F1是由國際汽車聯(lián)合會(FIA)組織的最高水平的年度賽車比賽?？諝鈩恿W是F1賽車設計中的一個重要因素，它將直接影響賽車的性能，是比賽成功的關鍵。由于F1賽車的特殊結構，其空氣動力特性與一般乘用車有很大的不同。F1賽車的速度非常高，它的空氣動力學造型必須設計良好，以產生足夠的負升力，以確保其運行穩(wěn)定性。F1賽車通常是在高速模式下,起伏的俯仰角經常變化,因為道路或其他原因,導致空氣動力特性的變化將直接影響駕駛能力和穩(wěn)定性,甚至危及汽車和司機的安全?？諝鈩恿μ匦允悄壳捌囇芯康臒衢T領域，許多研究成果已應用于乘用車，它是發(fā)達國家汽車技術的核心技術之一。國內對F1賽車氣動特性的研究主要集中在保持賽車姿態(tài)不變的情況下，對不同俯仰角下的氣動特性和尾跡變化的研究較少。然而，俯仰角由于路面的起伏而不斷變化，氣動特性的變化將直接影響操縱穩(wěn)定性。透徹理解不同俯仰角下的流動特性變得極其重要。本文研究了F1賽車模型在不同俯仰角度下的氣動特性。從氣動特性分析到流場分析，全面分析了氣動性能的變化，為更好地設計賽車提供經驗。

1  數(shù)值模擬

1.1  模型概述及俯仰角仿真方法

圖1為F1賽車的數(shù)字仿真模型。

如圖2所示,在計算域中，前后軸中心平面與計算域底部的交線為旋轉軸,圖中的Y軸。使車身(包括車輪和懸架)繞Y軸旋轉順時針)的β角定義為車身俯仰角。在俯仰角度的選擇上，本文選取了0°、0.5°、1°、1.5°和2°。圖3分別為不同俯仰角度下的車身姿態(tài)。



圖1 F1賽車的數(shù)字仿真模型



圖2 車身旋轉示意圖


圖3 不同俯仰角度下車身姿態(tài)

1.2  數(shù)值模擬

數(shù)值模擬的計算區(qū)域為長方體，如圖4所示。計算域的長度是車輛的8倍，寬度是車輛的11倍，高度是車輛的9倍。在圖4中，a、b、c、d、e、f區(qū)域的邊界逐漸向模型靠近，網格的大小也逐漸變小，網格的總數(shù)是四千萬。模擬持續(xù)時間為100000個時間步長(1.283秒)。車體坐標系規(guī)定氣動參考點(車體縱向對稱面與地面交點為直線L，前后軸車體對稱面與直線L交點)為原點。


圖4 計算域示意圖

利用CFD商業(yè)軟件PowerFlow進行了計算，本文不使用EXA公司的PowerFLOW軟件的最佳實踐，因為它的特殊計算模型。邊界條件設置如表1所示。

表1 邊界條件


2  結果分析

2.1  力系數(shù)分布

圖5和圖6是不同俯仰角下阻力系數(shù)(CD)和升力系數(shù)(CL)的分布。從圖中可以看出，隨著俯仰角的增大，阻力系數(shù)減小，空氣升力增加。如圖7所示，汽車分為五個部分:前翼、后翼、車輪、車身和底板。表2為不同俯仰角下各部分的阻力系數(shù)。從表中可以看出，阻力貢獻由大到小依次是車輪、車身、后翼、前翼和底板。圖8為各部件在不同俯仰角度下的阻力系數(shù)變化曲線。從圖中可以看出，隨著俯仰角的增大，前后翼的阻力減小，車身和車輪的阻力增大。主要原因是當俯仰角改變時，前后翼迎角發(fā)生變化，導致阻力系數(shù)降低。表3為不同俯仰角度下汽車各部分升力系數(shù)。圖9是不同俯仰角度下汽車各部分升力系數(shù)的貢獻直方圖。圖10為不同俯仰角下升力系數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出，負升力貢獻主要來自底板、后翼和前翼，車輪和車身主要是提供升力。


圖5 不同俯仰角度下阻力系數(shù)的變化曲線


圖6 不同俯仰角度下升力系數(shù)的變化曲線

表2 不同俯仰角度下的阻力系數(shù)



圖7 車身各部位示意圖


圖8 不同俯仰角度下車身各部件阻力系數(shù)變化曲線


圖9 不同俯仰角度下賽車及其零部件的升力曲線


圖10 各部件升力系數(shù)隨俯仰角的變化曲線

圖11和圖12為前后軸升力系數(shù)隨俯仰角變化的曲線。從圖中可以看出，前后軸升力系數(shù)隨著俯仰角的變化而增大。


圖11 不同俯仰角度下前軸升力系數(shù)


圖12 不同俯仰角度下后軸升力系數(shù)

2.2  壓力分布

圖13是不同俯仰角度下汽車和尾翼的壓力分布圖。氣流在前翼、頭部和尾翼上形成了一個高壓區(qū)。左右兩側壓力呈對稱分布;隨著俯仰角的增大，尾翼的壓力逐漸減小，從而可以減弱負升力，導致尾翼升力系數(shù)隨著俯仰角的增大而增大。

圖14為不同俯仰角度下汽車下表面的壓力分布圖。從圖中還可以看出，汽車前翼、后翼和車身下表面的壓力增大，升力也逐漸增大，底板壓力明顯增大，這與底板升力系數(shù)貢獻顯著增大的結果是一致的。上表面壓力減小;下表面壓力增加。因此，上、下表面的壓差減小;隨著俯仰角的增大，升力系數(shù)增大。


圖13 不同俯仰角度下汽車和尾翼的壓力分布圖


圖14 不同俯仰角度下汽車下表面的壓力分布圖

2.3  流場分布

圖15為不同俯仰角度下中心對稱面的速度剖面。從圖中可以看出，在車的底部，前翼附近的氣流速度隨著俯仰角的增大而增大。


圖15 不同俯仰角度下中心對稱面的速度剖面

前部離地間隙增大，后部離地間隙減小，流向底部的氣流增加，而出流率減小，從而解釋了地板升力系數(shù)的貢獻隨俯仰角的增大而急劇增大的現(xiàn)象，這也與圖14中體底壓力增大的趨勢一致。同樣，整車的升力也會增加。

結  論

1.隨著俯仰角的增大，阻力系數(shù)逐漸減小。阻力系數(shù)的減小主要發(fā)生在前翼和后翼，主要原因是前翼和后翼的攻角發(fā)生了變化。

2. 負升力主要由前翼、后翼和底板提供。隨著俯仰角的增大，上述三個分量的負升力逐漸減小，這是由于地面效應的減小。值得注意的是，當俯仰角達到2度時，底板的升力系數(shù)是非常明顯的，主要原因是隨著俯仰角的增大，擴壓器與地面的距離越小，流動被阻塞，導致擴壓器效應逐漸減弱，底壓顯著增大，升力系數(shù)增大。隨著俯仰角的增加，車輪和車身總是促進升力的增加。

文獻來源：
Zhang, Y., Yang, C., Wang, Q., Zhan, D. et al., “Aerodynamics of Open Wheel Racing Car in Pitching Position,” SAE Technical Paper 2018-01-0729, 2018, doi:10.4271/2018-01-0729.