流体力学在F1赛车中的应用

读书报告

流体力学在F1赛车中的应用

一辆F1赛车可以在5秒内加速到200km/h以

上，极速更是高达350km/h，但是如果在弯道中轮

胎没有足够的抓地力，那么引擎即使有足够强劲

的动力，也没有机会充分发挥。因此过弯稳定性

可以极大程度地影响一辆F1赛车的综合性能。为

了提高过弯速度，除了要设置合适的悬架保证轮

胎能最大限度地与路面接触之外，还利用空气提

供额外的气动负升力，即气动下压力。

对于轮胎来说，施加在轮胎上的载荷有三类：

车身自重、车手体重和行驶过程中空气提供的下

压力。其中，气动下压力可以在不增加额外质量

的前提下，提高轮胎的附着力，有效地提升赛车

的过弯性能，甚至直接影响到车手的单圈成绩。

在引擎研发相对稳定的框架下，对于下压力的压

榨的开发被放在了新车研发的首要位置。

对于目前的F1赛车而言，底盘、发动机和悬

架是一辆赛车的必备组成成分，其余的部件则是为了满足空气动力学的的需要面安装的，这此换们称之为“气动附加装置”又可以分为两类，一类是直接用来产生气动负升力的装置，包括前翼、后翼和扩散器，压力配比方面，前翼产生的下压力占全部下压力的30%，尾翼占30%，扩散器占40%。另一类则是用来提升前、后翼以及扩散器的工作效率的辅助性装置，这此装置通过提升气流的传输效率，间接地提升赛车的气动性能，这类装置包括鼻锥及其下方的导流板，侧箱前方的导流板等等。首先，我们就先从前后翼以及扩散器展开对F1赛车气动特性的讨论。

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。前翼由主要结构和众多的附加结构组成。最前端的水平翼片称为主翼，其后端带有攻角的倾斜翼片称为襟翼，理论上来说，只要拥有主翼和襟翼就可以产生下压力，因此可以将主翼和襟翼概括为前翼的主要结构。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。下图左面表示的是前翼和总的气动负升力与襟翼攻角的关系。

Clw代表前翼的气动负升力 CDtot表示总的气动阻力

CLtot代表总的气动负升力 CDw表示前翼的气动阻力

但是在这种设置下存在着这样一个问题：气动攻角的增加意味着阻力的增加，换言之，增加气动负升力的同时伴随着阻力。上图右面是前翼产生的气动阻力随气动攻角的数据图。

由图我们可以看出，前翼自身产生的阻力随气动攻角的增大而增大，而且二者近似呈线性关系，而赛车整体的气动阻力则是呈先增大后减小的趋势。简单地说明一下，由于前翼位于赛车的最前端，其后就是赛车的前轮，因此这一位置十分特殊，相比之下，气流直接撞击在前轮上时产生的阻力要比在前翼上制造下压力时形成的阻力可观得多。当襟翼的气动攻角大到一定程度时，就可以使部分气流在离开前翼向上扩散的过程中避开前轮，从而减小了气流撞击到前轮上的机会，因此，对于整车的气动阻力而言，当襟翼的攻角超过某一值时，整车的阻力会有所下降，换言之，前翼抵消了部分轮胎上产生的阻力。

对于前翼而言，更大的襟翼攻角和更长的翼弦可以获得更多的气动负升力。但是在这两种设置下下翼面的气流很容易失去对翼片的依附而与翼面发生分离，我们常称这一现象为气流剥离，气流剥离就会引发前翼失速，降低前翼的气动负升力水平，因此，常需要在翼面上开槽来解决这一问题，开槽将完整的翼片拆分为若干部分，使得前翼上表面的气流流入下表面，并保证每一小块翼片上都时刻有气流附着，这样一来就避免了气流的剥离从而大大地提升了前翼的气动效率。

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，针对以上这两种情况，F1的设计师分别用了如下应对措施：

Ⅰ.增大产生气动负升力的翼面的有效面积，我们可以注意到，09年改革以前的F1赛车襟翼一直延伸至鼻锥的下方，这就意味着鼻锥下方的翼面上也可以产生气动负升力。我们以迈凯伦MP4－20的前翼为例，迈凯伦MP4－20的前翼由三片组成，与主翼板吻合，三片翼板都保持着平缓的曲率、中间下沉两边高的特征。当低表面的气流（与前翼处于相同高度的气流）出现分离、扰动时，前翼受到横向气流的影响会被减至最低，因此整个套件非常稳定。赛车的特性是：易于驾驶，敏感程度极低。

Ⅱ.在前翼的下翼面设置用于梳理气流的整流片，这些整流片可以控制下翼面的气流走向，尽可能地防止下翼面的气流发生横向偏转和侧移，减小离开前翼的气流对前翼后部区域产生的扰动，保证赛车前部的气流环境相对稳定。

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。

尾翼的上层部分由两片组成，水平的翼片称为主翼，倾斜带有攻角的翼片称为副翼。尾翼的工作原理与前翼大致相同，即利用翼片上下表面的流速差，制造气动负升力。

主翼与副翼之间保留一条开槽，将气流供应至翼面下方，从而提升整体的气动表现。

格尼襟翼（gurney flap）是前翼和尾翼上常用的一个附件。这是一小片直角碳纤维，贴在翼片尾端，通过在翼片后缘制造一对旋向相反的涡流，能够增加一点下压力，同时也增加一点阻力。gurney flap的作用在于，让机翼在大迎角的情况下，不产生气流失速现象。另外需要提到的是，gurney flap对于提高赛车在制动时的稳定性以及尾翼在低速状态下制造下压力的能力也有积极的帮助。车队可以通过更换更宽或更高的襟翼来调整翼片性能。（注：在流体动力学中，失速是指翼型气动攻角增加到一定程度（达到临界值）时，翼型所产生的升力突然减小的一种状态。翼型气动迎角超过该临界值之前，翼型的升力是随迎角增加而递增的；但是迎角超过该临界值后，翼型的升力将递减。）

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。

下横梁位于赛车的中等偏下位置，为赛车提供额外的气动负升力。