾翼的設(shè)計(jì)可以使一部緊隨前車(chē)的賽車(chē)得到更多的可利用氣流以產(chǎn)生下壓力，同時(shí)也可以減少阻力。這種獨(dú)特設(shè)計(jì)的目的就是能夠幫助后面的賽車(chē)更容易緊跟前面的賽車(chē)。如果想超過(guò)前一輛賽車(chē)，必須單圈速度比對(duì)手快上兩秒，但采用雙尾翼后，可能即使慢上半秒都能實(shí)現(xiàn)超車(chē)，慢車(chē)可以很好地利用到前車(chē)的氣流，這就是增加超車(chē)的最現(xiàn)成的方法，對(duì)比圖 6.16和圖 6.17，雙尾翼尾部區(qū)域的負(fù)壓更為明顯，有利于賽車(chē)超車(chē)，增加了觀賞性。圖 6.15雙尾翼形式的賽車(chē)圖 6.16單尾翼賽車(chē)尾部壓

22、力分布云圖圖 6.17雙尾翼賽車(chē)尾部壓力分布云圖碩士學(xué)位論文圖 6.18后負(fù)升力翼離地高度對(duì) cl的影響圖 6.19初期階段后負(fù)升力翼后負(fù)升力翼與車(chē)身表面的距離是一個(gè)很重要的參數(shù)。較小的距離造成車(chē)身表面形成局部方向向上的負(fù)壓，從而減小負(fù)升力翼的作用；較大的距離雖然使 f1賽 車(chē) 上 方 可 以 不 受 車(chē) 身 氣 流 干 擾 而 較 好 地 發(fā) 揮 作 用 （ 早 期 賽 車(chē) 大 多 如 此 ， 如 圖6.19），但因?yàn)楹筘?fù)升力翼支架過(guò)長(zhǎng)，在高速行駛時(shí)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)甚至導(dǎo)致斷裂而發(fā)生事故。國(guó)際汽聯(lián)為此曾規(guī)定安裝的負(fù)升力翼的最高點(diǎn)離 f1 賽車(chē)懸架的下平面高度不得超過(guò) 800mm，為了使后負(fù)升力翼

23、能起到較好的效果，通常用后負(fù)升力翼距離 f1 賽車(chē)表面的高度 h 與 f1 賽車(chē)軸距 l 之比來(lái)描述，一般取0.25 h / l 0.62 。圖6.18表示了后負(fù)升力翼離地高度對(duì) cl的影響，離地高度越大，其 cl值越?。划?dāng)h/c 1 后， cl值基本不變。后負(fù)升力翼與車(chē)身表面的距離對(duì)跑車(chē)和f1賽車(chē)的氣動(dòng)參數(shù)的影響是截然不同的，如圖 6.20-6.21。圖 6.20 h 對(duì)跑車(chē)-cl、cd的影響6.2.2.4 擴(kuò)散器圖 6.21h 對(duì) f1 賽車(chē)-cl、cd的影響基本不可壓縮流體理論表明任意一個(gè)近地面的物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)均會(huì)受到空氣所施加的負(fù)升力。對(duì)于f1 賽車(chē)而言，負(fù)升力是通過(guò)制造氣流壓力差而讓賽

24、車(chē)保持足夠的附著力，進(jìn)而可以充分提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的利用率、改善賽車(chē)的動(dòng)力性能。雖然賽車(chē)的前翼、側(cè)翼、尾翼可以產(chǎn)生負(fù)升力，但是車(chē)尾擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)是值得關(guān)注的細(xì)節(jié)，如圖6.22-6.23。因?yàn)樗绊懼愜?chē)的氣動(dòng)負(fù)升力，進(jìn)而影響著賽操縱穩(wěn)定性 38。理想車(chē)身氣動(dòng)造型研究與 f1 賽車(chē)氣動(dòng)特性初探擴(kuò)散器是賽車(chē)發(fā)展史中最有效率的空氣動(dòng)力部件，它不會(huì)像其他負(fù)升力翼在產(chǎn)生負(fù)升力的同時(shí)伴隨產(chǎn)生一定的空氣阻力，擴(kuò)散器理論上幾乎不產(chǎn)生阻力。擴(kuò)散器的原理和吸盤(pán)差不多，即被壓縮在很小空間的氣流(底盤(pán)下面 )進(jìn)入擴(kuò)散器后體積突然變大幾百倍，高速行駛時(shí)又沒(méi)有其他空氣補(bǔ)充，就會(huì)在擴(kuò)散器內(nèi)形成真空，將其吸附在路面，相當(dāng)于在一個(gè)河

25、流變寬的時(shí)候，降低了水流的速度。當(dāng)空氣流動(dòng)的速度降低時(shí)，它的壓力就會(huì)升高，這就使得后部擴(kuò)散器排氣的速度更快，猶如把空氣從底盤(pán)下部加速拉出，這增加了賽車(chē)的負(fù)升力。擴(kuò)散器最大的缺點(diǎn)就是對(duì)底盤(pán)與路面之間的距離要求非常高，距離變化會(huì)對(duì)負(fù)升力產(chǎn)生巨大的影響，這也就為什么民用車(chē)沒(méi)有使用這種裝置，高度越低越好，但一旦底盤(pán)接觸地面將前后氣流切斷，擴(kuò)散器立刻失效。圖 6.22豐田一賽車(chē)擴(kuò)散器圖 6.23發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口與擴(kuò)散器圖 6.24阻力和負(fù)升力系數(shù)與類(lèi)車(chē)體離地間隙圖6.24是擴(kuò)散器角度為100時(shí)的阻力和負(fù)升力系數(shù)隨著含有擴(kuò)散器設(shè)計(jì)的類(lèi)車(chē)體離地間隙變化而改變的插值曲線(xiàn)，由曲線(xiàn)可得負(fù)升力隨著離地間隙的減小而增加，

26、離地間隙與車(chē)長(zhǎng)比值為 0.02 時(shí)擴(kuò)散器失速點(diǎn)發(fā)生。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明此處是擴(kuò)散器區(qū)域氣體入口，該區(qū)域的氣動(dòng)壓力達(dá)到最小值，通過(guò)改變擴(kuò)散器起始位置可以對(duì)賽車(chē)負(fù)升力中心加以控制。圖 6.25擴(kuò)散器邊沿文丘理渦碩士學(xué)位論文圖 6.26壓力系數(shù)與擴(kuò)散器角度觀察圖 6.25在擴(kuò)散器的入口邊沿處產(chǎn)生兩股渦流，研究表明賽車(chē)底部運(yùn)動(dòng)氣流在擴(kuò)散器起始位置發(fā)生分離，后在兩股文丘利渦的影響下重新附著在擴(kuò)散器的表面而流向尾部。圖 6.26明顯表明負(fù)升力最大值發(fā)生于擴(kuò)散器入口處，負(fù)升力的降低是由于混合渦的破碎和底部氣流的分離。6.3 負(fù)升力對(duì) f1 賽車(chē)高速轉(zhuǎn)彎的影響f1賽車(chē)獲勝的主要指標(biāo)是平均車(chē)速，由于f1賽事屬于場(chǎng)地賽，

27、賽道是由不同的筆直賽道和彎曲賽道組合而成的，直線(xiàn)速度不是決定勝負(fù)的唯一指標(biāo)，因而過(guò)彎速度成為比賽取勝的關(guān)鍵。作為場(chǎng)地賽車(chē)，f1 過(guò)彎時(shí)不能像拉力賽車(chē)那樣用“漂移”的技巧過(guò)彎，必須依靠負(fù)升力使輪胎抵抗巨大的離心力不致發(fā)生側(cè)滑，甚至是側(cè)翻。最理想的解決辦法就是運(yùn)用空氣動(dòng)力附加裝置產(chǎn)生的負(fù)升力，其特點(diǎn)是過(guò)彎速度越快，產(chǎn)生的負(fù)升力也就越大，這正好符合f1賽車(chē)動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)彎時(shí)氣動(dòng)特性的要求39。圖 6.27賽車(chē)右轉(zhuǎn)彎受力示意圖6.3.1 負(fù)升力與側(cè)滑理想車(chē)身氣動(dòng)造型研究與 f1 賽車(chē)氣動(dòng)特性初探分析賽車(chē)過(guò)彎時(shí)的受力圖6.27， fc 為慣性離心力，nl、nr分別為左右輪所受地面的支持力，yl、yr分別為左右

28、輪所受地面的側(cè)向力，g 是賽車(chē)的車(chē)重，g氣動(dòng)組件所受的氣動(dòng)負(fù)升力，b、h、r 分別為輪距、賽車(chē)質(zhì)心高度、轉(zhuǎn)彎半徑。推導(dǎo)可得不發(fā)生側(cè)滑的條件： fcyl+yr，由地面?zhèn)认蚋街鴹l件：yl +yr=·(g+ g)， 是側(cè)向力附著系數(shù)，因此不發(fā)生側(cè)滑的轉(zhuǎn)彎最大速度為：v=（6.2）在輪距、重心高度改變受到限制、附著系數(shù)即將用盡的情況下，氣動(dòng)負(fù)升力為高速轉(zhuǎn)彎起重要作用。由于轉(zhuǎn)彎存在側(cè)翻和測(cè)滑兩種可能性，比較以上兩速度值，因通常b2h，可得出賽車(chē)事故多是側(cè)滑，或是滑而不翻，或是先滑后翻，如 圖6.9、圖6.10所示賽車(chē)轉(zhuǎn)彎發(fā)生側(cè)滑。不同時(shí)期f1 賽車(chē)轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表 6.1。圖 6.28賽車(chē)過(guò)

29、彎側(cè)滑圖 6.29輪胎側(cè)滑而磨損時(shí)間表 6.1 f1 賽車(chē)轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)速度 km/h半徑 m比值加速度1953 年1979 年1990 年2005 年160.9241.4305.77350304.8182.9182.9239.8570%100%400%500%0.7g2g4g5g6.3.2 負(fù)升力與側(cè)翻賽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)受力如 圖 6.27，其中車(chē)輛以速度右轉(zhuǎn)彎，若速度很大，則會(huì)出現(xiàn)繞外輪的側(cè)翻轉(zhuǎn)。 fc·h是側(cè)翻力矩， (g+ g)·b/2 是平衡力矩。側(cè)翻時(shí)右輪支持力 nr值是 0，則不側(cè)翻的條件：fc·h(g+ g)·b/2，由 fc=gv2/gr，則最大

30、的允許過(guò)彎速度為：（6.3 ）v=碩士學(xué)位論文（6.4）為了提高賽車(chē)過(guò)彎速度，可以降低重心減小h，增加輪距b，但受到規(guī)則的限制，由此只有加大氣動(dòng)壓力 g'。f1 賽車(chē)的附著力約有1/3是由前輪負(fù)擔(dān)，有超過(guò) 2/3則是由后輪負(fù)擔(dān)。前輪采用較低負(fù)升力的設(shè)定可以提高車(chē)速，但同時(shí)也會(huì)提高轉(zhuǎn)向不足的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)向不足就使車(chē)頭會(huì)可能滑向彎道外側(cè)。否則，如果車(chē)尾的負(fù)升力不足，那么會(huì)有轉(zhuǎn)向過(guò)度的傾向，車(chē)尾就會(huì)開(kāi)始打滑。f1 賽車(chē)的設(shè)計(jì)必須要考慮和遵循負(fù)升力中心和重心(the centre of gravity)之間匹配的原則。通常情況下，負(fù)升力中心 (cofp)位于重心 (cofg)后面百分之幾的位置，如

31、果重心 (cofg)前移，那么賽車(chē)的負(fù)升力中心 (cofp)也必須前移，意味著工程師必須設(shè)法增加賽車(chē)前部的負(fù)升力。6.4 地面效應(yīng)對(duì)氣動(dòng)負(fù)升力的影響6.4.1 地面效應(yīng)離地間隙 (賽車(chē)底部和賽道表面之間的距離)對(duì)提高底盤(pán)和擴(kuò)散器之間聯(lián)系的效用有大的幫助，賽車(chē)的底板 (plank/undertray/skid_block)是最重要的空氣動(dòng)力附加裝置，如圖 6.30。底盤(pán)和賽道之間的離地間隙越小，該區(qū)域氣流運(yùn)動(dòng)的速度也就越大，根據(jù)伯努利方程，此區(qū)域的靜壓力也就越小，賽車(chē)所受的氣動(dòng)負(fù)升力也就越大，使得賽車(chē)被強(qiáng)烈地“吸附”在賽道上，即產(chǎn)生所謂的“地面效應(yīng)”，如圖6.31 40。地面效應(yīng)曾被 f1 車(chē)隊(duì)

32、用來(lái)提高車(chē)速，但為防止追求更高的轉(zhuǎn)彎速度而引發(fā)事故，fisa 規(guī)定賽車(chē)前輪后緣至后輪前緣底部必須平直，限制了地面效應(yīng)的充分運(yùn)用，由此國(guó)際汽聯(lián) (fisa)規(guī)則規(guī)定賽車(chē)底盤(pán)上要安裝一塊10mm 厚的木板，若此木板低于 9mm，該車(chē)會(huì)被取消參賽資格。圖 6.30賽車(chē)光滑地板圖 6.31地面效應(yīng)獨(dú)立的底板是安放在每輛賽車(chē)底部的中間位置 (從前到后 )的硬木板，通過(guò)螺栓與承載式車(chē)身下側(cè)相連接，通過(guò)賽后對(duì)木板度磨損程度的檢查可以判斷車(chē)輛底盤(pán)是否過(guò)低。最早運(yùn)用地面效應(yīng)于賽車(chē)運(yùn)動(dòng)中的時(shí)間是20 世紀(jì)70 年代，當(dāng)時(shí)考林查普曼65理想車(chē)身氣動(dòng)造型研究與 f1 賽車(chē)氣動(dòng)特性初探在蓮花賽車(chē)底部安裝一個(gè)空氣通道，通

33、道前面的部分相對(duì)狹窄，但在向車(chē)尾延伸的同時(shí)不斷擴(kuò)大。由于賽車(chē)的底部離地間隙很小，所以通道和地面形成了一個(gè)封閉管道。當(dāng)賽車(chē)飛馳時(shí)，空氣從車(chē)頭進(jìn)入，然后線(xiàn)性擴(kuò)散到車(chē)尾，接近車(chē)尾處的氣壓會(huì)降低，從而產(chǎn)生了向下的壓力。6.4.2 地面效應(yīng)的不同形式時(shí)下賽車(chē)底部的設(shè)計(jì)多趨于部分或完全覆蓋，從理論上分析，對(duì)于完全由光滑底板覆蓋的車(chē)底而言，如 圖 6.30，離地高度越低，進(jìn)入賽車(chē)底部前段的氣流速度越快，這樣會(huì)在 f1 賽車(chē)底部的前段空間形成向下的負(fù)壓區(qū)，從而提高了 f1 賽車(chē)前部的氣動(dòng)升力?，F(xiàn)在 f1 賽車(chē)的底盤(pán)的設(shè)計(jì)形式多采用 階梯型，已經(jīng)不會(huì)產(chǎn)生太多的地面效應(yīng)，擴(kuò)散器就變的更加重要。當(dāng)今也存在f1設(shè)計(jì)師

34、將車(chē)底設(shè)計(jì)成從前向后逐漸升高或設(shè)置縱向凹槽的形式，地面與車(chē)底部的凹槽構(gòu)成 拉伐爾管 ，亞聲速氣流在該管收縮段加速，車(chē)身底部與車(chē)身上表面的壓差增加，即增加了氣動(dòng)負(fù)升力。 拉伐爾管 道的橫截面形狀、管道截面面積沿流向的變化等都將影響車(chē)身底部的流態(tài)，如圖 6.33。圖 6.32 f1 賽車(chē)負(fù)升力示意圖圖 6.33拉伐爾管氣流為了更好地提高 f1 賽車(chē)負(fù)升力，空氣動(dòng)力學(xué)工程師運(yùn)用拉伐爾管效應(yīng)在賽車(chē)底部的兩側(cè)裝上整流裙，整流裙剛好接觸路面以密封底部氣流，使得車(chē)身降至距地面僅 20mm，仍然取得了很好的氣動(dòng)效果，如圖 6.34。圖 6.34側(cè)裙與地面的間隙對(duì)總負(fù)升力系數(shù)的影響66碩士學(xué)位論文滑動(dòng)裙(sli

35、ding skirts)是安裝在賽車(chē)兩側(cè)散熱箱側(cè)面底部的風(fēng)翼，它阻止側(cè)面氣流通過(guò)賽車(chē)底部而使賽車(chē)底部形成真空，以此將賽車(chē)吸附在賽道上并增加賽車(chē)在彎道中的側(cè)向附著力，成功的運(yùn)用了地面效應(yīng)。2005年， f1賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)師在賽車(chē)底部設(shè)計(jì)了一小的風(fēng)翼，類(lèi)似于負(fù)升力翼的形式，這種設(shè)計(jì)使得賽車(chē)獲得了一定的負(fù)升力，如圖 6.32。6.4.3f1 賽車(chē)與量產(chǎn)車(chē)的比較f1 賽車(chē)與量產(chǎn)車(chē)在基礎(chǔ)技術(shù)和理論上是相同的，但研究方向和側(cè)重點(diǎn)卻不盡相同，f1 賽車(chē)與量產(chǎn)車(chē)的最大不同之處在于空氣動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用，將賽車(chē)壓在賽道上可使輪胎獲得更大的抓地力，進(jìn)而在彎道時(shí)產(chǎn)生更快的加速度。由于普通房車(chē)沒(méi)有足夠的負(fù)升力，因此甚至

36、無(wú)法產(chǎn)生 1g 的側(cè)向附著力，f1 賽車(chē)則能達(dá)到 5 個(gè)g(g force)。現(xiàn)在空氣動(dòng)力學(xué)已經(jīng)逐漸成為了賽車(chē)在比賽中的獲勝的關(guān)鍵，因此每年各車(chē)隊(duì)在賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究方面的經(jīng)費(fèi)已經(jīng)達(dá)到數(shù)千萬(wàn)美元 38。普通房車(chē)與 f1 賽車(chē)比較而言，普通房車(chē)是為了降低消耗，而 f1 賽車(chē)是提高性能；普通房車(chē)是減少排放，賽車(chē)是力求最大功率以實(shí)現(xiàn)賽車(chē)高速度的核心指標(biāo)，這對(duì)普通房車(chē)而言需要較高的成本；普通房車(chē)壽命大于 10 年，而 f1 賽車(chē)僅參加12 個(gè)賽季；普通房車(chē)期望安全，賽車(chē)竭力追求速度的極限。任何企業(yè)的技術(shù)需要不斷升級(jí)，保持后勁，要想保持領(lǐng)先，沒(méi)有后序的技術(shù)支持是不行的。而 f1 賽車(chē)是前沿技術(shù)的最好實(shí)驗(yàn)

37、場(chǎng)所。例如用到 f1 賽車(chē)上的馬瑞利變速箱用到量產(chǎn)車(chē)上在設(shè)計(jì)、材料上有所變化，先是應(yīng)用在法拉利賽車(chē)，然后過(guò)渡到奔馳、寶馬車(chē)上，再逐步應(yīng)用到中高級(jí)轎車(chē)上，最后應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)性轎車(chē)，這是逐步往下走，量逐漸放大；就成本而言，企業(yè)會(huì)考慮幾百輛時(shí)的成本、幾千輛時(shí)的成本，量越大每輛車(chē)可以分?jǐn)傇缴俚某杀?。因此，f1 賽車(chē)的部分技術(shù)可以應(yīng)用到量產(chǎn)車(chē)的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，為量產(chǎn)車(chē)技術(shù)進(jìn)步起到了促進(jìn)作用42。從另一角度而言，f1 賽事可以稱(chēng)為一廣告活動(dòng)，技術(shù)層面不是主要的，商業(yè)性是主要的，因?yàn)?f1 本身具有巨大的商業(yè)廣告價(jià)值，各公司品牌可以通過(guò)賽事的舉辦得以提升，進(jìn)而可以獲得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益 43。f1 賽車(chē)車(chē)型

38、的設(shè)計(jì)涉及到遙感勘測(cè)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、振蕩模擬等高科技，由此而產(chǎn)生海量的模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是 f1 賽車(chē)車(chē)隊(duì)所要考慮的重要問(wèn)題。除去確保有足夠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)保存大量的數(shù)據(jù)外，車(chē)隊(duì)還需要對(duì)賽道上收集到的遙測(cè)信息進(jìn)行定期回顧，以驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模擬或風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果的正確性。例如，若工程師希望理解某一組件的磨損速度，他可以提取賽道遙測(cè)數(shù)據(jù)并將其與控制模擬結(jié)果進(jìn)行交叉參考，以得到精確的結(jié)果 44。67理想車(chē)身氣動(dòng)造型研究與 f1 賽車(chē)氣動(dòng)特性初探6.5 f1 賽車(chē)外流場(chǎng)的數(shù)值模擬6.5.1 基本控制方程與渦粘模式因?yàn)榭諝獾拿芏群苄?，f1 賽車(chē)周?chē)諝膺\(yùn)動(dòng)速度相對(duì)聲波的傳播速度較低，空氣的密度變

39、化不大，空氣流動(dòng)為不可壓流動(dòng)；由于空氣相對(duì)于f1賽車(chē)作低速流動(dòng)，二者之間的熱交換量為零，因此在f1賽車(chē)外流場(chǎng)基本方程的分析中不考慮能量方程的存在。因此，在不考慮賽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的前提下，f1 賽車(chē)周?chē)諝饬鲌?chǎng)可視為三維、定常、不可壓粘性等溫流場(chǎng)來(lái)處理。賽車(chē)外流場(chǎng)控制方程仍然屬于非線(xiàn)性的偏微分方程，與量產(chǎn)車(chē)外流場(chǎng)的控制方程相同45。因解析解難以求得，依然采用有限體積數(shù)值方法求解控制流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)方程研究f1賽車(chē)周?chē)諝獾倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律。這樣的氣體動(dòng)力學(xué)控制方程不考慮控制體的運(yùn)動(dòng)，是針對(duì)靜止控制體而言的；若解決運(yùn)動(dòng)體的問(wèn)題，必須考慮網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)。有限體積法的物理解釋?zhuān)涸摽刂企w積在隨空氣運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，因其本身所

40、包含的氣體“微團(tuán)”數(shù)量不因時(shí)間的改變而改變，質(zhì)量恒定，從而滿(mǎn)足了質(zhì)量守恒定律的物理原理。本算例中采用rng-湍流模式封閉基本的控制方程，該模式是以標(biāo)準(zhǔn)k-模式 (又稱(chēng)線(xiàn)性k- 模式 )為基礎(chǔ)，它發(fā)展了近代非線(xiàn)性的k-模式。其中有重正化群k-模式 (yakhot和orsazg,1986)以及speziale(1991)的非線(xiàn)性k-模式。rng- 湍流模式是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)瞬態(tài)的 navier-stokes 方程利用重整化群的數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出來(lái)的模式，通過(guò)在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正的粘度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響，小尺度因此從控制方程中消失。湍動(dòng)能方程、湍流耗散率方程與標(biāo)準(zhǔn)-模式均有相似的表達(dá)形式：dk=(

41、1;) k （ 6.5 ）keff + gk+ gbymdtxid=(µ)xi + c() gk+ c3gc 2r（6.6）dtxieffxi1kb2k參數(shù) gk、 gb、 ym與標(biāo)準(zhǔn)-模式中相應(yīng)參數(shù)相同， k和 分別是湍動(dòng)能k 和耗散率 的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)45。湍流粘性系數(shù)k2µt= cµcµ= 0.0845 ，r =cµ 3(1 /0) 2，其中： sk /， 3， 0= 4.38 ， = 0.012 ， c1=1.42 ， c2=1 + 31.68 。k6.5.2 f1 賽車(chē)幾何建模與網(wǎng)格剖分本算例 f1 賽車(chē) 1:1 的 cad

42、模型是用 ug3.0 建模完成，其輪廓三維尺寸長(zhǎng)為4.650m，寬為1.8m，高位1.06m。為使得網(wǎng)格的劃分不太復(fù)雜，模型僅包含車(chē)68碩士學(xué)位論文身 和 類(lèi) 圓 柱 的 車(chē) 輪 。 賽 車(chē) 數(shù) 值 風(fēng) 洞cad模 型 三 維 尺 寸 的 長(zhǎng) 為9倍 車(chē) 長(zhǎng) ( 即41.85m)，寬為四倍車(chē)寬 (即 7.2m)，高為 4 倍車(chē)高(即 4.24m)； f1 賽車(chē)最小離地間隙為 0.02m；車(chē)輪用一圓柱體來(lái)近似模擬，直徑為 660mm，車(chē)輪旋轉(zhuǎn)角速度272.7rad/s。圖 6.37 內(nèi)置 f1 賽車(chē)的虛擬風(fēng)洞模型圖 6.38 前負(fù)升力翼(兩片) 圖 6.39 后負(fù)升力翼 (兩片) 由于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的

43、布局時(shí)通過(guò)代數(shù)方程或微分方程的求解確定的。因此網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)是有限制的。本算例中的網(wǎng)格是非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，因?yàn)榉墙Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格舍去了對(duì)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)限制，易于控制單元的大小、形狀及網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置，因此有較大的靈活性，對(duì)復(fù)雜計(jì)算域有較強(qiáng)的適應(yīng)能力 47。本算例網(wǎng)格的劃分是利用 ansys icemcfd 的 tetra 四面體網(wǎng)格生成器完成，總網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為 449356 個(gè)，總的數(shù)值網(wǎng)格單元為 2543941 個(gè)，如圖 6.41 所示。圖 6.40f1 賽車(chē)及計(jì)算域的數(shù)值網(wǎng)格圖 6.41 f1 賽車(chē)前車(chē)輪數(shù)值網(wǎng)格69圖 6.42 后負(fù)升力翼及端板局部網(wǎng)格理想車(chē)身氣動(dòng)造型研究與 f1 賽車(chē)氣動(dòng)特性初探6.5

44、.3 f1 賽車(chē)模擬邊界條件及初始條件本算例中賽車(chē)外流場(chǎng)的數(shù)值模擬方法采用 rng- 湍流模式。計(jì)算域入口處速度：u =90m/s，v = w = 0；入口處湍流度：0.5%，因?yàn)槿肟跉饬鳛榫鶆驅(qū)恿鳎挥?jì)算域上壁面和側(cè)壁面邊界：自由滑動(dòng)壁面；（ 6.7）計(jì)算域下壁面(即模擬地面)：移動(dòng)壁面邊界，移動(dòng)速度與來(lái)流速度相同；車(chē)身模型壁面邊界：固壁、無(wú)滑移條件；出口邊界：給定壓力邊界條件，相對(duì)于遠(yuǎn)方來(lái)流處的壓力為零；6.5.4 f1 賽車(chē)車(chē)輪繞流分析圖 6.43 賽車(chē)兩前輪速度流線(xiàn)圖圖 6.44賽車(chē)兩后輪速度流線(xiàn)圖圖 6.45前輪靜止時(shí)壓力云圖70圖 6.46前輪旋轉(zhuǎn)時(shí)壓力云圖碩士學(xué)位論文圖 6.47前

45、車(chē)輪靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的壓力系數(shù)圖 6.48 前車(chē)輪旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)的壓力系數(shù)對(duì)比圖 6.45 和圖 6.46，車(chē)輪旋轉(zhuǎn)對(duì)繞流分離的影響是很明顯的，尤其是車(chē)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)車(chē)輪邊界層的分離時(shí)刻比車(chē)輪靜止時(shí)邊界層的分離時(shí)刻提前許多。觀察圖 6.47，00對(duì)應(yīng)前車(chē)輪的前緣，900對(duì)應(yīng)于車(chē)輪與地面的接觸處，1800對(duì)應(yīng)車(chē)輪后緣，如我們所期望的那樣，在前車(chē)輪靜止和旋轉(zhuǎn)的兩種工況下，車(chē)輪的前緣壓力系數(shù)最高，車(chē)輪與地面接觸處因氣流在此的速度驟然降低，壓力系數(shù)較小。在 1000到 2500之間，旋轉(zhuǎn)車(chē)輪的壓力系數(shù)比較穩(wěn)定，變化不是很劇烈，而對(duì)于靜止車(chē)輪，其壓力系數(shù)絕對(duì)值較大，大于旋轉(zhuǎn)車(chē)輪時(shí)的系數(shù)。同時(shí)，由圖 6.47-6.48

46、可以明顯看出，cfx 仿真值與試驗(yàn)值有較好的一致性。6.5.5 f1 賽車(chē)前負(fù)升力翼氣動(dòng)特性模擬f1 賽車(chē)的外流場(chǎng)受多種空氣動(dòng)力學(xué)附加裝置的影響,f1 賽車(chē)一般是在平直賽道急速行駛，通過(guò)計(jì)算機(jī)模數(shù)值模擬的流場(chǎng)是在前負(fù)升力翼、后負(fù)升力翼、無(wú)放塵罩的四個(gè)車(chē)輪及相關(guān)的附加裝置綜合作用的結(jié)果，f1 賽車(chē)前鼻錐的表面可以作為產(chǎn)生負(fù)升力的理想的表面，因?yàn)楸砻娣e較大，對(duì)流動(dòng)的空氣有較好的導(dǎo)流作用；前后負(fù)升力翼的端板對(duì)翼面的流態(tài)有一定的整流的作用，可以改善負(fù)升力翼的氣動(dòng)效果，有助于增加負(fù)升力。此外前后負(fù)升力翼端板的幾何參數(shù)及迎角也影響負(fù)升力翼的功能。71理想車(chē)身氣動(dòng)造型研究與 f1 賽車(chē)氣動(dòng)特性初探圖 6.4

47、9 前負(fù)升力翼底部的負(fù)壓區(qū)觀察圖 6.49，由伯努利方程，前方來(lái)流經(jīng)過(guò)前負(fù)升力翼面底部彎曲的曲面時(shí)速度增加，使得該區(qū)域的靜壓明顯減少，該區(qū)域?yàn)樨?fù)壓區(qū)，使得賽車(chē)前負(fù)升力翼受到了運(yùn)動(dòng)空氣所施加的氣動(dòng)負(fù)升力，而這正是我們做渴望得到的結(jié)果。6.6 本章小結(jié)本章通過(guò)總結(jié)闡述國(guó)內(nèi)外 f1 賽車(chē)氣動(dòng)特性研究的概況，明確了 f1 賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究目標(biāo)是在賽車(chē)高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中如何使其所受氣動(dòng)阻力與氣動(dòng)負(fù)升力達(dá)到一種完美的平衡；介紹了 f1 賽車(chē)高速轉(zhuǎn)彎時(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)、擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)對(duì)負(fù)升力產(chǎn)生的影響及地面效應(yīng)的作用；對(duì) f1 賽車(chē)進(jìn)行了 cad 初步的建模，利用流體軟件對(duì)賽車(chē)外流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和可視化分析。721

48、 本論文內(nèi)容總結(jié)碩士學(xué)位論文總結(jié)與展望逆向工程設(shè)計(jì)技術(shù)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的重要方向正得到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。包括中國(guó)在內(nèi)的世界多個(gè)國(guó)家在把優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)、飛機(jī)等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作，并且已經(jīng)取得了一定的成就。本文主要研究把優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于流線(xiàn)形車(chē)身的造型設(shè)計(jì)，在基于翼剖面理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了一個(gè)較為符合氣動(dòng)特性的流線(xiàn)形車(chē)身。具體而言，本文的主要內(nèi)容可以概述為：闡釋了車(chē)身造型的演變歷程，并且從汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的角度分析了各時(shí)代車(chē)身造型的特點(diǎn)；車(chē)身造型與曲線(xiàn)曲面技術(shù)是絕對(duì)分不開(kāi)的，重點(diǎn)解釋了與車(chē)身氣動(dòng)造型有密切聯(lián)系的 nurbs(非均勻有理 b 樣條)曲面造型技術(shù)； 簡(jiǎn) 述 了 普 通 房 車(chē) 在 高 速 行 駛 時(shí) 所 涉 及 到 的 氣 動(dòng) 六 分 力 理 論 及 其 對(duì) 汽 車(chē) 相關(guān)性能的影響；詳細(xì)論述了流線(xiàn)形車(chē)身優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本條件、優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本步驟以及影響車(chē)身優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本參數(shù)。同時(shí)提出了一較符合汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)理論的流線(xiàn)形數(shù)字化 cad 模型； 在 對(duì) 理 想 基 本 形 體 數(shù) 字 化 車(chē) 身 進(jìn) 行 數(shù) 值 模