流体力学在F1赛车中的应用剖析

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。

早期F1车队在上层尾翼和下横梁之间安装支架，以此来提升尾翼的强度，但是事实证明支架的存在不利于尾翼发挥出更好的功效，因此在09年的技术改革之后，以纽维为首的设计师摘除了这部分支架，为车尾区域创造了更加清洁的气流环境。在之前的一段时间里，下横梁都是穿插安装在端板和车尾的防撞结构之间的，随着F1的设计师对负升力的渴求日益强烈，下横梁最终得以跨过防撞结构，成为一块完整的翼面。

失速尾翼可以概括为“根据不同的需要将气流引导到不同的区域”。用于引发失速的气流从座舱前方的入口导入，进入车体内部的管道，管道在座舱位置有一个出口，另一个出口则延伸至尾翼。一般情况下，气流会从座舱处的出口导出，不会给尾翼带来任何影响；而当赛车驶上直路时，车手会利用左膝盖将这一出口封闭，这时气流会被源源不断地送至尾翼，并在尾翼副翼的下方引发失速，以此达到提升赛车直线速度的目的。

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。

所谓“扩散器”顾名思义，就是要造成气体的扩散，介绍扩散器的工作原理之前，我们有必要了解一下扩散器的结构及其与底盘的联系。扩散器其实就是底盘末端的一段上翘结构，或者说是底盘末端的一个斜坡，但无论怎样理解，扩散器都是与赛车的底盘相连，亦或理解为底盘的一部分。

由于底盘与地面的高度十分有限，因此底盘下方的气流处于一种“压缩状态”中，流速会比赛车的速度有所加快，当这股气流流出底盘，进入扩散器时，气流会由于康达效应顺着上底盘/扩散器的斜坡形状流动，这时问题就出现了：由于扩散器的体积比车底大得多，因此需要更多气体才能填补扩散器这一巨大“空缺”，因此车底被压缩的气流就会加速向着扩散器的方向流动，这样一来，就好比有一双大手将气流源源不断地从车底抽出，车底的气流也获得了更为强大的流速，根据伯努利方程，流速高的地方压强低，车底由于气流的高速运动而产生了低压区，结合外界的一个大气压，便获得了巨大的负升力。

扩散器的工作原理也可以用文丘里效应解释，换言之，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。

扩散器最大的缺点注是对底盘与路面之间的距离要求非常严格，距离变化会对负升力产生巨大的影响，这也就是为会么民用车没有使用这种装置，高度越低越好，但一旦底盘接触地面将前后气流切断，扩散器立刻失效。

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，但是由于其展弦比小，因此翼尖涡的强度相对较强。这种高能量的翼尖涡与其下游的低能量边界层流动混合后，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。

将各部分组合在一起，形成气流的完整传输过程。在气流的传输过程中，分为几个阶段。对于刚刚接触前翼的气流，分为两个部分：两侧的气流负责在前翼上产生负升力，而中央部分的气流则从鼻锥下方流入车底，这被理解为气流的第一次拆分；紧接着，流入底盘下方的气流在经过鼻锥下方导流片的加工之后到达位于单体壳下方的铲头总成，在这里，气流将被进行第二次拆分，一部分流入车底这股气流最终将被扩散器从车底抽出，另一部分则被铲头总成一分为二，经由侧箱底部向后流动，到达“可乐瓶”区域，最终到达车尾。

应用流体力学方法优化赛车外形，设计以提高其空气动力学特性，可以提高赛车性能，还可进一步进行赛车的操纵稳定性，空气噪声，排、进气道等多方面的深入研究，可见流体力学在F1赛车的设计中占有具足轻重的地位。

学习心得

工程流体力学的学习总共分为九章，大致分为两个部分：第一章到第五章为一个部分，主要内容是伯努利方程以及N—S方程，属于理论学习部分：第六章到第九章是一个部分，主要内容是工程流体力学的实际应用，属于应用部分。

流体力学是热能专业的一门非常重要的专业基础课，对以后的专业课学习有着十分重要的作用。作为一门理论性很强的学科，没有相关的理论，流体力学无从谈起，但是流体力学又有相当强的应用性，直接应用在工业生产的各个方面。因此在学习的过程中有所侧重，着重学习了与热能相关的部分，如典型流体流动、流体测量、流动显示以及流体力学数值模拟等相关内容。

在学习的过程中，我逐渐领略到流体力学的美秒。无论是上课时放的流体力学相关视频，还是ppt上展示的许许多多图片，比如绕流、射流与撞击流的瞬时图形显示，都给我留下深刻的印象。从中我感受到流体力学不仅仅是理论研究与公式的推导演算，还能表现出大自然的美感，这让我了解到流体力学并不是如高数一般枯燥乏味的学科，其中充满无穷的乐趣。

正如老师所说的那样，对于流体力学的学习不仅限于课堂上或者教材中讲的内容，在课外、教材之外还有很多关于流体力学的知识是值得我去学习的。老师在课堂上也会放一些拓展学习内容供我们阅读学习，并且会将很多资料传到公共邮箱里，比如流体中生物推进方法，踩踏现象和逃生方法的流体力学分析等，都是一些十分新奇且用处巨大的内容。这也使我有了更多的途径去了解、学习更多的流体力学知识，从而开阔了眼界，从不同的角度和方面理解流体力学这门学科。

现在到了这门课快结束的时候了，尽管学的还不够好，尽管学的还不够全面、深入，但我已深深感受到流体力学的魅力，并为之所吸引。我想，在结束了本学期的学习后，我会依然在流体力学的道路上继续学习，不仅从书本上，还要从生活中去探索、发现。不为考试，但为求知。