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F1空氣動力學小知識丨AutoAero201901期

2019-01-31 22:44:47·  來源：弓宏宇 AutoAero  
　
F1作為最頂尖的賽車運動，對空氣動力學的應用達到了爐火純青的地步。在比賽當中賽車空氣動力學性能的好壞將直接影響比賽的成績。本文將通過通俗易懂的方式介紹F1
F1作為最頂尖的賽車運動，對空氣動力學的應用達到了爐火純青的地步。在比賽當中賽車空氣動力學性能的好壞將直接影響比賽的成績。本文將通過通俗易懂的方式介紹F1空氣動力學中的一些有趣的小知識。
 
1. 渦流
首先以尾翼為例來介紹渦流的作用。尾翼作為F1賽車上產(chǎn)生下壓力的主要部件之一，當尾翼攻角在一定范圍內增大的時候，下壓力也會隨之增大。但攻角在增大到一定值時，會產(chǎn)生氣流分離。當發(fā)生氣流分離時，相比于不發(fā)生分離的狀態(tài)，氣流向上的動量減小，所以產(chǎn)生的下壓力會急劇減少，同時產(chǎn)生的阻力也會明顯增加。這種現(xiàn)象稱為失速。
  解決這一問題的主要措施就是渦流。渦流可以形象地理解為螺旋狀的氣流。通過渦流，可以實現(xiàn)邊界層氣流與主流的動量摻混，避免邊界層的分離。
這不只對尾翼有作用，對于整個車身的氣流也同樣重要。把賽車看成一個整體，我們期望高速高能的氣體能夠流向一些特定的地方，比如，進氣口以及尺寸較大、負責產(chǎn)生下壓力的尾翼。但在氣流抵達這些地方之前，必須得繞過賽車車體。我們不希望氣流在流過車身時產(chǎn)生分離，使得混亂的氣流流向進氣口或者尾翼，這會使得尾翼以及發(fā)動機的效率下降。我們可以使用渦流發(fā)生器來使空氣貼合車體，提高空氣動力學效率，同時降低由于分離產(chǎn)生的壓差阻力。圖中所示的小翼片即為車身上的渦流發(fā)生器。
前翼的主要作用之一就是產(chǎn)生渦流。以單獨的一個翼片為例。
翼片的上方為高壓氣體，下方為低壓氣體，在翼的尖端，上方的氣體會繞到下方形成螺旋狀的渦流。前翼產(chǎn)生的渦流不僅會減少氣流分離，而且會避免輪胎產(chǎn)生的亂流對后部氣流的控制產(chǎn)生影響。
  
2. 尾翼端板
尾翼上如果沒有端板的話，就會形成前面提到的渦流。   雖然渦流對氣流的控制是有利的，但會產(chǎn)生一個副作用 ——阻力。在產(chǎn)生渦流之前，空氣是直接向后運動的，在生成一個渦流時，將部分向后運動的能量轉化成了側向旋轉的能量，使空氣損失了向后的速度。相對的，氣流對賽車產(chǎn)生了阻力。
為了減少渦流的產(chǎn)生，在尾翼兩端安裝了巨大的端板。但安裝端板后，圖中紅色區(qū)域的壓力依然遠高于藍色區(qū)域的壓力。所以在翼端，高壓氣體仍舊會快速翻過上表面繞到下方，形成翼端渦流。
  為了避免這種情況，會在端板上開一些狹縫，使得端板內側的氣體能夠與外側氣體輕微混合，以減少壓差。
  實際上，端板外側的氣流的壓力（圖中黃色區(qū)域）高于端板內側翼面下方空氣的壓力（圖中藍色區(qū)域），這就形成了一個渦流，它的旋轉方向與翼端渦相反，可以相互抵消，削弱渦流的阻力效應。為了便于這個渦的形成，會在端板的后部設置一個缺口。
3. 擴散器
  擴散器是一個大鏟子形狀的部件，位于車底板的尾端。擴散器有助于使賽車底板與尾翼下部的形狀相似。擴散器使得賽車尾部形成較大的空洞，對底部氣流產(chǎn)生抽吸作用，使底部氣流加速，從而大幅度減小賽車底部的壓力，增加了整車的下壓力。這種作用被稱為“地面效應”。
  其實，整臺賽車經(jīng)常是從后向前抬高傾斜的，從而增加所謂的賽車地面傾角。這是為了整個擴散的過程能夠盡量的均勻和平緩。擴散器上豎直的翼片是為了引導氣流平緩地離開賽車尾部，從而提高擴散器的效率并減少亂流。
 4. 整流板
整流板的形狀非常復雜，它可以調整并控制氣流的路徑。前翼產(chǎn)生的渦流就像一面不可穿透的高能墻壁，它的一部分作用是控制輪胎產(chǎn)生的亂流。整流板有助于引導渦流服從車體的走向，使干凈的氣流能夠順暢地抵達諸如進氣口之類的地方。
  同時，整流板周圍復雜的翼片，可以產(chǎn)生側裙渦流，從而有利于密封車身下部高速低壓的氣體，增加地面效應的效率。
5. “S”通道
  在有些賽車上，“S”通道的入口就像車鼻上的鼻孔，出口位于車鼻的上部，形狀類似于信箱的開口。
 “S”通道引導空氣從車鼻的下方流到車鼻的上表面，這可以解決兩個問題：
1.可以緩解車鼻前部氣流的堆積，從而減小阻力。
  2.可以避免車鼻處邊界層的分離。通過將氣流引向車鼻的上表面，增加了車鼻上邊界層的能量，減少了氣流在此處的分離。
        
素材取自Chain Bear F1視頻資料 
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