理想車身氣動造型研究與F1賽車空氣動力學2

1、第 6 章F1 賽車氣動特性初探6.1 F1 賽車空氣動力學研究概況6.1.1國外 F1 賽車氣動性能研究的演化空氣動力學在賽車設計應用的研究工作是近 30 年才興起的。隨著空氣動力學理論體系的發(fā)展，計算機數(shù)值技術的應用，巨資建設的風洞為車隊深入研究賽車空氣動力學提供了便捷的途徑。一般而言主要有運動車和賽車(尤其是 F1 賽車)兩類車型的設計受到空氣動力學的影響，但是二者受到的氣動影響是不相同的?？諝鈩恿W在F1 賽車上面的研究與應用有一個漫長歷程。研究深奧的空氣動力學并獲得理想的負升力是 F1 成功的首要因素。1900 年在法國的默倫，首次在賽車場舉行了比賽，此時的賽車沒有具體的標準，參賽者

2、可以駕駛各式各樣的 F1 賽車比賽。20 世紀 40 年代末，汽車比賽中第一次出現(xiàn)了特別制造的單座位的賽車。為了安全和汽車運動發(fā)展方向的需要，國際汽車聯(lián)合會對車體結構、長度和寬度、最低重量，發(fā)動機、汽缸容量及型式、油箱容積、電子設備、軸距和輪距的尺寸等部件必須依照規(guī)定的程式制造，即“一級方程式賽車”，并創(chuàng)辦了相應的世界錦標賽。20 世紀 50 年代 F1 賽車的設計類似于二戰(zhàn)前的汽車，前置發(fā)動機、大梁式車架、“雪茄”狀流線型車身、窄輪子、車手坐得筆直。1957 年，英國谷巴車隊推出的中置式發(fā)動機賽車，降低了風阻系數(shù)，加快了車速，使車身重量更均衡，提高了賽車的轉(zhuǎn)彎性能。圖6.1 a所示為1954

3、年推出的奔馳W196流線形車是當時追求降低空氣阻力的典型代表。20 世紀60 年代車手開始戴頭盔和穿防火套裝，坐姿向后傾斜。發(fā)動機移至后部并采用承載式車身，一級方程式賽車開始進入現(xiàn)代化時期，出于安全的原因賽車的重量提高到 500 千克，此時賽車首度使用尾翼產(chǎn)生的氣動效果如圖 6.1 b，圖示是 1968 年推出的著名車型 Matra MS2。20 世紀70 年代，前部的散熱器被移到兩邊后，一級方程式賽車外觀呈楔形狀，此時負升力翼頗為流行，如圖 6.1 c所示在翼板的作用下的賽車獲得的負升力。雖然 F1 賽車工程師認識到了在車身不同地方加裝翼板等擾流部件可以有效提高賽車在彎道行駛速度，如 197

4、8 年的蓮花 78 賽車，以降低的側(cè)裙開創(chuàng)了“地面效應”時代，這種吸附效果制造了巨大的車輪附著力和很高的圈速，但因為安全的因素賽車底部產(chǎn)生低壓區(qū)的裙狀結構在 80 年代初期被禁用。53理想車身氣動造型研究與 F1 賽車氣動特性初探由于70年代賽車空氣動力學理論發(fā)展不夠完善，風翼的設計也缺少理論指導，如對翼板的安裝位置、翼板的面積大小、角度大小等并沒有一個成形的概念，而且當時加工工藝的不成熟，造成翼板在比賽中脫落，車毀人亡的事故也較多。此時除了各汽車公司對 F1 運動進行贊助外，商業(yè)廣告也開始源源不斷地注入F1 賽事，均促進了 F1 賽事的發(fā)展。20 世紀 80 年代渦輪增壓發(fā)動機的應用使得賽車

5、功率增加許多，在 1982 年法拉利車隊因此擊敗所有使用自然吸氣式發(fā)動機的車隊，1987年FISA（國際汽車運動委員會）規(guī)定禁止使用渦輪發(fā)動機速度而改為配備自然吸氣式發(fā)動機參賽。21 世紀初，隨著科研人員與工程師對賽車空氣動力學不斷的深入研究，更多氣動理論被應用于 F1 賽車的設計。例如威廉姆斯車隊的空氣動力學設計師所開發(fā)的 F1 賽車代表當今的空氣動力學的研究特點，使賽車幾乎每一個表面都在產(chǎn)生負升力，如圖 6.1 d。紅色向下箭頭表示負升力、紅色向上箭頭表示賽車所受的升力、藍色箭頭表示氣流走向、黃色表示制造負升力的表面 35圖 6.1 F1 賽車氣動特性研究演化圖F1 賽車集成了多個領域的尖

6、端技術，是百年 F1 賽車發(fā)展凝結的精品，更體54碩士學位論文現(xiàn)著工業(yè)制造能力、空氣動力學研究的頂尖水平。雖然是屬于 F1 賽車的范疇，但用到了研究飛機的理論去研究它。歐美日各國著名 F1 賽車隊均擁有自己的 F1賽車研發(fā)中心，如雷諾、邁凱倫、法拉利、豐田、威廉姆斯、本田、寶馬索伯等著名車隊均具有自己高水平的研發(fā)中心。雖然中國的部分科研人員對汽車，尤其是轎車氣動特性的分析取得了一定的成果，盡管中國吉利集團以廠家身份贊助亞洲吉利方程式國際公開賽，并擁有自己的賽車研發(fā)隊伍和自己核心成果，盡管中國在上海國際賽車場擁有可以舉辦 F1賽事的資格、上海國際賽車研究中心也于 2004 年在上海體育學院已經(jīng)建

7、立，但是中國對賽車空氣動力學的研究與應用仍然落后于國際水平。之所以落后于美國、德國、日本、英國等國家，是因為 F1 賽事是一種資金高投入的遠動，需要堅強經(jīng)濟后盾作支撐。為了改變現(xiàn)狀，F(xiàn)1 賽車空氣動力學的研究值得投入更多的努力。F1 賽車空氣動力學研究的意義空氣動力學在賽車領域的應用，尤其是在F1方程式賽車方面的應用是異常廣泛的。這里所言空氣動力并不是要把空氣變成賽車的動力，而是讓空氣在賽車高速行駛過程中氣體的高速相對流動而產(chǎn)生的氣壓變成對賽車有利的力量。F1 賽車的性能受多種因素的制約，例如受到F1 賽車專用發(fā)動機、輪胎、梭形懸架、路面、空氣以及車手的影響。然而，近年來運用負升力原理而改善賽

8、車性能措施被證明是極其有效的，氣動負升力在不增加賽車質(zhì)量的情況下改善了輪胎與路面的附著狀況，提高了賽車的動力性及操縱穩(wěn)定性，由此賽車空氣動力學也日益受到設計師的關注。F1 賽車在高速行駛的過程是通過發(fā)動機的動力推動空氣離開賽道的過程，此時賽車也會受到多種外力的作用，如本身的重力、驅(qū)動力、附著力、空氣阻力及由附加裝置所產(chǎn)生的負升力，其中負升力是F1空氣動力工程師主要研究的的對象，也是本章節(jié)所闡述的對象。賽車車身及各種附加裝置產(chǎn)生的負升力作用于整車而增加了輪胎的載荷，在路面一定的條件下，輪胎的附著力會得到增加，從而改善了 F1 賽車的驅(qū)動力，提高了 F1 賽車在平直賽道高速行駛時的動力性及緊急剎車

9、時的制動性能，也改善了賽車的操縱穩(wěn)定性能。如圖 6.2 所示的輪胎側(cè)滑角與側(cè)向力及輪胎載荷的關系。同時，負升力、賽車自重及車手體重是四個輪胎所受的垂直載荷，賽車附加裝置的優(yōu)化設計會使得該載荷有所增加，也增加了賽車的附著力設定值，從而提高了賽車的過彎能力，如圖 6.2-6.3 所示。但同時會增加空氣阻力，降低直線行駛的最高車速，例如在曲折的匈牙利布達佩斯賽道上，賽車仍很難達到 300km/h。由于楔形狀的賽車車身外形趨于扁平，受到的氣動阻力減小，負升力成為了賽車空氣動力學研究的首要對象。使賽車受到足夠的負升力、減少賽車高速行駛55理想車身氣動造型研究與 F1 賽車氣動特性初探時的空氣阻力是F1空

10、氣動力學設計師最為關心的兩個基本問題，減小氣動阻力可以提高賽車的燃油經(jīng)濟性，而賽車的空氣動力附加裝置是解決這些問題的重要手段。F1 賽車空氣力學效果的好壞會直接影響著車手的單圈成績，研究的核心是在減小阻力和增大負升力中間找到一個平衡點。在賽車空氣動力學研究的過程中，賽車風洞實驗、賽車氣動性能的數(shù)值模擬及實車的道路實驗是重要的手段。圖 6.2輪胎側(cè)滑角與側(cè)向力及輪胎載荷的關系圖 6.3有無負升力作用的賽車側(cè)向加速度56碩士學位論文6.2 負升力與空氣動力學附加裝置負升力產(chǎn)生原理早在1738 年，伯努利就已經(jīng)暗示了壓強與流速之間有直接的關系，1755年歐拉建立了完整的伯努利方程，這個方程的表述為：

11、 P0.5v2常數(shù)其中 P 是壓強， 是流體密度，v 是流體速度)（ 6.1）在F1賽車上所使用的負升力翼的基本原理與飛機的機翼是相同的，但是飛機的機翼是產(chǎn)生向上抬升的力量，而賽車的負升力翼是要產(chǎn)生向下壓制的力量。圖6.4 表示飛機機翼的剖面，當空氣流經(jīng)機翼時，一部分氣體從翼板上方流過，一部分氣體則從下方，而最后這兩部分空氣在翼板后方重新會聚。飛機的機翼設計是機翼的上表面比下表面更長，從而使得機翼上面的空氣流速要比機翼下方流速增加，空氣流速增加，則其密度減小，氣壓相應減小，而且速度越大壓力差也就越大。因此，飛機機翼上方的氣壓就比下方的氣壓小，從而產(chǎn)生了升力。所以如果把機翼倒過來，就是簡單的賽車

12、負升力翼，氣動效果也就相反，產(chǎn)生向下壓制的力量，即負升力 (negative lift)。圖 6.4機翼受升力原理圖圖 6.5負升力翼不同的截面F1 賽車負升力翼截面在不同時代呈現(xiàn)不同的形式，如圖 6.5 。一輛 F1 賽車升力面的設計雖然運用了類似飛機機翼設計的伯努利方程，但二者還是有區(qū)別的。主要有四個原因：F1 賽車前負升力翼的周圍環(huán)境受到了強烈地面效應的影響；相比于飛機機翼的展弦比而言，四輪暴露于空氣中的賽車后負升力翼的展弦比具有較小；負升力翼與賽車的其他部件，例如車身、車輪及其他附加裝置等，有著相互作用，從而改變了 F1 賽車的外部流態(tài)，外流場的參數(shù)也發(fā)生了改變?？諝鈩恿W附加裝置F1

13、 賽車能在 5 秒之內(nèi)瞬間加速到 200km/h 以上，最大過彎側(cè)向加速可達 G，極速最高可超過350km/h，這樣高的速度與過彎能力，除了需要優(yōu)異的懸吊設定來讓輪胎盡可能的保持與跑道路面接觸之外，更要有足夠的負升力來使輪胎產(chǎn)生足夠的附著力，否則動力再強大，在過彎時也將無從發(fā)揮。楔形賽車底盤的設計是氣動負升力和氣動阻力的平衡為基礎，車身外形趨于扁平，使得賽車氣動阻力減小，質(zhì)心位置降低，車身本身可以作為產(chǎn)生負升力的理想車身氣動造型研究與 F1 賽車氣動特性初探部件，提高了賽車的操縱穩(wěn)定性，然而最值得關注的是各種空氣動力學附加裝置。產(chǎn)生負升力的區(qū)域主要集中于賽車的三個具體的區(qū)域，即前負升力翼裝置、

14、底盤、后負升力翼裝置，如圖 6.6。這些區(qū)域也是車隊工程師不斷精細化的對象。圖 6.6負升力產(chǎn)生的主要區(qū)域.1 鼻錐影響F1賽車穩(wěn)定性的最重要因素是修長而扁平的鼻錐，它是賽車車身的前半部分，決定著通過車身上下方、散熱器、后負升力翼氣流比例和方向的關鍵性部件。導流有效、承載前負升力翼、加快更換負升力翼的速度及撞車時保護車手的安全是鼻錐的基本要求。例如邁凱倫車隊的 F1 空氣動力學工程師在 2001 年設計使得鼻錐的下垂角度比較大，更低的鼻錐使前部氣流的阻礙可能性降低到很小的程度，氣流在流過鼻錐之后直接經(jīng)過懸掛兩側(cè)及單龍骨下沿抵達擴散器，可以產(chǎn)生較好的氣動效果，如圖 6.7 所示。圖 6.7邁凱輪

15、車隊試驗賽車的新型前鼻錐.2 前負升力翼圖 6.8 Tyrrell 引入的高前鼻翼設計前負升力翼產(chǎn)生較大的負升力可以抵消一部分氣動升力，增加車輪的地面附著力，改善高速F1賽車的輪胎轉(zhuǎn)向性能，從而使賽車加速或減速時提高發(fā)動機功率的利用率，同時還可部分平衡由后負升力翼引起的車頭上仰力矩的影響。前負升力翼可以提供給賽車 30%的下壓力，對 F1 賽車起著至關重要的作用。前負升力翼影響賽車轉(zhuǎn)向性能。因為后置的F1賽車引擎使得賽車的質(zhì)心相對后移，賽車前部比較容易上揚，而且前輪是轉(zhuǎn)向輪。若后輪附著力很小，則使得賽車可能放生轉(zhuǎn)向過度，如圖6.9；若前輪不能與地面充分接觸，賽車的轉(zhuǎn)向則不能完全按照車手實際的操

16、控來實現(xiàn)，最常見的就是轉(zhuǎn)向不足（比如同樣打90方向，正常的賽車可以轉(zhuǎn) 90，而轉(zhuǎn)向不足的賽車可能只能轉(zhuǎn) 80，如圖 6.10），兩種狀況均降低了賽車的操縱穩(wěn)定性。圖 6.9賽車轉(zhuǎn)向過度碩士學位論文圖 6.10賽車轉(zhuǎn)向不足圖 6.11前負升力翼襟翼圖 6.12C、C與的關系圖 6.13 C、C與的關系前負升力翼襟翼，如圖 6.11。圖6.12 表示，在翼面幾何尺寸不變的條件下，總的負升力C與前翼負升力 C隨襟翼迎風角變化的曲線，不難得出前翼負升力 ClW與襟翼迎風角呈線性關系；圖6.13表示總的氣動阻力CDtot 與前翼氣動阻力 CDw隨襟翼迎風角變化的曲線37。前負升力翼地面間隙與負升力系數(shù)、

17、風阻系數(shù)。圖 6.14升力翼離地間隙對負升力系數(shù)、風阻系數(shù)的影響.3 后負升力翼理想車身氣動造型研究與 F1 賽車氣動特性初探后負升力翼的作用是增加F1賽車后部的負升力，改善賽車驅(qū)動輪的附著性能，以提高賽車的起步加速性能和入彎道前的制動性能。翼板的長、寬、高尺寸應分別控制在100mm、500mm、800mm之內(nèi)。單尾翼、雙尾翼、彈性尾翼是后負升力翼面的不同形式，如圖 6.15。雙尾翼是增加超車的最佳解決方案。前的 F1 賽車之所以難以超車是因為如今F1 賽車所需要的絕大部分的下壓力，都來自于車身的空氣動力附加裝置利用氣流產(chǎn)生的負升力。而當一部賽車緊隨前面賽車時，經(jīng)前車干擾后的氣流就很難使后面賽

18、車將其轉(zhuǎn)換為空氣下壓力。雙尾翼的設計可以使一部緊隨前車的賽車得到更多的可利用氣流以產(chǎn)生下壓力，同時也可以減少阻力。這種獨特設計的目的就是能夠幫助后面的賽車更容易緊跟前面的賽車。如果想超過前一輛賽車，必須單圈速度比對手快上兩秒，但采用雙尾翼后，可能即使慢上半秒都能實現(xiàn)超車，慢車可以很好地利用到前車的氣流，這就是增加超車的最現(xiàn)成的方法，對比圖 6.16和圖 6.17，雙尾翼尾部區(qū)域的負壓更為明顯，有利于賽車超車，增加了觀賞性。圖 6.15雙尾翼形式的賽車圖 6.16單尾翼賽車尾部壓力分布云圖圖 6.17雙尾翼賽車尾部壓力分布云圖碩士學位論文圖 6.18后負升力翼離地高度對 C的影響圖 6.19初期

19、階段后負升力翼后負升力翼與車身表面的距離是一個很重要的參數(shù)。較小的距離造成車身表面形成局部方向向上的負壓，從而減小負升力翼的作用；較大的距離雖然使 F1賽 車 上 方 可 以 不 受 車 身 氣 流 干 擾 而 較 好 地 發(fā) 揮 作 用 （ 早 期 賽 車 大 多 如 此 ， 如 圖6.19），但因為后負升力翼支架過長，在高速行駛時產(chǎn)生劇烈振動甚至導致斷裂而發(fā)生事故。國際汽聯(lián)為此曾規(guī)定安裝的負升力翼的最高點離 F1 賽車懸架的下平面高度不得超過 800mm，為了使后負升力翼能起到較好的效果，通常用后負升力翼距離 F1 賽車表面的高度 h與 F1 賽車軸距 l之比來描述，一般取0.25 h /

20、 l 0.62 。圖6.18表示了后負升力翼離地高度對 CL的影響，離地高度越大，其 CL值越?。划攈/c 1 后， CL值基本不變。后負升力翼與車身表面的距離對跑車和F1賽車的氣動參數(shù)的影響是截然不同的，如圖 。圖 6.20 h 對跑車-C、C的影響.4 擴散器圖 6.21h 對 F1 賽車-C、C的影響基本不可壓縮流體理論表明任意一個近地面的物體在運動時均會受到空氣所施加的負升力。對于F1 賽車而言，負升力是通過制造氣流壓力差而讓賽車保持足夠的附著力，進而可以充分提高發(fā)動機功率的利用率、改善賽車的動力性能。雖然賽車的前翼、側(cè)翼、尾翼可以產(chǎn)生負升力，但是車尾擴散器的設計是值得關注的細節(jié)，如圖

21、。因為它影響著賽車的氣動負升力，進而影響著賽操縱穩(wěn)定性 38。理想車身氣動造型研究與 F1 賽車氣動特性初探擴散器是賽車發(fā)展史中最有效率的空氣動力部件，它不會像其他負升力翼在產(chǎn)生負升力的同時伴隨產(chǎn)生一定的空氣阻力，擴散器理論上幾乎不產(chǎn)生阻力。擴散器的原理和吸盤差不多，即被壓縮在很小空間的氣流(底盤下面 )進入擴散器后體積突然變大幾百倍，高速行駛時又沒有其他空氣補充，就會在擴散器內(nèi)形成真空，將其吸附在路面，相當于在一個河流變寬的時候，降低了水流的速度。當空氣流動的速度降低時，它的壓力就會升高，這就使得后部擴散器排氣的速度更快，猶如把空氣從底盤下部加速拉出，這增加了賽車的負升力。擴散器最大的缺點就

22、是對底盤與路面之間的距離要求非常高，距離變化會對負升力產(chǎn)生巨大的影響，這也就為什么民用車沒有使用這種裝置，高度越低越好，但一旦底盤接觸地面將前后氣流切斷，擴散器立刻失效。圖 6.22豐田一賽車擴散器圖 6.23發(fā)動機排氣口與擴散器圖 6.24阻力和負升力系數(shù)與類車體離地間隙圖6.24是擴散器角度為100時的阻力和負升力系數(shù)隨著含有擴散器設計的類車體離地間隙變化而改變的插值曲線，由曲線可得負升力隨著離地間隙的減小而增加，離地間隙與車長比值為 0.02 時擴散器失速點發(fā)生。經(jīng)實驗表明此處是擴散器區(qū)域氣體入口，該區(qū)域的氣動壓力達到最小值，通過改變擴散器起始位置可以對賽車負升力中心加以控制。圖 6.2

23、5擴散器邊沿文丘理渦碩士學位論文圖 6.26壓力系數(shù)與擴散器角度觀察圖 6.25在擴散器的入口邊沿處產(chǎn)生兩股渦流，研究表明賽車底部運動氣流在擴散器起始位置發(fā)生分離，后在兩股文丘利渦的影響下重新附著在擴散器的表面而流向尾部。圖 6.26明顯表明負升力最大值發(fā)生于擴散器入口處，負升力的降低是由于混合渦的破碎和底部氣流的分離。6.3 負升力對 F1 賽車高速轉(zhuǎn)彎的影響F1賽車獲勝的主要指標是平均車速，由于F1賽事屬于場地賽，賽道是由不同的筆直賽道和彎曲賽道組合而成的，直線速度不是決定勝負的唯一指標，因而過彎速度成為比賽取勝的關鍵。作為場地賽車，F(xiàn)1 過彎時不能像拉力賽車那樣用“漂移”的技巧過彎，必須

24、依靠負升力使輪胎抵抗巨大的離心力不致發(fā)生側(cè)滑，甚至是側(cè)翻。最理想的解決辦法就是運用空氣動力附加裝置產(chǎn)生的負升力，其特點是過彎速度越快，產(chǎn)生的負升力也就越大，這正好符合F1賽車動力學轉(zhuǎn)彎時氣動特性的要求39。圖 6.27賽車右轉(zhuǎn)彎受力示意圖負升力與側(cè)滑理想車身氣動造型研究與 F1 賽車氣動特性初探分析賽車過彎時的受力圖6.27， Fc 為慣性離心力，NL、NR分別為左右輪所受地面的支持力，YL、YR分別為左右輪所受地面的側(cè)向力，G 是賽車的車重，G氣動組件所受的氣動負升力，B、h、R 分別為輪距、賽車質(zhì)心高度、轉(zhuǎn)彎半徑。推導可得不發(fā)生側(cè)滑的條件： FcYL+YR，由地面?zhèn)认蚋街鴹l件：YL +YR

25、=(G+ G)， 是側(cè)向力附著系數(shù)，因此不發(fā)生側(cè)滑的轉(zhuǎn)彎最大速度為：V=（6.2）在輪距、重心高度改變受到限制、附著系數(shù)即將用盡的情況下，氣動負升力為高速轉(zhuǎn)彎起重要作用。由于轉(zhuǎn)彎存在側(cè)翻和測滑兩種可能性，比較以上兩速度值，因通常B2h，可得出賽車事故多是側(cè)滑，或是滑而不翻，或是先滑后翻，如 圖6.9、圖6.10所示賽車轉(zhuǎn)彎發(fā)生側(cè)滑。不同時期F1 賽車轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如表 6.1。圖 6.28賽車過彎側(cè)滑圖 6.29輪胎側(cè)滑而磨損時間表 6.1 F1 賽車轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)統(tǒng)計速度 km/h半徑 m比值加速度1953 年1979 年1990 年2005 年160.9241.4305.77350304.818

26、2.9182.9239.8570%100%400%500%0.7g2g4g5g負升力與側(cè)翻賽車轉(zhuǎn)彎時受力如 圖 6.27，其中車輛以速度右轉(zhuǎn)彎，若速度很大，則會出現(xiàn)繞外輪的側(cè)翻轉(zhuǎn)。 Fch是側(cè)翻力矩， (G+ G)B/2 是平衡力矩。側(cè)翻時右輪支持力 NR值是 0，則不側(cè)翻的條件：Fch(G+ G)B/2，由 Fc=GV2/gr，則最大的允許過彎速度為：（6.3 ）V=碩士學位論文（6.4）為了提高賽車過彎速度，可以降低重心減小h，增加輪距B，但受到規(guī)則的限制，由此只有加大氣動壓力 G。F1 賽車的附著力約有1/3是由前輪負擔，有超過 2/3則是由后輪負擔。前輪采用較低負升力的設定可以提高車速

27、，但同時也會提高轉(zhuǎn)向不足的趨勢，轉(zhuǎn)向不足就使車頭會可能滑向彎道外側(cè)。否則，如果車尾的負升力不足，那么會有轉(zhuǎn)向過度的傾向，車尾就會開始打滑。F1 賽車的設計必須要考慮和遵循負升力中心和重心(the centre of gravity)之間匹配的原則。通常情況下，負升力中心 (CofP)位于重心 (CofG)后面百分之幾的位置，如果重心 (CofG)前移，那么賽車的負升力中心 (CofP)也必須前移，意味著工程師必須設法增加賽車前部的負升力。6.4 地面效應對氣動負升力的影響地面效應離地間隙 (賽車底部和賽道表面之間的距離)對提高底盤和擴散器之間聯(lián)系的效用有大的幫助，賽車的底板 (plank/un

28、dertray/skid_block)是最重要的空氣動力附加裝置，如圖 6.30。底盤和賽道之間的離地間隙越小，該區(qū)域氣流運動的速度也就越大，根據(jù)伯努利方程，此區(qū)域的靜壓力也就越小，賽車所受的氣動負升力也就越大，使得賽車被強烈地“吸附”在賽道上，即產(chǎn)生所謂的“地面效應”，如圖6.31。地面效應曾被 F1 車隊用來提高車速，但為防止追求更高的轉(zhuǎn)彎速度而引發(fā)事故，F(xiàn)ISA 規(guī)定賽車前輪后緣至后輪前緣底部必須平直，限制了地面效應的充分運用，由此國際汽聯(lián) (FISA)規(guī)則規(guī)定賽車底盤上要安裝一塊10mm 厚的木板，若此木板低于 9mm，該車會被取消參賽資格。圖 6.30賽車光滑地板圖 6.31地面效應

29、獨立的底板是安放在每輛賽車底部的中間位置 (從前到后 )的硬木板，通過螺栓與承載式車身下側(cè)相連接，通過賽后對木板度磨損程度的檢查可以判斷車輛底盤是否過低。最早運用地面效應于賽車運動中的時間是20 世紀70 年代，當時考林查普曼65理想車身氣動造型研究與 F1 賽車氣動特性初探在蓮花賽車底部安裝一個空氣通道，通道前面的部分相對狹窄，但在向車尾延伸的同時不斷擴大。由于賽車的底部離地間隙很小，所以通道和地面形成了一個封閉管道。當賽車飛馳時，空氣從車頭進入，然后線性擴散到車尾，接近車尾處的氣壓會降低，從而產(chǎn)生了向下的壓力。地面效應的不同形式時下賽車底部的設計多趨于部分或完全覆蓋，從理論上分析，對于完全

30、由光滑底板覆蓋的車底而言，如 圖 6.30，離地高度越低，進入賽車底部前段的氣流速度越快，這樣會在 F1 賽車底部的前段空間形成向下的負壓區(qū)，從而提高了 F1 賽車前部的氣動升力?，F(xiàn)在 F1 賽車的底盤的設計形式多采用 階梯型，已經(jīng)不會產(chǎn)生太多的地面效應，擴散器就變的更加重要。當今也存在F1設計師將車底設計成從前向后逐漸升高或設置縱向凹槽的形式，地面與車底部的凹槽構成 拉伐爾管 ，亞聲速氣流在該管收縮段加速，車身底部與車身上表面的壓差增加，即增加了氣動負升力。 拉伐爾管 道的橫截面形狀、管道截面面積沿流向的變化等都將影響車身底部的流態(tài)，如圖 6.33。圖 6.32 F1 賽車負升力示意圖圖 6

31、.33拉伐爾管氣流為了更好地提高 F1 賽車負升力，空氣動力學工程師運用拉伐爾管效應在賽車底部的兩側(cè)裝上整流裙，整流裙剛好接觸路面以密封底部氣流，使得車身降至距地面僅 20mm，仍然取得了很好的氣動效果，如圖 6.34。圖 6.34側(cè)裙與地面的間隙對總負升力系數(shù)的影響66碩士學位論文滑動裙(sliding skirts)是安裝在賽車兩側(cè)散熱箱側(cè)面底部的風翼，它阻止側(cè)面氣流通過賽車底部而使賽車底部形成真空，以此將賽車吸附在賽道上并增加賽車在彎道中的側(cè)向附著力，成功的運用了地面效應。2005年， F1賽車空氣動力學設計師在賽車底部設計了一小的風翼，類似于負升力翼的形式，這種設計使得賽車獲得了一定的

32、負升力，如圖 6.32。F1 賽車與量產(chǎn)車的比較F1 賽車與量產(chǎn)車在基礎技術和理論上是相同的，但研究方向和側(cè)重點卻不盡相同，F(xiàn)1 賽車與量產(chǎn)車的最大不同之處在于空氣動力學的應用，將賽車壓在賽道上可使輪胎獲得更大的抓地力，進而在彎道時產(chǎn)生更快的加速度。由于普通房車沒有足夠的負升力，因此甚至無法產(chǎn)生 1G 的側(cè)向附著力，F(xiàn)1 賽車則能達到 5 個G(G Force)?，F(xiàn)在空氣動力學已經(jīng)逐漸成為了賽車在比賽中的獲勝的關鍵，因此每年各車隊在賽車空氣動力學研究方面的經(jīng)費已經(jīng)達到數(shù)千萬美元 38。普通房車與 F1 賽車比較而言，普通房車是為了降低消耗，而 F1 賽車是提高性能；普通房車是減少排放，賽車是力

33、求最大功率以實現(xiàn)賽車高速度的核心指標，這對普通房車而言需要較高的成本；普通房車壽命大于 10 年，而 F1 賽車僅參加12 個賽季；普通房車期望安全，賽車竭力追求速度的極限。任何企業(yè)的技術需要不斷升級，保持后勁，要想保持領先，沒有后序的技術支持是不行的。而 F1 賽車是前沿技術的最好實驗場所。例如用到 F1 賽車上的馬瑞利變速箱用到量產(chǎn)車上在設計、材料上有所變化，先是應用在法拉利賽車，然后過渡到奔馳、寶馬車上，再逐步應用到中高級轎車上，最后應用到經(jīng)濟性轎車，這是逐步往下走，量逐漸放大；就成本而言，企業(yè)會考慮幾百輛時的成本、幾千輛時的成本，量越大每輛車可以分攤越少的成本。因此，F(xiàn)1 賽車的部分技

34、術可以應用到量產(chǎn)車的設計與制造過程中，為量產(chǎn)車技術進步起到了促進作用42。從另一角度而言，F(xiàn)1 賽事可以稱為一廣告活動，技術層面不是主要的，商業(yè)性是主要的，因為 F1 本身具有巨大的商業(yè)廣告價值，各公司品牌可以通過賽事的舉辦得以提升，進而可以獲得巨大的經(jīng)濟和社會效益 43。F1 賽車車型的設計涉及到遙感勘測、計算機輔助設計、振蕩模擬等高科技，由此而產(chǎn)生海量的模擬數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)存儲是 F1 賽車車隊所要考慮的重要問題。除去確保有足夠的數(shù)據(jù)存儲設備來保存大量的數(shù)據(jù)外，車隊還需要對賽道上收集到的遙測信息進行定期回顧，以驗證計算機模擬或風洞測試結果的正確性。例如，若工程師希望理解某一組件的磨

35、損速度，他可以提取賽道遙測數(shù)據(jù)并將其與控制模擬結果進行交叉參考，以得到精確的結果 44。67理想車身氣動造型研究與 F1 賽車氣動特性初探6.5 F1 賽車外流場的數(shù)值模擬基本控制方程與渦粘模式因為空氣的密度很小，F(xiàn)1 賽車周圍空氣運動速度相對聲波的傳播速度較低，空氣的密度變化不大，空氣流動為不可壓流動；由于空氣相對于F1賽車作低速流動，二者之間的熱交換量為零，因此在F1賽車外流場基本方程的分析中不考慮能量方程的存在。因此，在不考慮賽車發(fā)動機冷卻的前提下，F(xiàn)1 賽車周圍空氣流場可視為三維、定常、不可壓粘性等溫流場來處理。賽車外流場控制方程仍然屬于非線性的偏微分方程，與量產(chǎn)車外流場的控制方程相同

36、45。因解析解難以求得，依然采用有限體積數(shù)值方法求解控制流體流動的數(shù)學方程研究F1賽車周圍空氣的運動規(guī)律。這樣的氣體動力學控制方程不考慮控制體的運動，是針對靜止控制體而言的；若解決運動體的問題，必須考慮網(wǎng)格的運動。有限體積法的物理解釋：該控制體積在隨空氣運動的同時，因其本身所包含的氣體“微團”數(shù)量不因時間的改變而改變，質(zhì)量恒定，從而滿足了質(zhì)量守恒定律的物理原理。本算例中采用RNG-湍流模式封閉基本的控制方程，該模式是以標準k-模式 (又稱線性k- 模式 )為基礎，它發(fā)展了近代非線性的k-模式。其中有重正化群k-模式 (Yakhot和Orsazg,1986)以及Speziale(1991)的非線

37、性k-模式。RNG- 湍流模式是基于統(tǒng)計學原理對瞬態(tài)的 Navier-Stokes 方程利用重整化群的數(shù)學方法推導出來的模式，通過在大尺度運動和修正的粘度項體現(xiàn)小尺度的影響，小尺度因此從控制方程中消失。湍動能方程、湍流耗散率方程與標準-模式均有相似的表達形式：Dk=() k （ 6.5 ）keff + Gk+ GbYMDtxiD=()xi + C() G+ CGC 2R（6.6）Dtxieffxi1kb2k參數(shù) Gk、 Gb、 YM與標準-模式中相應參數(shù)相同， k和 分別是湍動能k 和耗散率 的有效湍流普朗特數(shù)的倒數(shù)45。湍流粘性系數(shù)k2t= CC= 0.0845 ，R =C(1 /) ，其中

38、： Sk /， 3， 0= 4.38 ， = 0.012 ， C1=1.42 ， C2=1 + 1.68 。k F1 賽車幾何建模與網(wǎng)格剖分本算例 F1 賽車 1:1 的 CAD 模型是用 UG3.0 建模完成，其輪廓三維尺寸長為4.650m，寬為1.8m，高位1.06m。為使得網(wǎng)格的劃分不太復雜，模型僅包含車68碩士學位論文身 和 類 圓 柱 的 車 輪 。 賽 車 數(shù) 值 風 洞CAD模 型 三 維 尺 寸 的 長 為9倍 車 長 ( 即41.85m)，寬為四倍車寬 (即 7.2m)，高為 4 倍車高(即 4.24m)； F1 賽車最小離地間隙為 0.02m；車輪用一圓柱體來近似模擬，直徑

39、為 660mm，車輪旋轉(zhuǎn)角速度272.7rad/s。圖 6.37 內(nèi)置 F1 賽車的虛擬風洞模型圖 6.38 前負升力翼(兩片) 圖 6.39 后負升力翼 (兩片) 由于結構網(wǎng)格的布局時通過代數(shù)方程或微分方程的求解確定的。因此網(wǎng)格結點的結構是有限制的。本算例中的網(wǎng)格是非結構化的網(wǎng)格，因為非結構網(wǎng)格舍去了對網(wǎng)格結點的結構限制，易于控制單元的大小、形狀及網(wǎng)格節(jié)點的位置，因此有較大的靈活性，對復雜計算域有較強的適應能力 47。本算例網(wǎng)格的劃分是利用 ANSYS ICEMCFD 的 Tetra 四面體網(wǎng)格生成器完成，總網(wǎng)格節(jié)點為 449356 個，總的數(shù)值網(wǎng)格單元為 2543941 個，如圖 6.41

40、 所示。圖 6.40F1 賽車及計算域的數(shù)值網(wǎng)格圖 6.41 F1 賽車前車輪數(shù)值網(wǎng)格69圖 6.42 后負升力翼及端板局部網(wǎng)格理想車身氣動造型研究與 F1 賽車氣動特性初探 F1 賽車模擬邊界條件及初始條件本算例中賽車外流場的數(shù)值模擬方法采用 RNG- 湍流模式。計算域入口處速度：U =90m/s，V = W = 0；入口處湍流度：0.5%，因為入口氣流為均勻?qū)恿鳎挥嬎阌蛏媳诿婧蛡?cè)壁面邊界：自由滑動壁面；（ 6.7）計算域下壁面(即模擬地面)：移動壁面邊界，移動速度與來流速度相同；車身模型壁面邊界：固壁、無滑移條件；出口邊界：給定壓力邊界條件，相對于遠方來流處的壓力為零； F1 賽車車輪繞流

41、分析圖 6.43 賽車兩前輪速度流線圖圖 6.44賽車兩后輪速度流線圖圖 6.45前輪靜止時壓力云圖70圖 6.46前輪旋轉(zhuǎn)時壓力云圖碩士學位論文圖 6.47前車輪靜止狀態(tài)時的壓力系數(shù)圖 6.48 前車輪旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時的壓力系數(shù)對比圖 6.45 和圖 6.46，車輪旋轉(zhuǎn)對繞流分離的影響是很明顯的，尤其是車輪旋轉(zhuǎn)時車輪邊界層的分離時刻比車輪靜止時邊界層的分離時刻提前許多。觀察圖 6.47，00對應前車輪的前緣，900對應于車輪與地面的接觸處，1800對應車輪后緣，如我們所期望的那樣，在前車輪靜止和旋轉(zhuǎn)的兩種工況下，車輪的前緣壓力系數(shù)最高，車輪與地面接觸處因氣流在此的速度驟然降低，壓力系數(shù)較小。在 1

42、000到 2500之間，旋轉(zhuǎn)車輪的壓力系數(shù)比較穩(wěn)定，變化不是很劇烈，而對于靜止車輪，其壓力系數(shù)絕對值較大，大于旋轉(zhuǎn)車輪時的系數(shù)。同時，由圖 6.47-6.48 可以明顯看出，CFX 仿真值與試驗值有較好的一致性。 F1 賽車前負升力翼氣動特性模擬F1 賽車的外流場受多種空氣動力學附加裝置的影響,F1 賽車一般是在平直賽道急速行駛，通過計算機模數(shù)值模擬的流場是在前負升力翼、后負升力翼、無放塵罩的四個車輪及相關的附加裝置綜合作用的結果，F(xiàn)1 賽車前鼻錐的表面可以作為產(chǎn)生負升力的理想的表面，因為表面積較大，對流動的空氣有較好的導流作用；前后負升力翼的端板對翼面的流態(tài)有一定的整流的作用，可以改善負升力

43、翼的氣動效果，有助于增加負升力。此外前后負升力翼端板的幾何參數(shù)及迎角也影響負升力翼的功能。71理想車身氣動造型研究與 F1 賽車氣動特性初探圖 6.49 前負升力翼底部的負壓區(qū)觀察圖 6.49，由伯努利方程，前方來流經(jīng)過前負升力翼面底部彎曲的曲面時速度增加，使得該區(qū)域的靜壓明顯減少，該區(qū)域為負壓區(qū)，使得賽車前負升力翼受到了運動空氣所施加的氣動負升力，而這正是我們做渴望得到的結果。6.6 本章小結本章通過總結闡述國內(nèi)外 F1 賽車氣動特性研究的概況，明確了 F1 賽車空氣動力學研究目標是在賽車高速運動過程中如何使其所受氣動阻力與氣動負升力達到一種完美的平衡；介紹了 F1 賽車高速轉(zhuǎn)彎時的力學基礎

44、、擴散器的設計對負升力產(chǎn)生的影響及地面效應的作用；對 F1 賽車進行了 CAD 初步的建模，利用流體軟件對賽車外流場進行了數(shù)值模擬和可視化分析。721 本論文內(nèi)容總結碩士學位論文總結與展望逆向工程設計技術作為產(chǎn)品設計開發(fā)的重要方向正得到越來越多研究者的關注。包括中國在內(nèi)的世界多個國家在把優(yōu)化設計技術應用于汽車、飛機等領域進行了大量的研究工作，并且已經(jīng)取得了一定的成就。本文主要研究把優(yōu)化設計技術應用于流線形車身的造型設計，在基于翼剖面理論的基礎上，通過研究設計、開發(fā)了一個較為符合氣動特性的流線形車身。具體而言，本文的主要內(nèi)容可以概述為：闡釋了車身造型的演變歷程，并且從汽車空氣動力學的角度分析了各

45、時代車身造型的特點；車身造型與曲線曲面技術是絕對分不開的，重點解釋了與車身氣動造型有密切聯(lián)系的 NURBS(非均勻有理 B 樣條)曲面造型技術； 簡 述 了 普 通 房 車 在 高 速 行 駛 時 所 涉 及 到 的 氣 動 六 分 力 理 論 及 其 對 汽 車 相關性能的影響；詳細論述了流線形車身優(yōu)化設計的基本條件、優(yōu)化設計的基本步驟以及影響車身優(yōu)化設計的基本參數(shù)。同時提出了一較符合汽車空氣動力學理論的流線形數(shù)字化 CAD 模型； 在 對 理 想 基 本 形 體 數(shù) 字 化 車 身 進 行 數(shù) 值 模 擬 分 析 的 基 礎 上 研 究 了 該 車 身縱對稱中面上的速度、壓力的分布，同時對

46、車身外部繞流進行了可視化的分析；從空氣動力學的角度深入剖析了影響F1賽車氣動性能的因素負升力和阻力以及二者與賽車高速轉(zhuǎn)彎力學基本原理；簡述了賽車的擴散器、地面效應、空力組件對負升力的影響；對賽車進行了簡單的建模并進行了賽車繞流的分析。2 本論文的創(chuàng)新點在考慮空氣動力學對車身氣動性能影響的前提下，以翼型截面理論為基礎，重點介紹了一種預測和設計流線形車身氣動造型的方法，并以該理論方法為基礎優(yōu)化設計出一個較為符合汽車空氣動力學原理的流線形數(shù)字化車身模型。在總結闡述了 F1 賽車空氣動力學氣動研究對象與目標、空氣動力組件與地面效應等對負升力影響的基礎上，按照 FIA（國際汽車聯(lián)合會）的相關規(guī)定，對F1

47、 賽車進行了 CAD 初步的建模，并利用流體分析工具對 F1 賽車外部繞流進行了73理想車身氣動造型研究與 F1 賽車氣動特性初探數(shù)值模擬和可視化的 CAE 分析。3 展望由于時間以及條件限制，本課題還存在一些問題，需要進一步相關研究工作，主要包括：在相關氣動條件參數(shù)約束的情況下，如何采取更有效的精度更高的函數(shù)構造方式來確定車身縱向?qū)ΨQ中面升力系數(shù)分布函數(shù) Czo(x)是極為關鍵的；以中的構造函數(shù)為基礎，確定車身對稱中面上的彎度曲線函數(shù) h(x)時所用的迭代方式也值得深入地研究；根據(jù)車身三維空間內(nèi)部飾件布置的需要如何確定車身的半寬度函數(shù) b(x)及流線形車身橫截面的形狀函數(shù)a(x)，以使得流線

48、形車身符合機械工程、人機工程學等方面的要求；影響 F1 賽車氣動性能的因素很多，例如賽車空力組件的幾何形狀的設計，同一套件不同迎角時對負升力的影響，擴散器與地面效應對賽車尾流的影響等需要進一步的分析與研究；F1 賽車進行超車時的氣動環(huán)境也是值得去思考的；負升力對F1賽車的影響，尤其是對賽車高速行駛時的側(cè)風穩(wěn)定性的影響是值得深入探討的。74碩士學位論文參考文獻1黃天澤，黃金陵汽車車身結構與設計M北京：機械工業(yè)出版社，1996：84-852谷正氣轎車車身M北京：人民交通出版社，2002：17-193黃向東汽車空氣動力學與車身造型M北京：人民交通出版社，2000：94-974黃向東，朱剛，梁志剛基于空氣動力學理論的轎車車身造型優(yōu)化方法J中國機械工程， 1998,9(1)：