空氣動(dòng)力學(xué)在f1賽車(chē)的應(yīng)用

1、空氣動(dòng)力學(xué)在f1賽車(chē)的應(yīng)用10級(jí)生物工程一班：馬德慧學(xué)號(hào)：201050851雖然一級(jí)方程式賽車(chē)是一種高速汽車(chē)，但在機(jī)械概念上卻較接近噴射機(jī)， 而非家庭房車(chē)。它們巨人的雙翼不但具用商業(yè)廣告牌的作用，同時(shí)還可以產(chǎn)生 至關(guān)重要的下壓力。這種空氣動(dòng)力會(huì)使流經(jīng)汽車(chē)上方的氣流將車(chē)身向下 壓，使車(chē)子緊貼在車(chē)道上。相反地，飛機(jī)則是利用巨大的雙翼產(chǎn)生上升 力將車(chē)身壓在車(chē)道上可使輪胎獲得更人的抓地力，進(jìn)而在彎道時(shí)產(chǎn)生更快的 加速度。由于一般普通房車(chē)沒(méi)有下壓力，因此甚至無(wú)法產(chǎn)生1g (個(gè)重力單 位)轉(zhuǎn)彎力。一級(jí)方程式賽車(chē)能產(chǎn)生4個(gè)g的轉(zhuǎn)彎力。|在時(shí)速230公里時(shí)的狀況下，f1賽車(chē)上方氣流產(chǎn)生的下壓力足以使它在隧 道

2、里沿著隧道的底部行走。|在設(shè)計(jì)當(dāng)今一級(jí)方程式賽車(chē)的過(guò)程屮，扮演重要角色的空氣動(dòng)力學(xué)家正面 臨著一個(gè)基本的挑戰(zhàn)：如何在產(chǎn)生下壓力的同時(shí)不增加空氣阻力。這正是汽車(chē) 必須克服的問(wèn)題。在汽車(chē)空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)的過(guò)程屮，風(fēng)洞扮演著重要的角色。進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn) 時(shí)，通常先制作一半體積的模型，而風(fēng)洞就像一個(gè)i i人的吹風(fēng)機(jī)，將空氣吹向 靜止的模型。|雖然這個(gè)吹風(fēng)機(jī)的價(jià)格非常昂貴，但邁凱倫車(chē)隊(duì)仍然編列四千九百萬(wàn)美元 的預(yù)算，將在該車(chē)隊(duì)新建的銀石(silverstone)工廠(chǎng)建造一個(gè)風(fēng)洞?？諝鈩?dòng)力可以根據(jù)不同賽車(chē)場(chǎng)的特征而調(diào)整。較直的跑道需要較低的下壓 力設(shè)定值，如此可減少阻力，并但有助于賽車(chē)提高極速。較曲折的車(chē)道需要較

3、 高的下壓力設(shè)定值，如此可令賽車(chē)的極速降低。例如，在illi折的hungaroring 車(chē)道上,賽車(chē)很難達(dá)到300km/h的速度，但在hockenheimring車(chē)道上,車(chē)速可 以超過(guò)350km/ho通常所說(shuō)的空氣動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容是飛機(jī)，導(dǎo)彈等飛行器在名種飛行條件下 流場(chǎng)屮氣體的速度、壓力和密度等參量的變化規(guī)律，飛行器所受的舉力和阻力 等空氣動(dòng)力及其變化規(guī)律，氣體介質(zhì)或氣體與飛行器之間所發(fā)生的物理化學(xué)變 化以及傳熱傳質(zhì)規(guī)律等。從這個(gè)意義上講，空氣動(dòng)力學(xué)可有兩種分類(lèi)法：首先，根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的速度范圍或飛行器的飛行速度，空氣動(dòng)力學(xué)可分為 低速空氣動(dòng)力學(xué)和高速空氣動(dòng)力學(xué)。通常人致以400千米/小時(shí)這一速

4、度作為劃 分的界線(xiàn)。在低速空氣動(dòng)力學(xué)屮，氣體介質(zhì)可視為不可壓縮的，對(duì)應(yīng)的流動(dòng)稱(chēng) 為不可壓縮流動(dòng)。人于這個(gè)速度的流動(dòng)，須考慮氣體的壓縮性影響和氣體熱力 學(xué)特性的變化。這種對(duì)應(yīng)于高速空氣動(dòng)力學(xué)的流動(dòng)稱(chēng)為可壓縮流動(dòng)。其次，根據(jù)流動(dòng)中是否必須考慮氣體介質(zhì)的粘性，空氣動(dòng)力學(xué)又可分為理 想空氣動(dòng)力學(xué)（或理想氣體動(dòng)力學(xué)）和粘性空氣動(dòng)力學(xué)。i空氣動(dòng)力學(xué)是關(guān)于空氣流過(guò)物體的研究，自然是賽車(chē)設(shè)計(jì)中不可缺少的考 慮因素，一輛車(chē)要想跑得快就必須克服空氣阻力，所以車(chē)頭的體積越小越好， 它述需要足夠的附著力來(lái)應(yīng)付彎道，這就得靠下壓力幫忙。最簡(jiǎn)單的發(fā)明通常是最好的。60年代晚期，當(dāng)導(dǎo)流翼出現(xiàn)在f1運(yùn)動(dòng)中 時(shí)，空氣動(dòng)力學(xué)的角

5、色變得空前重要起來(lái)。這種裝備的作用是提高下壓力和附 著力，從而使車(chē)子轉(zhuǎn)彎時(shí)打轉(zhuǎn)的可能性減小，速度更快。雖然數(shù)年來(lái)導(dǎo)流翼的 開(kāi)頭有所變化，但它一直被f1賽車(chē)所采用。其實(shí)這一技術(shù)早就被應(yīng)用于航空領(lǐng) 域。飛機(jī)用翅膀來(lái)獲取升力，f1賽車(chē)則正好相反：它需要的是負(fù)升力，也就是 下壓力；這是通過(guò)把機(jī)翼狀的導(dǎo)流板顛倒安裝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從側(cè)面看，導(dǎo)流板也 是平的一端朝前，但與飛機(jī)翅膀不同的是其后端朝上撅起成illi線(xiàn)形，這樣氣流 通過(guò)時(shí)就會(huì)把它朝下壓。賽車(chē)工程師經(jīng)常在最大下壓力和最小風(fēng)阻兩方面做出權(quán)衡，這一權(quán)衡視不 同的賽道而定。像摩納哥和匈牙利這樣多彎的賽道對(duì)下壓力的需求最人，最小 的則是直道最長(zhǎng)的蒙扎。在那里比

6、賽時(shí)技師們會(huì)把前翼向后傾斜，減少車(chē)頭的 受力面積以降低風(fēng)阻。這會(huì)使車(chē)子的過(guò)彎性能受到限制，但它在直道上所達(dá)到 的空氣動(dòng)力效率遠(yuǎn)不止彌補(bǔ)于此。蓮花車(chē)隊(duì)的老板科林一查普曼在賽車(chē)的后懸掛上安裝了尾翼，把下壓力進(jìn) 一步提高了 180公斤。懸掛因不堪重負(fù)而發(fā)生斷裂，雖然得到加固，但還是在 1969年的西班牙人獎(jiǎng)賽引發(fā)了事故，導(dǎo)致高位尾翼被禁。從那以后，尾翼的安 裝必須更低更牢固。于是設(shè)計(jì)者們開(kāi)始想辦法讓前后翼發(fā)揮出最人的潛力。 1970年，蓮花車(chē)隊(duì)的賽車(chē)上安裝了翹起角度更人的板條尾翼，在風(fēng)阻不變的前 提下能產(chǎn)生更人的下壓力。他們還利用楔形的底盤(pán)進(jìn)一步提高下壓力。1971年 無(wú)紋輪胎出現(xiàn)，其優(yōu)越的抓地性能

7、減少了賽車(chē)對(duì)下壓力的需求，也給設(shè)計(jì)者們 増加了一個(gè)需考慮在內(nèi)的不定因索。1977年，查普曼再次取得技術(shù)上的重大突 破。雖然地面效應(yīng)不是他發(fā)明的，但是由他引進(jìn)f1的。查普曼和他的設(shè)計(jì)小組 在賽車(chē)兩邊安裝側(cè)艙并把底部制成導(dǎo)流板狀，然后用活動(dòng)板條把側(cè)艙與地面之 間的間隙密封起來(lái)，以防止氣流從側(cè)面進(jìn)入車(chē)底。車(chē)尾的喉管使車(chē)底的空氣加 速流動(dòng)，從而形成了一個(gè)低壓區(qū)，由此產(chǎn)生的巨人下壓力把賽車(chē)吸向地面。采 用這項(xiàng)技術(shù)的蓮花78賽車(chē)更主導(dǎo)了 1978年的世界錦標(biāo)賽。到了 1980年，地面 效應(yīng)產(chǎn)生的下壓力已達(dá)車(chē)重的兩倍，而r隨車(chē)速的加快成倍增長(zhǎng)。一輛f1賽 車(chē)能倒著個(gè)貼在風(fēng)洞頂上行駛，因?yàn)橄聣毫ψ阋园阉丛谀抢?。由于地面效?yīng)產(chǎn)生的下壓力如此巨大，f1賽車(chē)的翼板不再需要翹的很高， 其實(shí)氣動(dòng)力效率因此人人提高。事實(shí)的確如此:1979年的飛箭a2賽車(chē)在比賽 屮沒(méi)有使用任何前翼。創(chuàng)意很好，只可惜車(chē)子沒(méi)