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赛车背后的空气动力学

2018-08-25 13:02:32·  来源:工程事 CAE集中营  
 
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方程式赛事的核心在于让赛车既能有足够的直道速度,也能保证足够的弯道速度。而相对应,空气动力学核心在于既能减小阻力,又能保证足够的下压力,提高赛车的综合表现。为了达到这一目的,各车队技师及研究人员运用了多种空气动力学、流体力学相关理论。下面我们先来探究方程式赛车现有的空力套件背后的空气动力学理论。1汽
方程式赛事的核心在于让赛车既能有足够的直道速度,也能保证足够的弯道速度。而相对应,空气动力学核心在于既能减小阻力,又能保证足够的下压力,提高赛车的综合表现。为了达到这一目的,各车队技师及研究人员运用了多种空气动力学、流体力学相关理论。下面我们先来探究方程式赛车现有的空力套件背后的空气动力学理论。

1汽车所受阻力
对于汽车来讲,空气阻力分为摩擦阻力和压差阻力。因为自身的粘性,空气对汽车表面会有摩擦作用,即有摩擦力。这里的摩擦力,与物理课上所说的摩擦力是同一种力,最终作用的效果都是对物体的相对运动形成阻碍。



而压差阻力则是因为汽车在行驶过程中不断穿破周围的气流,改变了空气微团的相对位置,一些部分微团多,气压相对较高,另一些部分微团少,气压相对低。高气压区对低气压区有压强差,形成了压力,而这种压力就是压差阻力。实验结果表明,在汽车以80Km/h以上的速度行驶时,压差阻力占95%以上。

在方程式赛车中,如果能将引起压差阻力的气流合理的整合与引导,便可以增加赛车弯道中所要求的下压力,使赛车在弯道中的速度更高。

2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里管里面流动,在管道的最窄处,气体被加速,动压达到最大值。由伯努利方程可以知道此时流体内部压力(静压)达到最小值,于是文丘里管的“脊”内外两侧产生压力差,压力方向为从文丘里管外侧指向内侧。



文丘里效应对于方程式赛车的扩散器具有重要参考意义。在方程式赛车中,赛车的底部并不同于普通的家用车做成镂空的形状,而是安装一个文丘里管形状的扩散器。文丘里的“脊”设计在某一位置,这一位置使得扩散器,包括内部引导的气流,与整车配合,使得提供的下压力达到最大。实际赛事中的遥测数据表明,扩散器可以提供整车下压力的45%以上。




扩散器的实际形状与压力分布,颜色越接近红色代表力越大,越接近蓝色越小