F1方程式賽車的空氣動(dòng)力學(xué)

1、F1方程式賽車的空氣動(dòng)力學(xué)班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：年月號(hào)引言空氣動(dòng)力學(xué)在F1領(lǐng)域中扮演著重要的角色。在引擎的研發(fā)相對(duì)穩(wěn)定的下，空氣動(dòng)力學(xué) 幾乎主宰著一輛賽車的全部性能。從上紀(jì)六十年代F1賽車第一次使用尾翼，到七十年代地面效應(yīng)的引進(jìn)，再到近些年雙層擴(kuò)散器、廢氣驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散器等設(shè)計(jì)的提出，空氣動(dòng)力學(xué)在短短的幾十年時(shí)間里取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，幾乎可以與航空工業(yè)并駕齊驅(qū)，甚至有超越后者的勢(shì)頭?？諝鈩?dòng)力學(xué)是流體力學(xué)的一個(gè)重要分支，主要研究空氣或其它氣體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、空氣或其它氣體與飛行器或其他物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互作用和伴隨產(chǎn)生的物理變化。F1的空氣動(dòng)力學(xué)主要研究下壓力，阻力和靈敏度三個(gè)方面，其中，提高壓力是提升彎中表現(xiàn)

2、的有效手段， 降低阻力是獲得高尾速輸出的必要手段，靈敏性又稱敏感度， 主要研究空氣動(dòng)力學(xué)環(huán)境改變而導(dǎo)致的自身變化的強(qiáng)度。確切地說，就是研究由路況差異而導(dǎo)致的氣動(dòng)翼片與底盤間距的變化對(duì)賽車性能的干預(yù)強(qiáng)弱。前翼是安裝在車體最前端的氣動(dòng)附加裝置，它不僅負(fù)責(zé)制造賽車前部的下壓力，還影響向后流動(dòng)的氣流的走向。F1賽車的前翼的工作受到多種因素的影響，首先，作用在翼面上的氣流并不是理想狀態(tài)的， 風(fēng)速，風(fēng)向都時(shí)刻變化，且不確定，此外，賽車在彎道中行駛時(shí)，作用在翼面上的氣流會(huì)發(fā)生橫向的偏轉(zhuǎn)和移動(dòng)，形成不穩(wěn)定的流場(chǎng)，這不僅降低了前翼產(chǎn)生 的氣動(dòng)負(fù)升力的效率，還影響到了前翼后部的氣流環(huán)境，不利于氣流的正常傳輸。人類

3、在流體力學(xué)的研究過程中一直在發(fā)展，進(jìn)步，在可以產(chǎn)生氣動(dòng)負(fù)升力的翼形的研究 中更是如此，先后出現(xiàn)了伯努利，牛頓等不同時(shí)期的翼形，這些翼形在氣動(dòng)性能上也不斷提升，今天F1賽車所采用的主襟翼結(jié)合的翼形就是人類經(jīng)過長(zhǎng)期探索換來的智慧結(jié)晶，這種 翼形不僅成熟，而且有效。F1賽車在高速行駛時(shí)，流過前翼所在區(qū)域的氣流被前前翼分割為兩部分：一部分從翼片的上表面流過，另一部分則流過翼片的下表面，這兩股氣流依附在翼片上流動(dòng)，最后在前 翼后方的某一區(qū)域重新匯聚，兩股的氣流的區(qū)別在于，由于襟翼與主翼呈一個(gè)很大的傾角，因此襟翼?yè)碛休^大的迎風(fēng)面積，在氣體的流動(dòng)過程中，翼片上表面的氣流在流動(dòng)中受到了阻礙，流速有所降低，而翼

4、片下表面的氣流則可以在無(wú)阻礙的狀態(tài)下順利通過，結(jié)合前文提到過的運(yùn)用在氣體領(lǐng)域的伯努利方程p+1/2 p v2=Po ,上翼面的氣流流速低，壓強(qiáng)大，下翼面的氣流流速高，壓強(qiáng)小，兩者作差，即產(chǎn)生了我們所需的氣動(dòng)負(fù)升力。襟翼的氣動(dòng)攻角越大，對(duì)翼片上方的氣流的阻礙作用也主越明顯，上、下翼面的流速差就越大，產(chǎn)生的氣動(dòng)負(fù)升力就越大。尾翼尾翼位于賽車末端，制造占全車30%勺負(fù)升力。尾翼可以分為上下兩個(gè)部分，上層尾翼高聳在干凈的氣流環(huán)境中，下層結(jié)構(gòu)又稱作下橫梁，負(fù)責(zé)提供額外的負(fù)升力。尾翼算得上是最早出現(xiàn)的氣動(dòng)部件，上世紀(jì)60年代起，尾翼開始被安裝在 F1賽車上，此后便不斷發(fā)展和演化，結(jié)構(gòu)也越發(fā)復(fù)雜，本世紀(jì)初尾

5、翼的上層翼片呈現(xiàn)出多翼片的復(fù)合結(jié) 構(gòu)，這種疊加翼片可以發(fā)揮出非常強(qiáng)大的功效。此后，F(xiàn)IA開始陸續(xù)頒布新的規(guī)則，簡(jiǎn)化尾翼設(shè)計(jì)，以此來降低尾翼提供的氣動(dòng)負(fù)升力。2004年，F(xiàn)IA將尾翼的上層結(jié)構(gòu)減至兩片，2005年又將上層尾翼的安裝位置前移，2009年更是將上層尾翼收窄加高，限制在22cm高，35cm長(zhǎng)，75cm寬的空間內(nèi)。氣流在流過上下翼面后，會(huì)在翼片的后方區(qū)域會(huì)合。 由于兩股氣流存在速度差和壓力差， 因此這兩股氣流相接觸后會(huì)形成螺旋形的渦流，渦流在尾翼的后緣交匯拓展，在潮濕的賽道條件下可以看到他們的尾跡。這種渦流會(huì)帶來阻力，降低賽車的直線速度。一般來說，尾翼的上翼面大部分是高壓，而邊緣和下翼面

6、是低壓，因此 F1的設(shè)計(jì)師們通過在端板的上層尾 翼處添加百葉結(jié)構(gòu)來平衡翼尖部分的氣壓，減小產(chǎn)生的渦流。2011年，F(xiàn)IA為了提高比賽的觀賞性， 引進(jìn)了 DRST調(diào)尾翼。用于增加比賽過程中的超 越次數(shù)。這套裝置的原理很簡(jiǎn)單：通過技術(shù)手段（通常是利用液壓裝置來控制）在需要的時(shí) 候?qū)⑸蠈游惨淼母币碚蛊?，這樣就消除了副翼的氣動(dòng)攻角，減小了副翼相對(duì)氣流的正對(duì)面積， 因此就很好地起到了減阻的效果。擴(kuò)散器擴(kuò)散器位于賽車的尾端，是車尾最低的氣動(dòng)部件。 與前翼和尾翼相比， 擴(kuò)散器被應(yīng)用的時(shí)間相對(duì)較晚，但是擴(kuò)散器卻是目前公認(rèn)的最有效的氣動(dòng)部件，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的翼片工作方式不同，擴(kuò)散器工作時(shí)幾乎不伴隨阻力，因此強(qiáng)化擴(kuò)散

7、器工作效率也常常成為F1設(shè)計(jì)師提升賽車氣動(dòng)性能的核心要素。通常來說，擴(kuò)散器可以為賽車提供40%的負(fù)升力。擴(kuò)散器與文丘里管十分相似， 車底的氣流從擴(kuò)散器入口進(jìn)入，擴(kuò)散器入口背面形成低壓區(qū)降低車體底部空氣的升力，以此增加賽車的負(fù)升力。研究表明賽車底部運(yùn)動(dòng)氣流在擴(kuò)散器起始位置發(fā)生分離，后在文丘里的影響下重新附著在擴(kuò)散器的表面而流向尾部。針對(duì)這種情況，F(xiàn)1的設(shè)計(jì)師通常會(huì)給擴(kuò)散器安裝渦流發(fā)生器來保證氣流的附著， 強(qiáng)化擴(kuò)散器的“抽氣”效能，渦流發(fā)生器在航空領(lǐng)域中實(shí)際上是以某一 安裝角垂直地安裝在機(jī)體表面上的小展弦比小機(jī)翼，所以它在迎風(fēng)面氣流中和常規(guī)機(jī)翼一樣能產(chǎn)生翼尖渦流，但是由于其展弦比小，因此翼尖渦流的

8、強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)。這種高能量的翼尖 渦流與其下游的低能量邊辦層流動(dòng)混合后，就把能量傳遞給了邊界層， 使處于逆壓梯度中的邊界層流場(chǎng)獲得附加能量后能夠繼續(xù)貼附在機(jī)體表面而不致分離。應(yīng)用在F1的擴(kuò)散器上,渦流發(fā)生器通過形成混合渦流而有效地阻止氣流的過早分離，盡可能地使擴(kuò)散器處于理想的 工作狀態(tài)，降低氣流分離造成的負(fù)面影響。輪胎輪胎對(duì)于F1的設(shè)計(jì)師來說是一件比較頭痛的事。 一方面，它作為賽車的必備組成部分， 負(fù)責(zé)將賽車制造的負(fù)升力傳遞給路面， 另一方面，這個(gè)不可或缺的組件卻給賽車的所動(dòng)布局 帶來額外的麻煩。試想一下，在賽車高速行駛的狀態(tài)下，氣流撞擊到輪胎上會(huì)產(chǎn)生多大的阻 力，而車輪在飛速旋轉(zhuǎn)過程中又給周圍

9、的氣流環(huán)境帶來多大的擾動(dòng)。對(duì)于前輪而言，一方面，車隊(duì)會(huì)選擇在前翼上多做文章，而另一方面，車隊(duì)往往會(huì)用新的舉措來降低前輪區(qū)域的氣流擾動(dòng)，從前翼的角度來說，工程師可以在不打破前后負(fù)升力平衡的前提下增大襟翼的攻角，這在一定范圍內(nèi)被證明是可以有效降低車身阻力的。（我們?cè)谇耙淼牟糠掷锾岬竭^）此外，設(shè)計(jì)師還通過在前翼上設(shè)置倒L形的導(dǎo)流片來誘導(dǎo)氣流避開前輪。對(duì)于后輪，在 09年之前大部分車隊(duì)都會(huì)選擇在后輪的前方安裝卷邊小翼，這樣在產(chǎn) 生負(fù)升力的同時(shí)也避免了撞擊前輪，可謂一舉兩得，然而在09版之后的規(guī)則中，車隊(duì)是禁止在這一區(qū)域安裝任何翼片的，所以后輪不得不暴露于外界的氣流環(huán)境中，目前車隊(duì)的做法是盡量讓側(cè)箱的末

10、端收得更緊，使部分氣流能夠順著車體形狀向可樂瓶方向移動(dòng)。懸桂與輪胎相同，懸掛結(jié)構(gòu)也是車體必備組件，由于其大部分結(jié)構(gòu)暴露于車體外部，因此設(shè)計(jì)師對(duì)于懸掛系統(tǒng)也有氣動(dòng)上的要求。懸掛的叉臂一般都被處理為扁平的形狀，這在行駛過程中可以很好地梳理氣流，同時(shí)把控氣流的流向。懸掛根據(jù)彈簧和阻尼器等組件的安裝位置 有推桿和拉桿兩種。拉桿式懸掛外部部分結(jié)構(gòu)整潔簡(jiǎn)單，更有利于氣流的傳輸，但是調(diào)校和設(shè)置的更改上不如推桿結(jié)構(gòu)來得方便。除了推桿與拉桿的差異，懸掛系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)就是龍骨的設(shè)計(jì)。F1的懸掛可分為單龍骨、雙龍骨和零龍骨三類，從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來說，有龍骨的懸掛可 靠性強(qiáng)，可以更好地展現(xiàn)工作效果，但是零龍骨懸掛可

11、以在氣動(dòng)的角度為底盤下方創(chuàng)造出干 凈整潔的氣流空間。散熱冷卻是F1賽車上需要做出最大妥協(xié)的部分之一，是任何設(shè)計(jì)師都必須處理的問題。這 里的妥協(xié)是指需要在保護(hù)“引擎的安全”和“凈化”氣流之間找到平衡點(diǎn)，也就是說如果某 一天我們的F1引擎不需要冷卻了，那賽車的整個(gè)側(cè)箱都可以全部拿掉，更不用在側(cè)箱上開 孔或者架設(shè)煙囪，為之帶來的亂流而費(fèi)神。一輛F1賽車的散熱方案是根據(jù)引擎釋放的無(wú)效熱量來考慮的。為了保持冷卻氣流的有 效工作，如果進(jìn)入的氣流比例為25%的話，那出口比例必須達(dá)到30%。而且需要知道的是,在這個(gè)區(qū)域（側(cè)箱），任何的冷卻氣流都可以制造下壓力，所以必須合理的控制冷卻氣流的利 用，多用將意味著下

12、壓力的浪費(fèi)。如果一輛賽車不需要冷卻的，任何一個(gè)設(shè)計(jì)師都可以制造足夠的下壓力。在過去的幾年中，新材料的應(yīng)用讓引擎的安全運(yùn)轉(zhuǎn)溫度提高了100125攝氏度，這意味著冷卻的難度降低了 一些，但是現(xiàn)在F1在處理冷卻問題上仍沒有得到至臻完善的程度，特別是在冷卻氣流的出口處?，F(xiàn)在的設(shè)計(jì)師傾向于關(guān)閉盡可能多的空氣出口，來保持流向尾部的氣流更“干凈”，讓尾翼的工作更加有效。這樣，便可以讓車身下壓力的損失將至最低點(diǎn)。1998年，邁凱倫在賽車上首次采用了散熱煙囪，如今幾乎每一支車隊(duì)都開始使用這項(xiàng)設(shè)計(jì)。但是雷諾R25在使用煙囪的同時(shí)，還在側(cè)箱上開了大量的散熱孔， 而邁凱倫的開孔則使用的很少。 實(shí)踐證明， 這二者都是非

13、常有效的。在V10引擎的年代，散熱被看作是賽車設(shè)計(jì)的重中之重。效率低下的散熱裝置不僅會(huì) 損耗引擎的使用壽命，更嚴(yán)重時(shí)可能直接造成車手因爆缸而退賽。為了防止這種情況的發(fā)生，各支車隊(duì)都爭(zhēng)相設(shè)計(jì)復(fù)雜的散熱方案，但即便如此，引擎爆缸的事故仍然時(shí)有發(fā)生。隨著技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)師開始逐步優(yōu)化F1賽車的散熱設(shè)計(jì)，比如，邁凱輪 MP4-22將散熱煙囪與側(cè)箱導(dǎo)流翼片連成一體，在工作的同時(shí)還可以加工和梳理側(cè)箱區(qū)域的氣流。輔助空套首先我們來說一說側(cè)箱底部的前導(dǎo)流板，08年之前這個(gè)組件擁有巨大的體積，因此其工作時(shí)可將可觀體積的氣流送到需要的地方。但是09年之后這個(gè)組件的大小被大幅度縮水了，因此車隊(duì)迫切需要提升導(dǎo)流板的傳

14、輸效率，一方面選擇符合需求的氣動(dòng)外形，另一方面則在該組件上進(jìn)行細(xì)化處理，例如在組件上安裝若干個(gè)鋸齒邊緣，通過產(chǎn)生小的渦流來加速氣流的下洗。然后再說一說后視鏡，如果從氣動(dòng)角度來分析，后視鏡絕對(duì)不是一個(gè)可以帶來收益的部 件，在行駛時(shí)后視鏡會(huì)嚴(yán)重破壞座艙區(qū)域的氣流。因此有的車隊(duì)選擇把后鏡裝在側(cè)箱的邊緣，然而這樣后視鏡就離車手太遠(yuǎn)了，不僅不利于車手駕駛，而且還會(huì)劇烈搖晃，因此在2010年的中國(guó)站之后，F(xiàn)IA統(tǒng)一要求將后視鏡安裝在座艙的位置。但是仍然有車隊(duì)在這上面做文章，比如法拉利 F2012在歐洲站使用的后鏡，設(shè)計(jì)師通過將支柱外移來減小該區(qū)域的氣流 擾動(dòng)。最后說一說座艙和側(cè)箱區(qū)域的翼片，這部分部件是在

15、2012年之后才開始發(fā)展起來的，用于搭配康達(dá)效應(yīng)的側(cè)箱，在這些小翼片中，有縱置的引導(dǎo)氣流走向、 制造渦流提高能量的導(dǎo)流片，（比如邁凱倫和威廉姆斯的側(cè)箱上安裝了3-4組這樣的翼片），也有用于梳理氣流，創(chuàng)造氣流下洗的橫向翼片，（比如索伯的橫向肩翼和紅牛、蓮花采用的翼片），這些翼片都會(huì)優(yōu)化側(cè)箱上表面的氣流環(huán)境，搭配康達(dá)排氣來提升賽車的氣動(dòng)性能。結(jié)束語(yǔ)流體力學(xué)在F1賽車外形優(yōu)化設(shè)計(jì)上有重要的應(yīng)用，可以提高其空氣動(dòng)力學(xué)特性以提高F1賽車性能。空氣動(dòng)力學(xué)還可進(jìn)一步進(jìn)行F1賽車的操縱穩(wěn)定些，空氣噪聲，排、進(jìn)氣管道等多方面的深入研究。參考文獻(xiàn)1. 張兆順，崔桂香.湍流理論與模擬M.北京：清華大學(xué)出版社，200

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