F1方程式賽車的空氣動力學(xué)

1、F1方程式賽車的空氣動力學(xué)班級：學(xué)號：姓名:年 月 號引言空氣動力學(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，空氣動力學(xué)幾乎主宰著一輛賽車的全部性能。從上紀六十年代F1賽車第一次使用尾翼，到七十年代地面效應(yīng)的引進，再到近些年雙層擴散器、廢氣驅(qū)動擴散器等設(shè)計的提出，空氣動力學(xué)在短短的幾十年時間里取得了長足的進步，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?？諝鈩恿W(xué)是流體力學(xué)的一個重要分支，主要研究空氣或其它氣體的運動規(guī)律、空氣或其它氣體與飛行器或其他物體相對運動時的相互作用和伴隨產(chǎn)生的物理變化。F1的空氣動力學(xué)主要研究下壓力，阻力和靈敏度三個方面，其中，提高壓力是提升彎中表

2、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，主要研究空氣動力學(xué)環(huán)境改變而導(dǎo)致的自身變化的強度。確切地說，就是研究由路況差異而導(dǎo)致的氣動翼片與底盤間距的變化對賽車性能的干預(yù)強弱。前翼前翼是安裝在車體最前端的氣動附加裝置，它不僅負責(zé)制造賽車前部的下壓力，還影響向后流動的氣流的走向。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)向都時刻變化，且不確定，此外，賽車在彎道中行駛時，作用在翼面上的氣流會發(fā)生橫向的偏轉(zhuǎn)和移動，形成不穩(wěn)定的流場，這不僅降低了前翼產(chǎn)生的氣動負升力的效率，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

3、流體力學(xué)的研究過程中一直在發(fā)展，進步，在可以產(chǎn)生氣動負升力的翼形的研究中更是如此，先后出現(xiàn)了伯努利，牛頓等不同時期的翼形，這些翼形在氣動性能上也不斷提升，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，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，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，在氣體的流動過程中，翼片上表面的氣流在流動中受到了阻礙，流速有所降低，而翼片下表面

4、的氣流則可以在無阻礙的狀態(tài)下順利通過，結(jié)合前文提到過的運用在氣體領(lǐng)域的伯努利方程p+1/2v2=P0，上翼面的氣流流速低，壓強大，下翼面的氣流流速高，壓強小，兩者作差，即產(chǎn)生了我們所需的氣動負升力。襟翼的氣動攻角越大，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)生的氣動負升力就越大。尾翼尾翼位于賽車末端，制造占全車30%的負升力。尾翼可以分為上下兩個部分，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，負責(zé)提供額外的負升力。尾翼算得上是最早出現(xiàn)的氣動部件，上世紀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，本世紀初尾翼的上層翼片呈現(xiàn)出

5、多翼片的復(fù)合結(jié)構(gòu)，這種疊加翼片可以發(fā)揮出非常強大的功效。此后，F(xiàn)IA開始陸續(xù)頒布新的規(guī)則，簡化尾翼設(shè)計，以此來降低尾翼提供的氣動負升力。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，75cm寬的空間內(nèi)。氣流在流過上下翼面后，會在翼片的后方區(qū)域會合。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)計師

6、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）在需要的時候?qū)⑸蠈游惨淼母币碚蛊?，這樣就消除了副翼的氣動攻角，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。擴散器擴散器位于賽車的尾端，是車尾最低的氣動部件。與前翼和尾翼相比，擴散器被應(yīng)用的時間相對較晚，但是擴散器卻是目前公認的最有效的氣動部件，因為與傳統(tǒng)的翼片工作方式不同，擴散器工作時幾乎不伴隨阻力，因此強化擴散器工作效率也常常成為F1設(shè)計師提升賽車氣動

7、性能的核心要素。通常來說，擴散器可以為賽車提供40%的負升力。擴散器與文丘里管十分相似，車底的氣流從擴散器入口進入，擴散器入口背面形成低壓區(qū)降低車體底部空氣的升力，以此增加賽車的負升力。研究表明賽車底部運動氣流在擴散器起始位置發(fā)生分離，后在文丘里的影響下重新附著在擴散器的表面而流向尾部。針對這種情況，F(xiàn)1的設(shè)計師通常會給擴散器安裝渦流發(fā)生器來保證氣流的附著，強化擴散器的“抽氣”效能，渦流發(fā)生器在航空領(lǐng)域中實際上是以某一安裝角垂直地安裝在機體表面上的小展弦比小機翼，所以它在迎風(fēng)面氣流中和常規(guī)機翼一樣能產(chǎn)生翼尖渦流，但是由于其展弦比小，因此翼尖渦流的強度相對較強。這種高能量的翼尖渦流與其下游的低能

8、量邊辦層流動混合后，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)貼附在機體表面而不致分離。應(yīng)用在F1的擴散器上，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，盡可能地使擴散器處于理想的工作狀態(tài)，降低氣流分離造成的負面影響。輪胎輪胎對于F1的設(shè)計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，負責(zé)將賽車制造的負升力傳遞給路面，另一方面，這個不可或缺的組件卻給賽車的所動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。對于前輪而言，一方面，車隊會選擇在前翼

9、上多做文章，而另一方面，車隊往往會用新的舉措來降低前輪區(qū)域的氣流擾動，從前翼的角度來說，工程師可以在不打破前后負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。（我們在前翼的部分里提到過）此外，設(shè)計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年之前大部分車隊都會選擇在后輪的前方安裝卷邊小翼，這樣在產(chǎn)生負升力的同時也避免了撞擊前輪，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。懸掛與輪胎相

10、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)計師對于懸掛系統(tǒng)也有氣動上的要求。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)的另一個關(guān)鍵節(jié)點就是龍骨的設(shè)計。F1的懸掛可分為單龍骨、雙龍骨和零龍骨三類，從機械結(jié)構(gòu)上來說，有龍骨的懸掛可靠性強，可以更好地展現(xiàn)工作效果，但是零龍骨懸掛可以在氣動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

11、要做出最大妥協(xié)的部分之一，是任何設(shè)計師都必須處理的問題。這里的妥協(xié)是指需要在保護“引擎的安全”和“凈化”氣流之間找到平衡點，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，如果進入的氣流比例為25%的話，那出口比例必須達到30%。而且需要知道的是，在這個區(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。如果一輛賽車不需要冷卻的，任何一個設(shè)計師都可以制造足夠的下壓力。在過去的

12、幾年中，新材料的應(yīng)用讓引擎的安全運轉(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。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都開始使用這項設(shè)計。但是雷諾R25在使用煙囪的同時，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)計的重中之重。效率低下的散熱裝置不僅會損耗引

13、擎的使用壽命，更嚴重時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，各支車隊都爭相設(shè)計復(fù)雜的散熱方案，但即便如此，引擎爆缸的事故仍然時有發(fā)生。隨著技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計師開始逐步優(yōu)化F1賽車的散熱設(shè)計，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年之前這個組件擁有巨大的體積，因此其工作時可將可觀體積的氣流送到需要的地方。但是09年之后這個組件的大小被大幅度縮水了，因此車隊迫切需要提升導(dǎo)流板的傳輸效率，一方面選擇符合需求的氣動外形，另一方面則在該組件上進行細化處理，例如在組件上安裝若干個鋸

14、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，如果從氣動角度來分析，后視鏡絕對不是一個可以帶來收益的部件，在行駛時后視鏡會嚴重破壞座艙區(qū)域的氣流。因此有的車隊選擇把后鏡裝在側(cè)箱的邊緣，然而這樣后視鏡就離車手太遠了，不僅不利于車手駕駛，而且還會劇烈搖晃，因此在2010年的中國站之后，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)計師通過將支柱外移來減小該區(qū)域的氣流擾動。最后說一說座艙和側(cè)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

15、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），這些翼片都會優(yōu)化側(cè)箱上表面的氣流環(huán)境，搭配康達排氣來提升賽車的氣動性能。結(jié)束語流體力學(xué)在F1賽車外形優(yōu)化設(shè)計上有重要的應(yīng)用，可以提高其空氣動力學(xué)特性以提高F1賽車性能?？諝鈩恿W(xué)還可進一步進行F1賽車的操縱穩(wěn)定些，空氣噪聲，排、進氣管道等多方面的深入研究。參考文獻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：機械工業(yè)出版社， 2005:74-

16、773. 吳軍汽車外流場湍流模型與新概念車氣動特性的研究D.湖南：湖南大學(xué)， 2005:124-1254. 譚菊甫一級方程式賽車高速轉(zhuǎn)彎的力學(xué)基礎(chǔ)J.工科物理，1994,():15-165. 郭軍朝.理想車身氣動造型研究與F1賽車空氣動力學(xué)D.長沙:湖南大學(xué)，20076. Dejan Matic Computationonal Analysis of Racing Aerodynamics ： DArlington：Univof TEXAS，2002:10-137. Saifdeen,Akaanni.Comoputational Fluid Dymanics in Formula 1 Desi

17、gnJJournal Articles By FLUENT SOFTWARE USERS, 1997,():1-78. Ilhan Bayraktar External Aerodynamics of Heavy Ground Vehicles ： Computations and Wind Tunnel TestingD Istanbul: University of Istanbul,20029. Paolo Aversa，Santi Furnari and Stefan Haefliger. Business model configurations and performance: A qualitative comparative analysis in Formula One racingJ. Industrial and Corporate Change, 2015, Vol. 24, No. 3, 65567610. Y.-N. Wang, C.-Y. Tseng, Y.-L. Huang, and J.C. Leong. Investigation of 2004 Ferrari Formula One Race Car Wing EffectsD Taiwan, Depa