F1方程式赛车的空气动力学

F1方程式赛车的空气动力学班级：学号：姓名:年月号引言空气动力学在F1领域中扮演着重要的角色。在引擎的研发相对稳定的下，空气动力学几乎主宰着一辆赛车的全部性能。从上纪六十年代F1赛车第一次使用尾翼，到七十年代地面效应的引进，再到近些年双层扩散器、废气驱动扩散器等设计的提出，空气动力学在短短的几十年时间里取得了长足的进步，几乎可以与航空工业并驾齐驱，甚至有超越后者的势头。空气动力学是流体力学的一个重要分支，主要研究空气或其它气体的运动规律、空气或其它气体与飞行器或其他物体相对运动时的相互作用和伴随产生的物理变化。F1的空气动力学主要研究下压力，阻力和灵敏度三个方面，其中，提高压力是提升弯中表现的有效手段，降低阻力是获得高尾速输出的必要手段，灵敏性又称敏感度，主要研究空气动力学环境改变而导致的自身变化的强度。确切地说，就是研究由路况差异而导致的气动翼片与底盘间距的变化对赛车性能的干预强弱。前翼前翼是安装在车体最前端的气动附加装置，它不仅负责制造赛车前部的下压力，还影响向后流动的气流的走向。F1赛车的前翼的工作受到多种因素的影响，首先，作用在翼面上的气流并不是理想状态的，风速，风向都时刻变化，且不确定，此外，赛车在弯道中行驶时，作用在翼面上的气流会发生横向的偏转和移动，形成不稳定的流场，这不仅降低了前翼产生的气动负升力的效率，还影响到了前翼后部的气流环境，不利于气流的正常传输。人类在流体力学的研究过程中一直在发展，进步，在可以产生气动负升力的翼形的研究中更是如此，先后出现了伯努利，牛顿等不同时期的翼形，这些翼形在气动性能上也不断提升，今天F1赛车所采用的主襟翼结合的翼形就是人类经过长期探索换来的智慧结晶，这种翼形不仅成熟，而且有效。F1赛车在高速行驶时，流过前翼所在区域的气流被前前翼分割为两部分：一部分从翼片的上表面流过，另一部分则流过翼片的下表面，这两股气流依附在翼片上流动，最后在前翼后方的某一区域重新汇聚，两股的气流的区别在于，由于襟翼与主翼呈一个很大的倾角，因此襟翼拥有较大的迎风面积，在气体的流动过程中，翼片上表面的气流在流动中受到了阻碍，流速有所降低，而翼片下表面的气流则可以在无阻碍的状态下顺利通过，结合前文提到过的运用在气体领域的伯努利方程p+1/2ρv2=P0，上翼面的气流流速低，压强大，下翼面的气流流速高，压强小，两者作差，即产生了我们所需的气动负升力。襟翼的气动攻角越大，对翼片上方的气流的阻碍作用也主越明显，上、下翼面的流速差就越大，产生的气动负升力就越大。尾翼尾翼位于赛车末端，制造占全车30%的负升力。尾翼可以分为上下两个部分，上层尾翼高耸在干净的气流环境中，下层结构又称作下横梁，负责提供额外的负升力。尾翼算得上是最早出现的气动部件，上世纪60年代起，尾翼开始被安装在F1赛车上，此后便不断发展和演化，结构也越发复杂，本世纪初尾翼的上层翼片呈现出多翼片的复合结构，这种叠加翼片可以发挥出非常强大的功效。此后，FIA开始陆续颁布新的规则，简化尾翼设计，以此来降低尾翼提供的气动负升力。2004年，FIA将尾翼的上层结构减至两片，2005年又将上层尾翼的安装位置前移，2009年更是将上层尾翼收窄加高，限制在22cm高，35cm长，75cm宽的空间内。气流在流过上下翼面后，会在翼片的后方区域会合。由于两股气流存在速度差和压力差，因此这两股气流相接触后会形成螺旋形的涡流，涡流在尾翼的后缘交汇拓展，在潮湿的赛道条件下可以看到他们的尾迹。这种涡流会带来阻力，降低赛车的直线速度。一般来说，尾翼的上翼面大部分是高压，而边缘和下翼面是低压，因此F1的设计师们通过在端板的上层尾翼处添加百叶结构来平衡翼尖部分的气压，减小产生的涡流。2011年，FIA为了提高比赛的观赏性，引进了DRS可调尾翼。用于增加比赛过程中的超越次数。这套装置的原理很简单：通过技术手段（通常是利用液压装置来控制）在需要的时候将上层尾翼的副翼展平，这样就消除了副翼的气动攻角，减小了副翼相对气流的正对面积，因此就很好地起到了减阻的效果。扩散器扩散器位于赛车的尾端，是车尾最低的气动部件。与前翼和尾翼相比，扩散器被应用的时间相对较晚，但是扩散器却是目前公认的最有效的气动部件，因为与传统的翼片工作方式不同，扩散器工作时几乎不伴随阻力，因此强化扩散器工作效率也常常成为F1设计师提升赛车气动性能的核心要素。通常来说，扩散器可以为赛车提供40%的负升力。扩散器与文丘里管十分相似，车底的气流从扩散器入口进入，扩散器入口背面形成低压区降低车体底部空气的升力，以此增加赛车的负升力。研究表明赛车底部运动气流在扩散器起始位置发生分离，后在文丘里的影响下重新附着在扩散器的表面而流向尾部。针对这种情况，F1的设计师通常会给扩散器安装涡流发生器来保证气流的附着，强化扩散器的“抽气”效能，涡流发生器在航空领域中实际上是以某一安装角垂直地安装在机体表面上的小展弦比小机翼，所以它在迎风面气流中和常规机翼一样能产生翼尖涡流，但是由于其展弦比小，因此翼尖涡流的强度相对较强。这种高能量的翼尖涡流与其下游的低能量边办层流动混合后，就把能量传递给了边界层，使处于逆压梯度中的边界层流场获得附加能量后能够继续贴附在机体表面而不致分离。应用在F1的扩散器上，涡流发生器通过形成混合涡流而有效地阻止气流的过早分离，尽可能地使扩散器处于理想的工作状态，降低气流分离造成的负面影响。轮胎轮胎对于F1的设计师来说是一件比较头痛的事。一方面，它作为赛车的必备组成部分，负责将赛车制造的负升力传递给路面，另一方面，这个不可或缺的组件却给赛车的所动布局带来额外的麻烦。试想一下，在赛车高速行驶的状态下，气流撞击到轮胎上会产生多大的阻力，而车轮在飞速旋转过程中又给周围的气流环境带来多大的扰动。对于前轮而言，一方面，车队会选择在前翼上多做文章，而另一方面，车队往往会用新的举措来降低前轮区域的气流扰动，从前翼的角度来说，工程师可以在不打破前后负升力平衡的前提下增大襟翼的攻角，这在一定范围内被证明是可以有效降低车身阻力的。（我们在前翼的部分里提到过）此外，设计师还通过在前翼上设置倒L形的导流片来诱导气流避开前轮。对于后轮，在09年之前大部分车队都会选择在后轮的前方安装卷边小翼，这样在产生负升力的同时也避免了撞击前轮，可谓一举两得，然而在09版之后的规则中，车队是禁止在这一区域安装任何翼片的，所以后轮不得不暴露于外界的气流环境中，目前车队的做法是尽量让侧箱的末端收得更紧，使部分气流能够顺着车体形状向可乐瓶方向移动。悬挂与轮胎相同，悬挂结构也是车体必备组件，由于其大部分结构暴露于车体外部，因此设计师对于悬挂系统也有气动上的要求。悬挂的叉臂一般都被处理为扁平的形状，这在行驶过程中可以很好地梳理气流，同时把控气流的流向。悬挂根据弹簧和阻尼器等组件的安装位置有推杆和拉杆两种。拉杆式悬挂外部部分结构整洁简单，更有利于气流的传输，但是调校和设置的更改上不如推杆结构来得方便。除了推杆与拉杆的差异，悬挂系统的另一个关键节点就是龙骨的设计。F1的悬挂可分为单龙骨、双龙骨和零龙骨三类，从机械结构上来说，有龙骨的悬挂可靠性强，可以更好地展现工作效果，但是零龙骨悬挂可以在气动的角度为底盘下方创造出干净整洁的气流空间。散热冷却是F1赛车上需要做出最大妥协的部分之一，是任何设计师都必须处理的问题。这里的妥协是指需要在保护“引擎的安全”和“净化”气流之间找到平衡点，也就是说如果某一天我们的F1引擎不需要冷却了，那赛车的整个侧箱都可以全部拿掉，更不用在侧箱上开孔或者架设烟囱，为之带来的乱流而费神。一辆F1赛车的散热方案是根据引擎释放的无效热量来考虑的。为了保持冷却气流的有效工作，如果进入的气流比例为25%的话，那出口比例必须达到30%。而且需要知道的是，在这个区域(侧箱)，任何的冷却气流都可以制造下压力，所以必须合理的控制冷却气流的利用，多用将意味着下压力的浪费。如果一辆赛车不需要冷却的，任何一个设计师都可以制造足够的下压力。在过去的几年中，新材料的应用让引擎的安全运转温度提高了100～125摄氏度，这意味着冷却的难度降低了一些，但是现在F1在处理冷却问题上仍没有得到至臻完善的程度，特别是在冷却气流的出口处。现在的设计师倾向于关闭尽可能多的空气出口，来保持流向尾部的气流更“干净”，让尾翼的工作更加有效。这样，便可以让车身下压力的损失将至最低点。1998年，迈凯伦在赛车上首次采用了散热烟囱，如今几乎每一支车队都开始使用这项设计。但是雷诺R25在使用烟囱的同时，还在侧箱上开了大量的散热孔，而迈凯伦的开孔则使用的很少。实践证明，这二者都是非常有效的。在V10引擎的年代，散热被看作是赛车设计的重中之重。效率低下的散热装置不仅会损耗引擎的使用寿命，更严重时可能直接造成车手因爆缸而退赛。为了防止这种情况的发生，各支车队都争相设计复杂的散热方案，但即便如此，引擎爆缸的事故仍然时有发生。随着技术的发展，设计师开始逐步优化F1赛车的散热设计，比如，迈凯轮MP4-22将散热烟囱与侧箱导流翼片连成一体，在工作的同时还可以加工和梳理侧箱区域的气流。辅助空套首先我们来说一说侧箱底部的前导流板，08年之前这个组件拥有巨大的体积，因此其工作时可将可观体积的气流送到需要的地方。但是09年之后这个组件的大小被大幅度缩水了，因此车队迫切需要提升导流板的传输效率，一方面选择符合需求的气动外形，另一方面则在该组件上进行细化处理，例如在组件上安装若干个锯齿边缘，通过产生小的涡流来加速气流的下洗。然后再说一说后视镜，如果从气动角度来分析，后视镜绝对不是一个可以带来收益的部件，在行驶时后视镜会严重破坏座舱区域的气流。因此有的车队选择把后镜装在侧箱的边缘，然而这样后视镜就离车手太远了，不仅不利于车手驾驶，而且还会剧烈摇晃，因此在2010年的中国站之后，FIA统一要求将后视镜安装在座舱的位置。但是仍然有车队在这上面做文章，比如法拉利F2012在欧洲站使用的后镜，设计师通过将支柱外移来减小该区域的气流扰动。最后说一说座舱和侧箱区域的翼片，这部分部件是在2012年之后才开始发展起来的，用于搭配康达效应的侧箱，在这些小翼片中，有纵置的引导气流走向、制造涡流提高能量的导流片，（比如迈凯伦和威廉姆斯的侧箱上安装了3－4组这样的翼片），也有用于梳理气流，创造气流下洗的横向翼片，（比如索伯的横向肩翼和红牛、莲花采用的翼片），这些翼片都会优化侧箱上表面的气流环境，搭配康达排气来提升赛车的气动性能。结束语流体力学在F1赛车外形优化设计上有重要的应用，可以提高其空气动力学特性以提高F1赛车性能。空气动力学还可进一步进行F1赛车的操纵稳定些，空气噪声，排、进气管道等多方面的深入研究。参考文献1.张兆顺，崔桂香．湍流理论与模拟[M]．北京：清华大学出版社，2005:214-2162.柯映林．逆向工程CAD建模理论、方法和系统[M]．北京：机械工业出版社，2005:74-773.吴军．汽车外流场湍流模型与新概念车气动特性的研究[D].湖南：湖南大学，2005:124-1254.谭菊甫．一级方程式赛车高速转弯的力学基础[J].工科物理，1994,():15-165.郭军朝.理想车身气动造型研究与F1赛车空气动力学[D].长沙:湖南大学，20076.DejanMatic．ComputationonalAnalysisofRacingAerodynamics：[D]．Arlington：Univ．ofTEXAS，2002:10-137.Saifdeen,Akaanni.ComoputationalFluidDymanicsinFormula1Design[J]．JournalArticlesByFLUENTSOFTWAREUSERS,1997,():1-78.IlhanBayraktar．ExternalAerodynamicsofHeavyGroundVehicles：ComputationsandWindTunnelTesting[D]．Istanbul:UniversityofIstanbul,20029.PaoloAversa，SantiFu