流体力学理论与F1赛车的空气动力学（一）

2017-03-19 by:CAE仿真在线来源:互联网

第一

理论基础

1.概况与发展历程

流体力学,是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科。主要研究在各种力的作用下,流体本身的状态,以及流体和固体壁面、流体和流体间,流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。它主要研究流体本身的静止状态和运动状态,以及流体和固体界壁有相对运动时的相互作用和流动的规律。按照研究对象的运动方式可将其分为流体静力学和流体动力学,还可按流动物质的种类分为水力学,空气动力学等等。描述流体运动的基本方程是纳斯-斯托克斯方程,简称N-S方程。
笔者注:N-S方程基于牛顿第二定律,表示流体运动与作用于流体上力的相互关系,N-S方程是非线性微分方程,其中包含流体的运动速度、压强、密度、粘度、温度等变量,而这些都是空间位置和时间的函数。一般来说,对于一般的流体学问题,需要将N-S方程结合质量守恒,能量守恒、势力学方程以及介质的材料性质,一同求解。由于其复杂性,通常只有通过给定边界条件下,通过计算机才可求解。
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。
根据空气与物体的相对速度,可将空气动力学分为低速空气动力学(相对速度小于100m/s,即360km/h)和高速空气动力学,也有学说将界限划定为400km/h。前者属于不可压缩流动的空气动力学,后者属于可压缩流动的空气动力学。一般来说,空气流速小于0.3马赫时,气体是不可压缩流动的,大于这个数值则被理解为可压缩流动。F1所研究的空气动力学属于低速范畴。此外,还根据是否忽略气流的粘性,将空气动力学分为理想空气动力学和粘性空气动力学。
20世纪初,飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。航空事业的发展,需要揭示飞行器周围的压力分布、飞行器受力状况和阻力等问题,这就促进了流体力学在实验和分析方面的发展。20世纪初,以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论,阐明了机翼怎样受到举力,从而将很重的飞机托上天空,机翼理论的正确性,使人们重新认识到无粘理论,肯定了其指导工程设计的重大意义。
机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重大进展,它使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结合起来。随着汽轮机的发展和飞机的飞行速度提高到每秒50米以上,又迅速扩展了对空气密度变化的效应和理论研究,这高速飞行提供了理论指导。
从50年代起,数学的发展,电子计算机的不断完善,以及流体力学各种计算方法的发明,使得许多原本无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值的可能性,并以此形成了计算流体力学,此后,模型法、CFD技术、风洞测试等新兴手段的介入使得该学科取得了飞跃性的进步。

运用到F1领域的CFD技术。

法拉利位于总部马拉内罗的风洞

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。以上三大课题,决定着一辆F1赛车的整体气动性能。

2.基本概念

(1)流体
流体,顾名思义,就是可以流动的物体,是液体和气体的总称,是由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的,其基本特征是没有一定的形状和具有流动性。流体都有一定的压缩性,液体的可压缩性很小,而气体的可压缩性较大,在流体形状发生改变时,流体各层间也存在一定的运动阻力(即粘滞性)。当流体的粘滞性和可压缩性很小时,可近似看作是理想流体,它是人们为研究流体的运动状态而引入的一个理想模型。
流体与固体在某些方面有着非常明显的差别:Ⅰ在静止的状态下固体的作用面上能够同时承受剪切应力和法向应力,而流体则只有在运动的状态下才能够同时受到这两种力的作用(在静止状态下其作用面上仅能够承受法向应力,即为静压强)。Ⅱ固体在力的作用下发生变形,在弹性限度内形变和作用力之间服从胡克定律,即固体的形变量和作用力的大小成正比。而流体则是角变形速度与剪切应力有关,层流和紊流状态使它们之间的关系有所不同。在层流状态下,二者之间服从牛顿内摩擦定律。Ⅲ当外力停止作用时,固体可以恢复为原来的形状,而流体由于其形变所需的剪切应力非常小,所以很容易使自身的形状适应容器的形状,并可在一定的条件下维持下来。

(2)流体的粘滞性
前文中提到过,当流体的粘滞性与可压缩性很小时,可以称之为理想流体。然而,对于一般的流体来说,粘滞性是一种重要而且普遍的性质。
流体力学中这样给粘滞性定义:流体在受到外部剪切力作用时发生变形(流动),内部相应要产生对变形的抵抗,并以内摩擦的形式表现出来。所有流体在相对运动时都要产生内摩擦力,这是流体的一种固有的物理属性。
牛顿内摩擦定律或牛顿剪切定律对流体的粘性作了理论的描述,即流体层之间单位面积的内摩擦力或剪切应力与速度梯度或剪切速率成正比,可用公式表示为
τ=μ(dvx/dy)= μγ具有黏性的流体在发生形变时将产生阻力。一般情况下,半径为R的小球以速度v运动时,所受到的流体阻力可用公式f=6πηRv表示(η表示黏性系数)
从本质上讲,流体的粘滞性其实就是一种摩擦现象,日常生活中,我们走路,坐定和工作都离不开摩擦,摩擦是普遍存在的。我们特定地将流体的这种摩擦现象称为粘滞性。物理学上用粘滞系数η来表示流体粘滞性的大小(单位为泊)。例如,20摄氏度时,水的粘滞系数为1.0087厘泊,空气则要小得多。对于大多数液体,η随温度升高而下降,气体的η则随温度升高而上升。1957年12月1日,美国加州理工学院宣布:在液氦Ⅱ里,粘滞系数小得测量不到。它是没有粘滞系数的理想流体。
运动液体中的摩擦力是液体分子间的动量交换和内聚力作用的结果。液体温度升高时粘性减小,这是因为液体分子间的内聚力随温度的升高而减小,而动量交换对液体的粘滞作用不大。气体的粘性主要是由于分子间的动量交换引起的,温度升高则动量交换加剧,因此气体的粘性随温度的升高而增大。

(3)层流、湍流与雷诺数对流动状态的判定
当流体的流速很小时,流体分层流动,互不混合,称为层流,也称为稳流或片流,逐渐增加流速,流体的流线开始出现波浪状的摆动,摆动的频率及振幅随流速的增加而增加,此种流况称为过渡流;当流速增加到很大时,流线已不再清晰可辨,流场中形成许多小旋涡,层流被破坏,相邻层间不但有滑动,还有混合。这时的流体做不规则流动,并且有垂直于流管轴线方向的分速度产生,这种运动称为湍流,又称为紊流、乱流。
日常生活中,流速较慢,或黏性系数较大的流体的流动一般为层流,例如油,人体内静脉血液的流动,等等。而流速较大、黏性系数较小的流体流动通常是作湍流,如江河急流,空气流动、烟囱排烟等都是湍流。
由于湍流的流动具有杂乱性、无规律性和不确定性,因此如何准确地描述湍流至今仍是物理学界的一大难题。
我们通常用雷诺数来判定流体是在做层流还是湍流。
雷诺数是一种可以用来表示流体流动情况的无量纲数,用Re表示。Re=ρvd/η
其中,v, ρ, η分别表示流体的流速,密度与黏性系数,d为一种特征长度。例如流体流过圆形管道,则d表示管道直径,对于外流问题,v,d一般到远前方来流速度和物体主要尺寸(如机翼弦长或圆球直径),内流问题则取通道内平均流速和通道直径。雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘滞力之比,如果两个几何相似流场的雷诺数相等,则对应微团的惯性力与粘性力之比相等。
雷诺数较小时,黏滞力对流场的影响大于惯性力,流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减,此时流体的流动为层流,且流动稳定。当雷诺数较大时,惯性力的影响大于黏滞力,流体的流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强、形成紊乱、不规则的紊乱流场,即湍流。
由雷诺数的公式可知,当流体的流速较小,或黏性系数较大时,比如油液、润滑膜内的流动,其粘性影响遍及全流场,雷诺数较小,反之,当流体的流速很大时,比如一般飞行器的绕流,其雷诺数则要大得多,此时,粘性的影响仅在物面附近的边界层或尾迹中才是重要的。对于F1赛车而言,流过车身的气流的雷诺数相当可观,因此流过F1赛车的气流一定是湍流。

笔者注:

在很多涉及粘性影响的流体力学实验中,雷诺数是主要的相似准数。但很多模型实验的雷诺数远远小于实物的雷诺数,因此研究修正方法和发展高雷诺数实验设备是流体力学研究的重要课题。
一般来说,Re <2300为层流状态,Re> 4000为湍流状态,Re= 2300 -4000为过渡状态。在不同的流动状态下,流体的运动规律、流速分布等都是不同的。因而管道内流体的平均流速v与最大流速Vmax的比值也是不同的,因此流体流动的特性由雷诺数决定。

典型的雷诺数:
普通航空飞机: 5 000 000
小型无人机: 400 000
海鸥: 100 000
滑翔蝴蝶: 7 000
圆形光滑管道: 2 320
橡胶管道: 1 600-2 100
主动脉中的血流: 1 000
大脑中的血液流 : 100
精子: 0.0001

(4)、气动阻力
阻力,又称后曳力,空气阻力或流体阻力,是物体在流场中相对运动所产生与运动方向相反的力。阻力方向和其所在流场的速度方向相反。一般摩擦力不随速度的变化而变化,但阻力会随速度而变化。
对于一个在流体中移动的物体,阻力为周围流体对物体的施力在移动方向的反方向上分量的总和。而施力和移动方向垂直的分量一般则视为升力。因此阻力和物体移动方向相反。
阻力与摩擦力不同,因为摩擦力有时可以是动力。
车辆在行驶时,所要克服的阻力有机件损耗阻力、轮胎产生的滚动阻力(路阻)及空气阻力。随着车速的增加,空气了阻力也逐渐成为最主要的行车阻力,在时速200km/h以上时,空气阻力几乎占有所有行车阻力的85%。
空气阻力系数,又称风阻系数,是计算汽车空气阻力的一个重要参数。它是通过风洞实验和下滑实验所确定的一个重要参数,用它可以计算出汽车在行驶时的空气阻力。风阻系数的大小取决于汽车的外形。风阻系数越大,则空气阻力越大,现代汽车的风阻系数在0.3-0.5之间,赛车可以达到0.15,目前雨滴的风阻系数最小,为0.05左右。
“雨滴”外形对F1赛车的设计具有借鉴意义。由于雨滴形风阻系数最小,所以F1赛车的底盘也可以制作成类似的形状以减小阻力。例如,红牛RB7赛车就使用了水滴形状的底盘,这使得RB7拥有了同赛季所有赛车中最小的气动阻力,维特尔在斯帕、蒙扎的胜利与其是分不开的。再搭配上功效强劲的废驱扩散器,使RB7能够适应各种赛道,成为名副其实的“火星赛车”。

对于车辆行驶时的空气阻力,一般有三种形式:
一是气流撞击车辆正面所产生的阻力,就像拿一块木板顶风而行,所受到的阻力几乎都是气流撞击所产生的阻力。
二是摩擦阻力,空气划过车身一样会产生摩擦力,然而以一般车辆行驶的最快速度来说,摩擦阻力小到可以忽略。
三是外形阻力。一般来说,车辆调整行驶时,外形阻力是最主要的空气阻力来源。外形阻力来自车后方的真空区,真空区越大,阻力就越大。一般来说,三厢式的房车外形阻力会比掀背休旅车小。
风阻系数可通过风洞测得。当车辆在风洞中测试时,借由风速来模拟汽车行驶的车速,使车不至于被风吹得后退。在测得所需力后,扣除摩擦,剩下的就是风阻力。结合公式进行计算
Cd=正面风阻力 ×2/(空气密度× 车头正面投影面积×车速的平方)
一辆车的风阻系数是固定的,根据风阻系数即可算出车辆在各种速度下所受的阻力。

(5)、边界层理论

当流体在大雷诺数条件下运动时,可把流体的粘性和导热看成集中作用在流体表面的薄层即边界层内。根据边界层的这一特点,简化纳维-斯托克斯方程,并加以求解,即可得到阻力和传热规律。这一理论是德国物理学家L.普朗特于1904年提出的,它为粘性不可压缩流体动力学的发展创造了条件。

流体在大雷诺数下作绕流流动时,在离固体壁面较远处,粘性力比惯性力小得多,可以忽略;但在固体壁面附近的薄层中,粘性力的影响则不能忽略,沿壁面法线方向存在相当大的速度梯度,这一薄层叫做边界层。流体的雷诺数越大,边界层越薄。从边界层内的流动过渡到外部流动是渐变的, 所以边界层的厚度δ通常定义为从物面到约等于99%的外部流动速度处的垂直距离,它随着离物体前缘的距离增加而增大。根据雷诺数的大小,边界层内的流动有层流与湍流两种形态。一般上游为层流边界层,下游从某处以后转变为湍流,且边界层急剧增厚。层流和湍流之间有一过渡区。当所绕流的物体被加热(或冷却)或高速气流掠过物体时,在邻近物面的薄层区域有很大的温度梯度,这一薄层称为热边界层。

分析方法

大雷诺数的绕流流动可分为两个区,即很薄的一层边界层区和边界层以外的无粘性流动区。因此,处理粘性流体的方法是:略去粘性和热传导,把流场计算出来,然后用这样的初次近似求得的物体表面上的压力、速度和温度分布作为边界层外边界条件去解这一物体的边界层问题。算出边界层就可算出物面上的阻力和传热量。如此的迭代程序使问题求解大为简化,这就是经典的普朗特边界层理论的基本方法。

边界层脱离物面并在物面附近出现回流的现象。当边界层外流压力沿流动方向增加得足够快时,与流动方向相反的压差作用力和壁面粘性阻力使边界层内流体的动量减少,从而在物面某处开始产生分离,形成回流区或漩涡,导致很大的能量耗散。绕流过圆柱、圆球等钝头物体后的流动,角度大的锥形扩散管内的流动是这种分离的典型例子。分离区沿物面的压力分布与按无粘性流体计算的结果有很大出入,常由实验决定。边界层分离区域大的绕流物体,由于物面压力发生大的变化,物体前后压力明显不平衡,一般存在着比粘性摩擦阻力大得多的压差阻力(又称形阻)。当层流边界层在到达分离点前已转变为湍流时,由于湍流的强烈混合效应,分离点会后移。这样,虽然增大了摩擦阻力,但压差阻力大为降低,从而减少能量损失。

边界层理论指导着F1赛车的发展,对流体力学的研究作出了重要贡献。

(6)、伯努利方程

伯努利方程是理想流体定常流动的状态方程,意为流体在忽略粘性损失的流动中,流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。

理想正流体在有势体积力作用下作定常运动时,运动方程(即欧拉方程)沿流线积分而得到的表达运动流体机械能守恒的方程。因著名的瑞士科学家D.伯努利于1738年提出而得名。

对于重力场中的不可压缩均质流体,方程表示为:

P+ρgh+1/2ρv2=c

p、ρ 、v分别表示流体的压强、密度和速度,h为铅垂高度,g为重力加速度,c为常量。

上式各项分别表示单位体积流体的压力能p重力势能ρgh和动能1/2ρv2,在沿流线运动的过程中,总和保持不变,即总能量守恒。但各流线之间总能量(即上式中的常量值)可能不同。补充:

p1+1/2ρv12+ρgh1=p2+1/2ρv22+ρgh2

p+ρgh+1/2ρv2=常量

均为伯努利方程,其中1/2ρv2 与流速有关,称为动压强, p和 ρgh称为静压强。伯努利方程揭示流体在重力场中流动时的能量守恒。

如果研究的是气体,那么重力的影响就可以忽略不计,公式化简为P+1/2ρv2=常量(p0)

各项分别称为静压、动压和总压。显然,流动中速度增大,压强就减小,速度减小,压强就增大,速度降为零,压强就达到最大(理论上应等于总压)。F1翼片产生下压力,就在于下翼而速度高而压强小,上翼面速度低而压强大,因而合力向下。

据此方程,测量流体的总压、静压却可求得速度,成为皮托管的测速原理。在无旋流动中,也可利用无旋条件积分欧拉方程而得到相同的结果,但涵义不同,此时公式中的常量在全流场不变,表示各流线上流体有相同的总能量,方程适用于全流场任意两点间。在粘性流动中,粘性摩擦力消耗机械能而产生热,机械能不守恒,推广使用伯努利方程时,应该加入机械能损失项。

由伯努利方程可以看出,流速大处压力低,流速小处压力高,需要强调的是,伯努利方程的推导假设是固体静止不动,因此在应用伯努利方程时,需要变换参照系,结果是伯努利方程中的v不是物体的实际运动速度,而是物体与流体相对运动的速度,比如,飞机在逆风起飞时会获得比顺风更好的起飞效果,而F1赛车在制动点的选择上也受到类似的影响,逆风时可以产生更多的下压力(特别是前部),制动距离缩短,车手可以更晚地踩下刹车,而顺风时气动效应被削弱,制远距离延长,车手不得不更早地放开油门制动,这一点在马来西亚雪邦赛道的9号弯和15号弯最为明显,进两个弯之前赛车的行进方向刚好相反,通常一个弯之前的制动距离被缩短,就意味着另一个弯前的制动距离被延长。

(7)、文丘里效应

文丘里效应,又称文氏效应。这种现象以其发现者,意大利物理学家文丘里命名。这种效应可以制作出文丘里管。

当气体或液体在文丘理管里面流动,在管道的最窄处,动态压力(速度)达到最大值,静态压力(静息压力)达到最小值。气体(液体)的速度因为涌流横截面积变化的关系而上升。整个涌流都要在同一时间能经历缩小的过程,因而压力也在同一时间减小。进而产生压力差,这个压力差用于测量或者给流体提供外在吸引力。

对于理想流体(液体或气体,其不可压缩和不具有摩擦),其压力差通过伯努利方程获得。

文丘里效应的原理则是当风吹过阻挡物时,在阻挡物的背风面上方端口附近气压相对较低,从而产生吸附作用并导致空气的流动。文丘里管的原理其实很简单,它就是把气流由粗变细,以加快气体流速,使气体在文氏管出口的后侧形成一个“真空”区。当这个真空区靠近工件时会对工件产生一定的吸附作用。

压缩空气从文丘里管的入口进入 ,少部分通过截面很小的喷管排出。随之截面逐渐减小,压缩空气的压强减小,流速变大,这时就在吸附腔的进口内产生一个真空度,致使因周围空气被吸入文氏管内,随着压缩空气一起流进扩散腔内减小气体的流速,之后通过消音装置减小气流震荡。

文丘里效应对于F1赛车的扩散器具有借鉴意义。

(8)、康达效应

康达效应(Coanda Effect)亦称附壁作用或柯恩达效应。流体(水流或气流)有离开本来的运动方向,改为随着凸出的物体表面摩擦时,流体的流速会减慢。只要物体表面的曲率不是很大,依据流体力学中的伯努利原理,流速的减缓会导致流体被吸附在物体的表面上流动。这中作用是以罗马尼亚发明家亨利-康达命名。

Coanda效应指出,如果平顺地流动的流体经过具有弯度的凸表面的时候,有向凸表面吸附的趋向。打开自来水的时候,如果用筷子去触碰水柱(只要部分水柱即可,这样现象更明显),水会随着筷子向下淌,而不是按重力的方向从水龙头直接往下流。

康达效应被广泛地应用到了2012年规则框架下的F1赛车上,康达效应排气管使得废气由底盘吹出重新成为了可能,(具体的问题,我们会在之后的文章中专题分析)

(9)、地面效应

严格来讲,地面效应的概念只适用于在高速空气动力学。飞机的翼尖涡流是这一理念被引入的主要原因。当飞机机翼进入高速状态时,其下表面的高压气流往往会越界翻滚到机翼上表面扰乱低压气流,从而形成诱导阻力。降低机翼的升阻比,导致机翼效率大降。而当飞机近地飞行时,由于与地面之前的空间更为有限,机翼下部的气流层便会更加的平稳,从而扰乱翼尖涡流。在没有翼尖涡流的情况下,机翼的攻角能变得更为接近理论水平,因此便使飞机更有效率。这就是地面效应真正的作用。同时很多只在地效区域飞行的地效飞行器,也是利用这种原理来获得更优质的升力,来提升机翼的效率。

但是在F1领域中,地面效应被赋予了截然不同的概念。F1工程师通过特别设计的底盘(莲花78,79)或风扇(布拉汉姆车队创造的BT46B型风扇底盘赛车),人为地制造真空以获取强大的吸地效应。

离地间隙(赛车底部和赛道表面之间的距离)对提高底盘和扩散器之间的联系的效用有大的帮助,赛车的底板是最重要的空气动力附加装置。底盘和赛道之间的离地间隙越小,该区域气流运动的速度也就越大,根据伯努利方程,此区域的静压力也就减小,赛车所受的气动负升力也就越大,使得赛车被强烈地“吸附”在赛道上,产生所谓的“地面效应”。地面效应曾被F1车队用来提高车速,但为防止追求更高的转弯速度而引发事故,FIA规定赛车前轮后后缘到后轮前缘部必须平直,限制了地面效应的充分应用。由此FIA规则规定赛车底盘上必须要安装一志10mm厚的木板,若此木板低于9mm,该车会被取消参赛资格。

独立的底板是安装在每辆赛车底部的中间位置(从前到后)的硬木板,通过螺栓与承载式车身下侧相连接,通过赛的对木板的磨损程度的检查可判断车辆底盘是否过低。

最早运用地面效应于赛车运动中的时间是20世纪70年代,当时考林-查普曼在莲花赛车底部安装一个空气通道,通过前面的部分相对狭窄,但在向车尾延伸的同时不断扩大。由于赛车的底部离地间隙很小,所以通道和地面形成了一个封闭管道。当赛车飞驰时,空气从车头进入,在底盘和地面之间加速,产生非常低的压强,从而产生向下的压力。

时下赛车底部的设计多趋于部分或完全覆盖——从理论上分析,对于完全由光滑底板覆盖的车底而言,离地高度越低,进入赛车底部前段的气流速度越快,在车底形成的负压区就越可观。现在F1赛车的底盘的形式多采用阶梯型,已经不会产生太多的地面效应,扩散器就变得更加重要。

当今也存在F1设计师将车底设计成从前向后升高或设置纵向凹槽的形式,地面与车底部的凹槽构成拉伐尔管,亚声速气流在该管收缩段被加速,车身底部与车身上表面的压力差增加,即增加了下压力,拉伐尔管道的横截面形状、管道截面面积沿注射的变化等都影响车身底部的流态。

为了更好地提高F1赛车的下压力,空气动力学工程师运用拉伐尔管效应在赛车底部的两侧装上整流裙,整流裙刚好接触路面以密封底部气流,使得车身降至20mm,仍然取得了很好的气动效果。

滑动裙(sliding skirts)是安装在赛车两侧散热箱侧面底部的风翼,它阻止侧面气流通过赛车底部而使赛车底部形成真空,以此将赛车吸附在赛道上并增加赛车在变产中的侧身附着力,成功地运用了地面效应。

另一辆应用地面效应创造下压力的赛车就是戈登-穆雷开发的布拉汉姆BT46B赛车。然而与前者不同的是,由于BT46使用的阿尔法罗米欧引擎宽度大,并没有足够的空间赛车采用莲花79那样的扩散器设计。穆雷决定,他要通过另外一套工作原理建立起赛车底部的真空效果——在赛车尾部增设一个巨大的风扇装置。在赛车尾部安装了一个由引擎自主驱动的风扇装置。引擎转速越快,这个装置吸引赛车底部传来的空气就越多,由此建立起上述效果。像查普曼的莲花赛车一样,BT46B也安装了侧裙用以维持车下的低压区,但并未对赛车外形造成改变。然而同年内,围场中的众多车队都谴责这一争议涉及,称其违反了“不可移动空气动力装置”调理。因此布拉汉姆车队的所有者伯尼-埃克莱斯顿决定从赛车系列中拿掉BT46B,避免引起其他车队的争议。国际汽联随后将这款赛车的风扇装置视作“可移动空气动力装置”,对它施行了永久性禁令。

(10)、失速现象

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。

简单来说,飞机失速意味着机翼上产生的升力突然减少,从而导致飞机的飞行高度快速降低。注意失速并不意味著引擎停止了工作或是飞机失去了前进的速度。

0°迎角绕流 5°迎角绕流

15°迎角绕流 20°迎角绕流

通过以上四幅图,我们可以看到,当翼片的气动迎角超过某个值时,附着在翼片上的气流就会和翼片本身分离,在区域内形成分离涡,这样一来,下压力或升力也就要相对减小。

在F1领域,失速现象被广泛地运用到减阻设计中,但是与航空领域不同的是,F1的翼片不能随意地更改气动攻角,因此,在F1领域创造失速现象的理论出发点就确立了:通过某种手段,阻碍翼片上下气流的会合。即将翼片下方的气流破坏,而最常见的手段就是吹气:通过一股突然介入的气流破坏翼片下方原有的环境,进而影响翼下气流的运动路径,创造失速。

迈凯伦在其2010年的MP4-25赛车上使用一种以失速现象为基础原理的尾翼,这款尾翼在该赛季取得了巨大的成功,并立即被法拉利、红牛、奔驰、雷诺等队效仿,成为了2010赛季的“争冠必备武器”。

上图展示了失速尾翼的工作原理,迈凯伦的工程师们将气流送到了尾翼的下部,这股额外的“不速之客”在尾翼的后方制造了涡流,这样一来便破坏了尾翼下表面的气流,使之无法与上表面的气流汇合。失速现象便由此制造出来。这样一来尾翼所制造的下压力就可以忽略不计,赛车在直道上的阻力就被大幅度降低,这种情况下引擎就可以为为赛车提供更大限度的动力输出,赛车就可以获得显著的尾速优势,赛季初期,迈凯伦的两辆赛车在尾速方面连续几站包揽前二,更恐怖的是,MP4-25的极速比排在第二名的车队快了6-10公里,这也是为何各队纷纷效仿迈凯伦的原因了。

在此之后,运用失速现象的奔驰,红牛DDRS又使这项技术在F1领域中进入了更加成熟的新阶段。

第二

空气动力学在F1领域中的实际应用以及F1赛车的气动特性浅析

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。

轮胎侧滑角与车轮载荷的关系。

侧向加速度与负升力的关系。

下面的文章将利用前面介绍的理论探讨F1赛车的气动问题。

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,(这一点是前翼的不断发展与深化造成的,因此笔者的分类标准并不绝对唯一,仅供参考)。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(但是显然大家都没有见过这种前翼,因为即使是2009年使用的那种原始的前翼也都安装了垂直的端板,但是端板仅仅是一种提高主翼和襟翼工作性能的辅助性装置,因此以气动特性上来说,应将其划分为附加装置,之后的附加级联翼片,导流片亦是如此)。

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。下图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,CLtot代表总的气动负升力。

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。

下面是前翼产生的气动阻力随气动攻角的数据图。

CDtot表示总的气动阻力,CDw表示前翼的气动阻力

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。

F138的前翼开槽。

前翼翼片的工作状态与航空器有着很大的区别,一个重要的原因是受到了地面效应的影响。一般来说,翼片的离地高度h越小,翼片越靠近地面,地面效应的干预就越强烈,前翼就能制造出更多的气动负升力,这种现象会一直持续,直到离地高度h小到前翼下表面的气流难以顺利流动。下面这张图好地表示了这种现象。

Cl表示负升力系数,Cd表示风阻系数。横轴表示离地高度。

因此,变形前翼所带来的气动优势不言而喻。

航空领域中翼尖涡流是航空器面临的一个大麻烦,它不仅形成了巨大的额外阻力,还使得飞行器的升阻比大大下降。对于前翼的翼片来说,上表面的压强大,下表面的压强小,这使得部分上翼面的气流翻到下翼面,同样破坏了气动负升力。因此,F1赛车需要安装端版,将上、下翼面的气流限制在各自的区域内,提升前翼的气动效益。

主翼,襟翼和端版构成了一套最原始也是最简单的前翼。然而随着空气动力学的快速发展,F1的工程师们显然不满足于这种初始前翼所提供的气动负升力,于是开始有设计师给前翼安装附加翼片,以此获得更多的气动负升力。在2005-2008年之间,这些附加翼的设计也越发大胆,从R25的小翼面设计到法拉利与鼻锥相连的附加翼,再到迈凯轮横跨鼻锥的“桥状附加翼”,F1的设计师对于附加翼的开发似乎永远都没有满足。

雷诺R25的小翼面附加翼。

F2008的大翼面附加翼。

MP4-22的桥状附加翼。

2009年的技术改革让F1赛车的前翼呈现出我们今天看到的模式,由于附加翼的安装位置受到了限制(只能安装在端版上),因此F1的设计师开始细化附加翼的设计,从原始的单一功能向着多功能的方向演变,现在的附加翼多采用级联翼片,不仅可以制造额外的气动负升力,还可以诱导气流避开前轮。

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。