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1、探究探究 F1F1 中的失速尾翼中的失速尾翼作者：张鹏物理学院Pb11203160F1 赛车是世界上最昂贵、 速度最快、 科技含量最高的运动， 是商业价值最高， 魅力最大，最吸引人观看的体育赛事。包含了以空气动力学为主，加上无线电通 讯、电气工程等世界上最先进的技术。很多新的科技都是在 F1 上得以最初的实 践的。对于一部 F1 赛车而言，尾翼能够贡献全车约 1/3 的下压力。但高速状态下 尾翼产生的阻力也是相当惊人的。 任何能够降低尾翼阻力的方法都能直接提升赛 车的极速。具体到一种非线性方式为：较低速度下依靠高下压力/阻力设定提升 加速能力， 缩短赛车达到极速的时间，然后在进入直道不再需要下
2、压力的某个速 度下表现为较小的阻力，如此一来在单圈速度上便会取得立竿见影的效果。来自 Renault 的 CFD 数据图显示气流流经多片式尾翼时的情况观察尾翼的形状，可以发现，和飞机的机翼相反。飞机的机翼时靠特殊形状产生环流的， 机翼与水平线之间的夹角是可以调节的，空气相对机翼流动时由于机翼的上下两边不对称， 气流经过机翼上方时气流的路程长，受到的黏滞力的影响大一些因而流动较慢。 而气流从机翼的下方流过时所经过的路程短，受到黏滞力影响较小故其流速大。 当机翼上下两方的气流在机翼尾部会合时，在机翼尾部形成涡流，此涡流脱离机翼而飘向下游，对机翼不起作用。在飞机运动开始前机翼与周围气体的角动量均为零
3、。由于角动量守恒，当机翼尾部出现涡流后，周围流体另一部分必定沿反方向流动，形成绕机翼的环流，机翼上方的环流与气流的方向一致，叠加后使机翼上方的流速增大，机翼下方的环流与气流的速度相反，两者叠加后使机翼下方的流速减小，这样机翼的上下两面出现压力差，形成对机翼的升力。升力大小计算如下：设环流速度为 u，机翼远前方气流的速度和压强可视为常数，与位置无关，分别设为 v 和 0p ，机翼上部的压强为1p，下部的压强为2p，根据伯努利方程21 2pvgz+=常量，()022 111p +v =pv+u22+()022 211p +v =pv-u22+就此得到()()22 2111p222pvuvuuv=+
4、=设机翼宽为 d，长为 l，则升力为()212Fld ppuvld=对于 F1 赛车来说，需要的是在转弯时的抓地力，所以设计得正好与机翼相反，但又需要在直线时加速，因此需要设计特殊的尾翼。翼片迎角较大时,气流将出现分离现象(圆圈)流经翼片表面的气流会表现出减速以及从翼片上分离的趋势。尤以翼片下方为甚，相比翼片表面此处气压更低。在气流被彻底打散发生失速前，气流分离会增加翼片阻力，降低空气动力学效率。当尾翼失速时，翼片在阻力大幅降低的同时也将失去大部分的下压力。翼片迎角越大，发生气流分离的可能性就越大。 为了减少这种情况空气动力学家需要提高流经翼片下表面的气流流速， 为此他们将翼片一分为二， 这样
5、两块翼片之间会出现一条缝隙。翼片上方的高压气流从此缝隙穿过，加速翼片下方的气流。这种缝隙的数量越多，翼片迎角就能调得越大。90 年代 F1 赛车尾翼在翼片数目上没有限制。随后 FIA 开始考虑降低尾翼制造下压力的潜力，于是他们决定降低翼片数量（规则将此处定义为“封闭区域”），最初的限制为 4 片，然后是 3 片，现在降至两片。现代 F1 的尾翼由主翼(相对靠前的下层翼板)和副翼(相对靠后的上层翼板)两块翼板组成。 如此一来尾翼只有一条缝隙， 能够增加翼片下方气流流速的位置亦只此一处。但规则总会存在盲区翼片中央 15cm 的一小块区域不在限制之列，几年前开始就有车队在此区域增加开槽。 开槽在翼片
6、前后方的尺寸相同，因此在规则框架内不存在违规嫌疑，这种尾翼格式被大多数 F1 车队所采用。翼片在气流分离后,翼片下表面四散而开的气流会导致失速现象应用吹气式尾翼(Blown Rear Wing)后,额外的入风口/出风口将制造出合法的第二道开槽所以就有车队试图通过制造翼片失速(减小阻力)的方式提升极速。高速下通过可变形翼片的移动缩小主副翼之间的缝隙，使翼片失速。FIA 方面则通过尾翼负荷测试以及引入分隔片来防止某些车队利用灰色地带获得额外的性能优势。 如今 FIA 要求 F1 赛车的尾翼强制安装分隔片， 这是一块安装于主副翼板间的垂直端板，意在防止高速下弹性翼板发生相对移动。这里以 McLare
7、nMcLaren F-ductF-duct 系统系统为例分析失速尾翼的工作原理为例分析失速尾翼的工作原理McLaren 赛车鼻锥后方的入风口和尾翼之间的确存在某种形式的连接，这套系统通过鼻锥处的入风口为尾翼上层端板（副翼）的开槽喂食气流，由车手人工控制，在需要时制造尾翼失速，提升直道极速。McLaren F-duct 系统(车队内部的正式代号为 RW80)鼻锥位置的入风口鼻锥后方的入风口与车手脚部位置的导管相连，将气流引向下方，大概就在踏板的位置，可能性最大的方案是让导管沿刹车踏板/搁脚板逐渐下降，以避开座舱内强制安装的保护衬垫。导管上的开口同时还可为车手“降温”。至此导管还将继续向后延伸，绕
8、过油箱后上升，跨过气箱（或许刚好从引擎盖上的高位开口旁经过），最后经过鲨鱼鳍，到达尾翼上层端板。当车手移动腿/脚堵住开口，重新定向的气流会通过导管的其他部分最终到达尾翼上层端板（副翼）的开槽。经弯曲导管输送过来的气流一定足以干扰到尾翼下方正常流过的气流有效打散尾翼周围的气流。这就是 F1 空气动力学专家所谓的“失速”现象， 不过这里的失速和航空空气动力学领域中对“失速”的定义并不相同。失速时强劲的涡流将从翼片分离，这将大幅减小高度负载下 F1 翼片的阻力，使赛车的极速增加 3-4km/h。当车手准备入弯制动时，腿/脚的位置改变将打开内部导管上的开口，后方的气流会重新附着于翼片上产生下压力，当然
9、也不可避免的产生阻力，此时赛车翼片可以产生正常设定的最大下压力值。McLaren MP4-25 的 F-duct 系统内部导管开口的闭合由车手腿部控制迈凯轮的失速尾翼设计是相当高明的， 因为FIA禁止任何形式的可变形尾翼，但是迈凯轮在遵守规则的基础上却做到了和变形尾翼一样效果的空气动力系统。迈凯轮这套系统在整个工作的过程中， 没有任何一个空气动力学套件发生运动或者变形包括尾翼副翼上的开口，唯一运动的是车手，而车手并不属于车身部件。从规则的解读上看，这绝对称得上是天才般的创意，虽然似乎与规则的指导精神背道而驰。参考资料：1：杨维纮，力学与理论力学，科学出版社，2008.012：Craig Scarborough，气流控制的艺术：分离和失速，BarbiART，2010.043：佚名，迈凯轮失速尾翼 天才般的设计，2010.04
