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F1空气动力学小知识丨AutoAero201901期

2019-01-31 22:44:47·  来源:弓宏宇 AutoAero  
 
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F1作为最顶尖的赛车运动,对空气动力学的应用达到了炉火纯青的地步。在比赛当中赛车空气动力学性能的好坏将直接影响比赛的成绩。本文将通过通俗易懂的方式介绍F1
F1作为最顶尖的赛车运动,对空气动力学的应用达到了炉火纯青的地步。在比赛当中赛车空气动力学性能的好坏将直接影响比赛的成绩。本文将通过通俗易懂的方式介绍F1空气动力学中的一些有趣的小知识。
 
1. 涡流
首先以尾翼为例来介绍涡流的作用。尾翼作为F1赛车上产生下压力的主要部件之一,当尾翼攻角在一定范围内增大的时候,下压力也会随之增大。但攻角在增大到一定值时,会产生气流分离。当发生气流分离时,相比于不发生分离的状态,气流向上的动量减小,所以产生的下压力会急剧减少,同时产生的阻力也会明显增加。这种现象称为失速。
  解决这一问题的主要措施就是涡流。涡流可以形象地理解为螺旋状的气流。通过涡流,可以实现边界层气流与主流的动量掺混,避免边界层的分离。
这不只对尾翼有作用,对于整个车身的气流也同样重要。把赛车看成一个整体,我们期望高速高能的气体能够流向一些特定的地方,比如,进气口以及尺寸较大、负责产生下压力的尾翼。但在气流抵达这些地方之前,必须得绕过赛车车体。我们不希望气流在流过车身时产生分离,使得混乱的气流流向进气口或者尾翼,这会使得尾翼以及发动机的效率下降。我们可以使用涡流发生器来使空气贴合车体,提高空气动力学效率,同时降低由于分离产生的压差阻力。图中所示的小翼片即为车身上的涡流发生器。
前翼的主要作用之一就是产生涡流。以单独的一个翼片为例。
翼片的上方为高压气体,下方为低压气体,在翼的尖端,上方的气体会绕到下方形成螺旋状的涡流。前翼产生的涡流不仅会减少气流分离,而且会避免轮胎产生的乱流对后部气流的控制产生影响。
  
2. 尾翼端板
尾翼上如果没有端板的话,就会形成前面提到的涡流。   虽然涡流对气流的控制是有利的,但会产生一个副作用 ——阻力。在产生涡流之前,空气是直接向后运动的,在生成一个涡流时,将部分向后运动的能量转化成了侧向旋转的能量,使空气损失了向后的速度。相对的,气流对赛车产生了阻力。
为了减少涡流的产生,在尾翼两端安装了巨大的端板。但安装端板后,图中红色区域的压力依然远高于蓝色区域的压力。所以在翼端,高压气体仍旧会快速翻过上表面绕到下方,形成翼端涡流。
  为了避免这种情况,会在端板上开一些狭缝,使得端板内侧的气体能够与外侧气体轻微混合,以减少压差。
  实际上,端板外侧的气流的压力(图中黄色区域)高于端板内侧翼面下方空气的压力(图中蓝色区域),这就形成了一个涡流,它的旋转方向与翼端涡相反,可以相互抵消,削弱涡流的阻力效应。为了便于这个涡的形成,会在端板的后部设置一个缺口。
3. 扩散器
  扩散器是一个大铲子形状的部件,位于车底板的尾端。扩散器有助于使赛车底板与尾翼下部的形状相似。扩散器使得赛车尾部形成较大的空洞,对底部气流产生抽吸作用,使底部气流加速,从而大幅度减小赛车底部的压力,增加了整车的下压力。这种作用被称为“地面效应”。
  其实,整台赛车经常是从后向前抬高倾斜的,从而增加所谓的赛车地面倾角。这是为了整个扩散的过程能够尽量的均匀和平缓。扩散器上竖直的翼片是为了引导气流平缓地离开赛车尾部,从而提高扩散器的效率并减少乱流。
 4. 整流板
整流板的形状非常复杂,它可以调整并控制气流的路径。前翼产生的涡流就像一面不可穿透的高能墙壁,它的一部分作用是控制轮胎产生的乱流。整流板有助于引导涡流服从车体的走向,使干净的气流能够顺畅地抵达诸如进气口之类的地方。
  同时,整流板周围复杂的翼片,可以产生侧裙涡流,从而有利于密封车身下部高速低压的气体,增加地面效应的效率。
5. “S”通道
  在有些赛车上,“S”通道的入口就像车鼻上的鼻孔,出口位于车鼻的上部,形状类似于信箱的开口。
 “S”通道引导空气从车鼻的下方流到车鼻的上表面,这可以解决两个问题:
1.可以缓解车鼻前部气流的堆积,从而减小阻力。
  2.可以避免车鼻处边界层的分离。通过将气流引向车鼻的上表面,增加了车鼻上边界层的能量,减少了气流在此处的分离。
        
素材取自Chain Bear F1视频资料