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F1赛车如何运用空气动力学?

发布时间:2019-07-11 18:42:10 来源:斗牛牛-斗牛牛赢现金游戏-斗牛牛游戏点击:59

  首先向两部车致以崇高的敬意,1965年Chaparral 2C和1968年莲花49B赛车,没有这些先驱者,我们可能还要在荒蛮之地挣扎许久。

  

  

  进入正题,F1赛车产生下压力的部分可以基本上归纳为如下几点:

  1.前定风翼;

  2.后定风翼;

  3.底盘。

  当然,影响赛车空气动力设计的还牵涉到几乎所有外露部分和引擎进气散热等内部流场。

  首先,说到定风翼的问题都无法避开翼型的设计,所谓翼型即一个平行于机翼对称面的截面,这是一个决定整个翼片所产生空气动力的效率的设计,涉及几何构型例如弯度,厚度和弦长。当然光有翼型是不一定能产生下压力的,还需要一个迎角,也就是真正产生下压力的来源。当迎角过大时,流动会从翼面上分离,即流动分离,此时翼型失速(Stall),这会大大减小升力以及增加阻力。

  前定风翼

  前定风翼是赛车所有部分中首先接触到来流的,所以对于后面的气动布局非常关键,包括产生三分之一的下压力,前后压力的配平以及引导气流。现代F1赛车的前翼大致包括以下布局。简而言之产生升力的部分包括Mainplane和后方的Wing Elements,上方的Cascade Wing。

  

  主升力面用于产生大量的下压力,并与车身中后部平衡。为了增加升力(以下不区分升力,负升力和下压力),普遍的办法包括增加翼面积,增加翼型弯度和增加最大升力系数(也可以理解为增加失速迎角)。当然其他的方式也包括使用环流控制,即增加绕翼环量。

  最普遍的方法为升力面的开槽。如上图,其中主升力面中有多处开槽,这是因为相对于单片结构的翼片而言,增加翼片单元的数量可以有效地推迟流动分离的发生以及显著的增大最大升力系数,此外,如果将上翼面的气流导入下翼面,可以产生一个类似吹气襟翼的效果,延缓分离。

  

  CascadeWing在前翼中的作用已经被大幅的开发了,除了产生附加的下压力以外,一个更重要的作用是利用Outwash诱导气流离开前轮,从而减小气动阻力,如上图。

  当今F1的设计中,翼片的开槽同样用于在端部产生一个翼尖涡,这一涡流发生在Y轴中心左右250mm处,称为Y250涡,这一涡流可以梳理侧箱进气口前气流,并将气流导入扩散器以及侧箱底切,有利于下压力的增大。

  

  此外还需要了解一个概念即诱导阻力……我们都知道有限展弦比下的机翼会产生一个下洗的过程,即高压区的流动翻卷至低压区,从而减小有效迎角,进而使得有效升力和垂直于来流方向产生夹角,诱导出阻力分量。

  这一现象在前定风翼中也会发生,因此我们使用Endplate即端板来遏制这一流动的干扰,从而使得翼尖的大漩涡转变成了翼尖部分一个小漩涡。在减小阻力的同时,展向的压力梯度所导致的三维流动也一定程度上被遏制,因此增加升力线斜率,这一处理的方式类似于增大翼片的展弦比。除此之外,端板承担的另一个任务是把气流推离轮胎,左图为09年F60,右图为08年F2008,随着定风翼宽度加宽,端板的导流形式也从Inwash变成了Outwash,有效避开轮胎的干扰。

  

  GurneyFlap是固定在翼片后缘的垂直片,这一部件由著名车手Dan Gurney发明,并应用于航空器(自豪脸)。Gurney应用库塔茹科夫斯基后缘条件,作用与增加翼型弯度类似,可以增大最大升力系数,同时在合理范围内增阻。Gurney Flap起作用的范围较小,一般与弦长有关,在5%弦长内都可以起作用,F1中一般不超过20mm。

  另一个重要的概念即涡发生器,即使用小展弦比的翼片产生翼尖涡,利用翼尖涡的动量掺混边界层,从而延缓分离,使得定风翼可以做成更大的弯度以及设定成更高的迎角。

  

  底部的Turning Vane可以被视作一个涡发生器,当然,另一作用是起到类似翼刀的功效,导流的同时控制三维流动,防止外翼失速。

  

  F1.08(帅炸了)

  前定风翼一般都会在规则允许下被尽可能低的安置,这涉及到地面效应,即翼尖涡被地面的存在所阻碍,使得诱导阻力减小,从而增大有效迎角,提高升力。但是这一效应对高度极敏感,一旦离地间隙瞬间扩大,下压力也会瞬间减小,由此引发过不少事故……例如

  

  当然,也存在中间高两边底的设计,如图F399,这种设计考虑到的是向尾部扩散器输送气流,提高扩散器工作效率。

  

  扩散器

  扩散器类似于半个Venturis管,但与文丘里管压缩流体不同,扩散器使用一个扩散段来减速气流。由于扩散器瞬间扩大了流管,且此时的流体依然为不可压流,因此更多的气流将从底盘或四周被吸入扩散器中,造成底盘的流速增大,压强降低。这一压强差被用于产生大量的下压力。

  

  扩散器造成的低压区分布在整个底盘处,其中在扩散器入口处压强最小,而当气流进入扩散器后流速减慢,压强随之增大,因此扩散器本身并不产生下压力,而是诱导产生下压力的工具。

  

  扩散器的角度,扩张曲线和离地间隙都经过严格的论证,以获得最大的升力系数和升阻比,同时防止流动在扩张通道中发生显著分离。为了减小底盘中存在的横向流动,扩散器中往往安装了导流片,此外为了提高扩散器工作效率,很多的扩散器出口都安装了Gurney或者襟翼,即利用造低压区来提高扩散器的抽吸效率。或者像R90一样把bi-plane尾翼的下层放到扩散器出口,尾翼下方低压区域可以大幅提高扩散器的效率。

  

  举两个例子,RB8的Coanda效应排气管和BGP001的双层扩散器

  Coanda效应排气管其实来自废驱扩散器的禁用,FIA为了避免对尾气加以使用将排气管设置成了斜向上的排气方式,但这并没有阻碍纽维大神的脑洞大开。

  

  RB8的初始设计如图,红色尾气依然通过Coanda效应的曲面被送到后轮和扩散器之间,起到密封扩散器防止后轮横向流动进入的作用,而蓝色气流则来自侧箱底切,这部分气流通过侧箱底部开口的通道被送到扩散器中央,从而形成向扩散器内部启动开口吹气的效果,大大增加流量。之后RB8推出了类似双底板的设计,主要修改了底切开口的形式和流向。

  

  类似的设计包括迈凯轮MP4-2的立交桥,但此时尾气完全依靠Coanda流动偏转到底板上,巧妙的避开了和侧箱气流的干扰。

  双层扩散器同样道理,是不断挑战规则的产物。DDD为BGP001拓展出了一条全新的气流通道,扩大了扩散器的容积。与众不同的是它在可乐瓶区域继续挖掘气流,并输送到底盘,这股气流和底盘气流混合后进入扩散器,起到增加质量流量的效果。

  

  后定风翼

  与前翼类似,尾翼同样涉及到翼片,端板,同时还有近五年出现的失速尾翼和DRS系统。

  尾翼的迎角大小可以极大地影响赛车的行驶特性。例如在摩纳哥尾翼的迎角极大,而在蒙扎尾翼几乎不存在迎角,几乎完全放平。这是由于高速赛道下的调教要求低阻,低下压力,摩纳哥反之。

  

  下图为F1-87/88,注意上两层尾翼。

  

  对于这类相近安置的尾翼+梁翼组合,还涉及到biplane效应,升力线模型告诉我们可以将直匀流中机翼简化为附着涡加自由涡。这两个模型相近放置时会产生相互作用,若竖直接近放置,两者都会对对方产生下洗,减小负升力,因此需要考虑安装位置的合理性。这一结构往往出现在下翼接近扩散器时,用于诱导扩散器的效率。

  

  尾翼端板有显著的上下两处百叶窗结构,上方百叶窗减小压力差诱导的涡流,从而减阻,下方格栅则和有效处理扩散器气流或排气管尾气有关。

  

  DRS是现在非常常用的直道提速装置。原理和上述蒙扎的尾翼调教类似。当尾翼角度变化使得阻力接近零升阻力时翼片所受阻力最小,下压力也最小,以此提升直道尾速。

  

  失速尾翼是通过直道上减阻减升力来达到增大尾速的效果的,即F-duct。F-duct得名于首创这一技术的迈凯轮车队将气流进口放在Vodafone标志的f 字母处。在这里区分几个概念,即有限展弦比机翼在低速自由来流中所产生的阻力包括寄生阻力和诱导阻力,诱导阻力在此时的赛车运动中占非常大的比例,由于诱导阻力产生自翼片的升力,因此如果我们试图使机翼部分失速,在不大大增加压差阻力的情况下减小诱导阻力。