F1方程式赛车的空气动力学资料

F1方程式赛车的空气

动力学

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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

，上翼面的气流流速低，压强大，下在气体领域的伯努利方程p+1/2ρv2=P

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。