一文洞穿方程式赛车空力套件背后的空气动力学理论

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  在赛车的领域中,方程式赛事占到了很大的比重。方程式赛车的意义就在于在统一的规则下进行赛车的设计。

  那么哪一只车队的赛车动力越大,阻力越小,就越有可能在赛道上获得更大的速度。

  在发动机、底盘等部件制造水平已经相差无几的大背景下,空气动力学套件便成为了兵家必争之地。

  

  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。

  下面就一起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。

  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。

  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

  康达效应

  康达效应,亦称附壁作用或柯恩达效应。 即流体有离开本来的流动方向,改为随着凸出的物体表面流动的倾向。

  当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时(也可以说是流体粘性),只要曲率不大,流体会顺着物体表面流动。

  

  ▲康达效应的抽象展示

  康达效应主要应用在赛车的排气系统附近,意在将排气管排出的气流加以引导使其有序

  从而保证排出的废气不会影响到车轮前部、侧箱后部的“可乐瓶区域”气流的流动,从而保证赛车在行驶过程中的速度。

  

  ▲把一根勺子贴上水龙头流下的水流,水流会沿着勺子的曲面改变流向,其中的原理就是康达效应

  我们以2012年迈凯伦F1车队MP4-27赛车为例来讨论康达效应的应用。

  在图示“可乐瓶区域”,有两股气流,一股是来自赛车前部,绕过侧箱底部,沿底板流动的气流

  另一股是从排气管排出,直接进入可乐瓶区域的气流。

  2012年的规则详细地规定了排气管的位置,于是如何合理安排这两股气流的流动成为了设计师们最先要考虑的问题。

  

  ▲迈凯伦MP4-27的“立交桥”式尾部设计

  为了解决这个问题,设计师们发明了“立交桥”式排气系统。

  这种“立交桥”结构的关键在于,带有沟槽的排气管沿侧向表面轮廓向外突出,排气管外部末端超出侧箱的流线型轮廓,而内部末端仍然与赛车表面形成流线形状。

  而在排气管下部,侧箱依然呈现传统的收缩形状。由于康达效应,从赛车前部吹来的气流可以沿着侧箱下表面完成在可乐瓶区域的汇聚,进而向后输送进入扩散器内部

  而废气则在长长的沟槽内流动到突起的末端,同样由于康达效应作用,废气可以沿突起的内侧边缘流动,最终降落到底盘上,从扩散器的边缘送出,进入后轮刹车系统进气口,为刹车片降温。

  突起的作用在于,它给废气和由侧箱前部吹来的气流提供了各自的流动空间,使得这两股气流能够在互不干扰的条件下流动到不同区域发挥不同的作用

  类似于生活中起枢纽作用的“立交桥”,“立交桥”结构也由此得名。

  

  ▲气流实际的流动情况

  图中,蓝色的线代表从赛车前部吹来的气流,红色线代表排气管排出的废气。

  蓝线沿底板一直延伸,至扩散器;红线沿排气管凸起部分延伸,流过扩散器侧部,进入后轮刹车进气口。

  可以发现虽然气流是异面交叉,但是能够各自流动,互不干扰。(图中两线位置仅示意,不做定量参考)

  失速现象

  翼面角度超过临界迎角(或临界攻角,即气流开始与失速机翼分离的角度)后,翼型上表面边界层将发生严重的分离,升力急剧下降而不能保持正常飞行的现象,叫失速。

  翼型气动迎角超过该临界值之前,翼型的升力是随迎角增加而递增的;但是迎角超过该临界值后,翼型的升力将递减。

  

  在方程式赛车中,失速现象主要被运用于尾翼部分的减阻中。

  由于受规则所限,方程式赛车的翼片不能随时地更改气动攻角(F1中的DRS也只是两个状态下的切换,不属于“随时”更改的范围)

  所以,设计师们的工作目标就是通过对气流的引导,阻碍翼片上下气流的会合。

  最好也最简单的方法就是将翼片下方的气流破坏,于是设计师们想出了吹气的方法——通过一股突然介入的气流破坏翼片下方原有的环境,进而影响翼下气流的运动路径,创造失速。

  

  ▲气流在车内流动的总览图

  迈凯伦在其2010年的MP4-25赛车上使用一种以失速现象为基础原理的尾翼(F-duct),是方程式赛车创立至今对失速效应最成功的案例。

  

  

  ▲气流在通道关、开两状态下对尾翼后部气流的影响

  上图展示了失速尾翼的工作原理。

  在比赛中,车手通过膝盖来控制气流通道的开关。赛车在直道上行驶时,车手打开开关,使气流能够流入设计的通道,在弯道中,开关被关闭,通道中也没有气流流过。

  开关打开时,气流在通道的作用下流到尾翼副翼的下部,这股额外的气流在副翼的后下方形成大量涡流,这样一来便破坏了尾翼下表面的气流,使之无法与上表面的气流汇合。失速现象便由此制造出来。

  

  这样一来尾翼所制造的下压力就可以忽略不计,而阻力就被大幅度降低,这种情况下引擎就可以为为赛车提供更大限度的动力输出,赛车就可以获得显著的尾速优势

  而在通道关闭时,通道内没有气流,尾翼副翼不发生失速,整个尾翼仍然处于较大的下压力+阻力的工作状态下,使赛车能够以更大的速度通过弯道

  同时由于弯道速度有限,阻力并不会过多限制发动机动力输出。两种状态下,阻力与下压力能够得到合理的分配与优化,使赛车表现更加出色。

  

  赛季初期,采用这种独一无二设计的两辆迈凯伦赛车在尾速方面连续几站包揽前二。

  更恐怖的是,MP4-25的极速比排在第二名的车队快了6-10公里,足以体现出失速效应对赛车性能形成的巨大作用。

  总结

  综上所述,在方程式赛车的竞赛中,影响赛车速度发挥的空气作用为摩擦阻力和压差阻力

  而在其中,压差阻力可以通过一些对气流的引导来形成下压力,从而提升赛车弯道表现。

  所以设计师考虑的核心问题是在弯道中如何获得尽量大的,本质上是压差阻力的下压力,同时在直道中减小压差阻力,以提高极限速度。

  于是,各种空气动力学的理论便被应用在赛车的设计当中。文丘里管、康达效应、失速效应都是实际设计过程中被应用比较广泛的几种理论。

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  (来源:赛车头条)