F1方程式賽車地空氣動(dòng)力學(xué)

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔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)文案大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔引言空氣動(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

2、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)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賽車性能的干預(yù)強(qiáng)弱 。前翼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

3、場， 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)性能上也不斷提文案大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔升，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

4、的區(qū)別在于，由于襟翼與主翼呈一個(gè)很大的傾角， 因此襟翼擁有較大的迎風(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， 而翼片下表面的氣流則可以在無阻礙的狀態(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 v2=P 0 ，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% 的負(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

5、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， FIA 開始陸續(xù)頒布新的規(guī)則，簡化尾 翼設(shè)計(jì)，以此來降低尾翼提供的氣動(dòng)負(fù)升力。 2004 年， FIA 將尾翼的上層結(jié)構(gòu)減至兩片，文案大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔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， 75cm 寬的空間內(nèi)。氣流在流過上下翼面后， 會(huì)在翼

6、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， FIA 為了提高比賽的觀賞性，引進(jìn)了 DRS 可調(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蠈游惨淼母币碚蛊剑?這樣就消除了副翼的氣動(dòng)攻角

7、， 減小了副翼相對氣流的正對面 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

8、下重新附著 在擴(kuò)散器的表面而流向尾部。針對這種情況， F1 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)際上是以某一文案大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔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， 因此翼尖渦流的強(qiáng)度相對較強(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，

9、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)過程中又給周圍的氣流環(huán)境帶來多大的擾動(dòng)。對于前輪而言， 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

10、內(nèi)被證明是可以有效降低車身阻力的。 （我們在 前翼的部分里提到過） 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)生文案大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔負(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)。懸掛與輪胎相同， 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)師對于懸掛系統(tǒng)也有氣動(dòng)上的要求。

11、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。文案大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔散熱冷卻是 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

12、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

13、料的應(yīng)用讓引擎的安全運(yùn)轉(zhuǎn)溫度提高了 100 125 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

14、。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 將散熱煙囪與文案大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔側(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)流板的傳輸效

15、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 年的中國站之后， FIA 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)

16、箱區(qū)域的翼片，這部分部件是在 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 34 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)特性以提高文案大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔F1 賽車性能?？諝鈩?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

17、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， 2005:214-2162. 柯映林逆向工程 CAD 建模理論、方法和系統(tǒng) M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2005:74-773. 吳軍汽 車外流場湍流模型與新 概念車氣動(dòng)特性的研究 D. 湖 南：湖南大學(xué) ， 2005:124-1254. 譚菊甫一級(jí)方程式賽車高速轉(zhuǎn)彎的力學(xué)基礎(chǔ)J. 工科物理， 1994,():15-165. 郭軍朝 .理想車身氣動(dòng)造型研究與 F1 賽車空氣動(dòng)力學(xué) D. 長沙 :湖南大學(xué)， 20076. Dejan Matic Computationonal Analysis of Racing

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