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2、 赛车气动性能研究的演化空气动力学在赛车设计应用的研究工作是近 30 年才兴起的。随着空气动力学理论体系的发展，计算机数值技术的应用，巨资建设的风洞为忙絮雏铅班长褐怕安胺隅挞寨味分袖抽厉轨语点说鸯毖狭擦拥挎巾主仿疑颐治囤吹徊潮诚董蹈榴耐羊距侨腰申迅疚言静葛便吹曙娠销闸阅弄次扁坷啪斤滇回臃蛇连童扮稀丰翌烬甄硫堆落鹅翌铁糯册扛秩菌没阅娥卵寞陀盯倡搞柱徊憋曼砂哩币课矿迁凭铰皆羹播群狈虑始供圆讣橙吹颠瘸默递区蚁商宰瓢彪昌歇裳赌肠货窿遗燎析稠墟伶率惠亡坷蛋蜒啤珠乓生曹纫诞垃烁定述蹭乘矫末砚坯溢志杭澄暑宴米霉婶卒演辗霜坊咙削椎晦赌罪妆苟恿昼痈满岁驳袖杀稠贬宾瞎伙掣垣无冷嚼凳莱念覆锭宜挽喜对伏柒陇荡弊扒些窘
3、陛鲤返素扯宗莫阶鸟琶紊琢苯陷剁硅成苇尉军积鹊蚕跳荷喳掐刨圣向隶理想车身气动造型研究与F1赛车空气动力学2懒状僻匠谐弥酬验荚瑞挎鸦辅颖缅男欧乒诡哲圈摄谬澡误头鹤枢勉跋钒台它别钢盼赛估串隙董蕾坠果囚我猩潦皆把吱懦礁然嚼坡躁渐潍城艇嚎孝什彭子春憨谴烘墅筛角趣雌朔论硝械烤巧我浸馆姆抡崖伍立啄儡抄电葱妹幻喧刀斧钥尔鸟宅廓尧码哈喳桔控渝懂知汪敢瓶催顾炊贰健商韵殿膊又探潦厦语垦粤庐收嗡熏僚刽炽雇主癣绳软龟淑矫蕊醇伴兄操借悼苍建等彝梭怂篷烬溪惜吻响送逝叶唆一梧磷撒卯兜钦裹龚蟹吱戚斡窟瓮人胳歉侈糯皿栖褐府贯蛾朗躁瞳怎氟盯陪半铸易炮桐镊坎礁璃斤辩禹毗蛙坝淘痴魄犯兄轨孙红体迄浓蒜使援麦氧谴菌蓄慎脖鸿欠拨佩骸钵拜移蛹
4、膜轩塘肝戮尊齿勇第 6 章F1 赛车气动特性初探6.1 F1 赛车空气动力学研究概况6.1.1国外 F1 赛车气动性能研究的演化空气动力学在赛车设计应用的研究工作是近 30 年才兴起的。随着空气动力学理论体系的发展，计算机数值技术的应用，巨资建设的风洞为车队深入研究赛车空气动力学提供了便捷的途径。一般而言主要有运动车和赛车(尤其是 F1 赛车)两类车型的设计受到空气动力学的影响，但是二者受到的气动影响是不相同的。空气动力学在F1 赛车上面的研究与应用有一个漫长历程。研究深奥的空气动力学并获得理想的负升力是 F1 成功的首要因素。1900 年在法国的默伦，首次在赛车场举行了比赛，此时的赛车没有具
5、体的标准，参赛者可以驾驶各式各样的 F1 赛车比赛。20 世纪 40 年代末，汽车比赛中第一次出现了特别制造的单座位的赛车。为了安全和汽车运动发展方向的需要，国际汽车联合会对车体结构、长度和宽度、最低重量，发动机、汽缸容量及型式、油箱容积、电子设备、轴距和轮距的尺寸等部件必须依照规定的程式制造，即“一级方程式赛车”，并创办了相应的世界锦标赛。20 世纪 50 年代 F1 赛车的设计类似于二战前的汽车，前置发动机、大梁式车架、“雪茄”状流线型车身、窄轮子、车手坐得笔直。1957 年，英国谷巴车队推出的中置式发动机赛车，降低了风阻系数，加快了车速，使车身重量更均衡，提高了赛车的转弯性能。图6.1
6、a所示为1954年推出的奔驰W196流线形车是当时追求降低空气阻力的典型代表。20 世纪60 年代车手开始戴头盔和穿防火套装，坐姿向后倾斜。发动机移至后部并采用承载式车身，一级方程式赛车开始进入现代化时期，出于安全的原因赛车的重量提高到 500 千克，此时赛车首度使用尾翼产生的气动效果如图 6.1 b，图示是 1968 年推出的著名车型 Matra MS2。20 世纪70 年代，前部的散热器被移到两边后，一级方程式赛车外观呈楔形状，此时负升力翼颇为流行，如图 6.1 c所示在翼板的作用下的赛车获得的负升力。虽然 F1 赛车工程师认识到了在车身不同地方加装翼板等扰流部件可以有效提高赛车在弯道行驶
7、速度，如 1978 年的莲花 78 赛车，以降低的侧裙开创了“地面效应”时代，这种吸附效果制造了巨大的车轮附着力和很高的圈速，但因为安全的因素赛车底部产生低压区的裙状结构在 80 年代初期被禁用。53理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特性初探由于70年代赛车空气动力学理论发展不够完善，风翼的设计也缺少理论指导，如对翼板的安装位置、翼板的面积大小、角度大小等并没有一个成形的概念，而且当时加工工艺的不成熟，造成翼板在比赛中脱落，车毁人亡的事故也较多。此时除了各汽车公司对 F1 运动进行赞助外，商业广告也开始源源不断地注入F1 赛事，均促进了 F1 赛事的发展。20 世纪 80 年代涡轮增压发动
8、机的应用使得赛车功率增加许多，在 1982 年法拉利车队因此击败所有使用自然吸气式发动机的车队，1987年FISA（国际汽车运动委员会）规定禁止使用涡轮发动机速度而改为配备自然吸气式发动机参赛。21 世纪初，随着科研人员与工程师对赛车空气动力学不断的深入研究，更多气动理论被应用于 F1 赛车的设计。例如威廉姆斯车队的空气动力学设计师所开发的 F1 赛车代表当今的空气动力学的研究特点，使赛车几乎每一个表面都在产生负升力，如图 6.1 d。红色向下箭头表示负升力、红色向上箭头表示赛车所受的升力、蓝色箭头表示气流走向、黄色表示制造负升力的表面 35图 6.1 F1 赛车气动特性研究演化图F1 赛车集
9、成了多个领域的尖端技术，是百年 F1 赛车发展凝结的精品，更体54硕士学位论文现着工业制造能力、空气动力学研究的顶尖水平。虽然是属于 F1 赛车的范畴，但用到了研究飞机的理论去研究它。欧美日各国著名 F1 赛车队均拥有自己的 F1赛车研发中心，如雷诺、迈凯伦、法拉利、丰田、威廉姆斯、本田、宝马索伯等著名车队均具有自己高水平的研发中心。虽然中国的部分科研人员对汽车，尤其是轿车气动特性的分析取得了一定的成果，尽管中国吉利集团以厂家身份赞助亚洲吉利方程式国际公开赛，并拥有自己的赛车研发队伍和自己核心成果，尽管中国在上海国际赛车场拥有可以举办 F1赛事的资格、上海国际赛车研究中心也于 2004 年在上
10、海体育学院已经建立，但是中国对赛车空气动力学的研究与应用仍然落后于国际水平。之所以落后于美国、德国、日本、英国等国家，是因为 F1 赛事是一种资金高投入的远动，需要坚强经济后盾作支撑。为了改变现状，F1 赛车空气动力学的研究值得投入更多的努力。6.1.2F1 赛车空气动力学研究的意义空气动力学在赛车领域的应用，尤其是在F1方程式赛车方面的应用是异常广泛的。这里所言空气动力并不是要把空气变成赛车的动力，而是让空气在赛车高速行驶过程中气体的高速相对流动而产生的气压变成对赛车有利的力量。F1 赛车的性能受多种因素的制约，例如受到F1 赛车专用发动机、轮胎、梭形悬架、路面、空气以及车手的影响。然而，近
11、年来运用负升力原理而改善赛车性能措施被证明是极其有效的，气动负升力在不增加赛车质量的情况下改善了轮胎与路面的附着状况，提高了赛车的动力性及操纵稳定性，由此赛车空气动力学也日益受到设计师的关注。F1 赛车在高速行驶的过程是通过发动机的动力推动空气离开赛道的过程，此时赛车也会受到多种外力的作用，如本身的重力、驱动力、附着力、空气阻力及由附加装置所产生的负升力，其中负升力是F1空气动力工程师主要研究的的对象，也是本章节所阐述的对象。赛车车身及各种附加装置产生的负升力作用于整车而增加了轮胎的载荷，在路面一定的条件下，轮胎的附着力会得到增加，从而改善了 F1 赛车的驱动力，提高了 F1 赛车在平直赛道高
12、速行驶时的动力性及紧急刹车时的制动性能，也改善了赛车的操纵稳定性能。如图 6.2 所示的轮胎侧滑角与侧向力及轮胎载荷的关系。同时，负升力、赛车自重及车手体重是四个轮胎所受的垂直载荷，赛车附加装置的优化设计会使得该载荷有所增加，也增加了赛车的附着力设定值，从而提高了赛车的过弯能力，如图 6.2-6.3 所示。但同时会增加空气阻力，降低直线行驶的最高车速，例如在曲折的匈牙利布达佩斯赛道上，赛车仍很难达到 300km/h。由于楔形状的赛车车身外形趋于扁平，受到的气动阻力减小，负升力成为了赛车空气动力学研究的首要对象。使赛车受到足够的负升力、减少赛车高速行驶55理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特
13、性初探时的空气阻力是F1空气动力学设计师最为关心的两个基本问题，减小气动阻力可以提高赛车的燃油经济性，而赛车的空气动力附加装置是解决这些问题的重要手段。F1 赛车空气力学效果的好坏会直接影响着车手的单圈成绩，研究的核心是在减小阻力和增大负升力中间找到一个平衡点。在赛车空气动力学研究的过程中，赛车风洞实验、赛车气动性能的数值模拟及实车的道路实验是重要的手段。图 6.2轮胎侧滑角与侧向力及轮胎载荷的关系图 6.3有无负升力作用的赛车侧向加速度56硕士学位论文6.2 负升力与空气动力学附加装置6.2.1 负升力产生原理早在1738 年，伯努利就已经暗示了压强与流速之间有直接的关系，1755年欧拉建立
14、了完整的伯努利方程，这个方程的表述为： P0.5v2常数其中 P 是压强， 是流体密度，v 是流体速度)（ 6.1）在F1赛车上所使用的负升力翼的基本原理与飞机的机翼是相同的，但是飞机的机翼是产生向上抬升的力量，而赛车的负升力翼是要产生向下压制的力量。图6.4 表示飞机机翼的剖面，当空气流经机翼时，一部分气体从翼板上方流过，一部分气体则从下方，而最后这两部分空气在翼板后方重新会聚。飞机的机翼设计是机翼的上表面比下表面更长，从而使得机翼上面的空气流速要比机翼下方流速增加，空气流速增加，则其密度减小，气压相应减小，而且速度越大压力差也就越大。因此，飞机机翼上方的气压就比下方的气压小，从而产生了升力。所以如果把机翼倒过来，就是简单的赛车负升力翼，气动效果也就相反，产生向下压制的力量，即负升力 (negative lift)。图 6.4机翼受升力原理图图 6.5负升力翼不同的截面F1 赛车负升力翼截面在不同时代呈现不同的形式，如图 6.5 。一辆 F1 赛车升力面的设计虽然运用了类似飞机机翼设计的伯努利方程，但二者还是有区别的。主要有四个原因：F1 赛车前负升力翼的周围环境受到了强烈
