F1赛车中的空气动力学(三)

2013-9-12 14:47| 发布者: chenl| 查看: 3617| 评论: 0|来自: 研发埠

摘要: 在上两期的《F1赛车中的空气动力学》中,主要对基础知识和前翼做了简要的介绍,本期小编将为大家介绍尾翼及扩散器对赛车的影响。尾翼尾翼位于赛车末端,制造占全车30%的负升力。尾翼可以分为上下两个部分,上层尾翼...

在上两期的《F1赛车中的空气动力学》中,主要对基础知识和前翼做了简要的介绍,本期小编将为大家介绍尾翼及扩散器对赛车的影响。

尾翼

尾翼位于赛车末端,制造占全车30%的负升力。

尾翼可以分为上下两个部分,上层尾翼高耸在干净的气流环境中,下层结构又称作下横梁,负责提供额外的负升力。

                                             

尾翼算得上是最早出现的气动部件,上世纪60年代起,尾翼开始被安装在F1赛车上,此后便不断发展和演化,结构也越发复杂,本世纪初尾翼的上层翼片呈现出多翼片的复合结构,这种叠加翼片可以发挥出非常强大的功效。此后,FIA开始陆续颁布新的规则,简化尾翼设计,以此来降低尾翼提供的气动负升力。2004年,FIA将尾翼的上层结构减至两片,2005年又将上层尾翼的安装位置前移,2009年更是将上层尾翼收窄加高,限制在22cm高,35cm长,75cm宽的空间内。

尾翼的上层部分由两片组成,水平的翼片称为主翼,倾斜带有攻角的翼片称为副翼。

尾翼的工作原理与前翼大致相同,即利用翼片上下表面的流速差,制造气动负升力。

主翼与副翼之间保留一条开槽,将气流供应至翼面下方,从而提升整体的气动表现。

格尼襟翼(gurney flap)是前翼和尾翼上常用的一个附件。这是一小片直角碳纤维,贴在翼片尾端,通过在翼片后缘制造一对旋向相反的涡流,能够增加一点下压力,同时也增加一点阻力。

法拉利F2008尾翼上安装的格尼襟翼

有趣的是,虽然格尼襟翼在空气动力学上有很大作用,却往往只是简单地用一条胶带固定在翼片尾端的。这让车队可以在维修区中快速取下襟翼,以减小后部下压力,增加一点尾速。这在赛道由湿变干时很有用。

与前翼不同的是,尾翼位于车体的末端,因此副翼的攻角直接决定了翼片工作时伴随阻力的大小,而不是像前翼那样受到前轮的影响而呈现出整体气动阻力先升后降的趋势——F1赛车行进中有很大一部分阻力都是尾翼提供的,因此可以根据赛道特性调整副翼攻角以满足赛车在不同赛道下的需要。



迈凯轮MP4-23在摩纳哥采用的大气动攻角攻角尾翼

           迈凯轮MP4-23在蒙扎采用的极低负升力尾翼

    与之前在前翼中提到的问题相同,为了防止翼片在工作时高压面的气流翻转至低压面破坏产生的负升力,尾翼上也需要安装端板。尾翼的端板将上层尾翼和下横梁连接在了一起。

气流在流过上下翼面后,会在翼片的后方区域会合。由于两股气流存在速度差和压力差,因此这两股气流相接触后会形成螺旋形的涡流,涡流在尾翼的后缘交汇拓展,在潮湿的赛道条件下可以看到他们的尾迹。这种涡流会带来阻力,降低赛车的直线速度。一般来说,尾翼的上翼面大部分是高压,而边缘和下翼面是低压,因此F1的设计师们通过在端板的上层尾翼处添加百叶结构来平衡翼尖部分的气压,减小产生的涡流。


       迈凯轮在MP4-23上运用的设计也有类似的功效


扩散器

扩散器位于赛车的尾端,是车尾最低的气动部件。

与前翼和尾翼相比,扩散器被应用的时间相对较晚,但是扩散器却是目前公认的最有效的气动部件,因为与传统的翼片工作方式不同,扩散器工作时几乎不伴随阻力,因此强化扩散器工作效率也常常成为F1设计师提升赛车气动性能的核心要素。通常来说,扩散器可以为赛车提供40%的负升力。

所谓“扩散器”顾名思义,就是要造成气体的扩散,介绍扩散器的工作原理之前,我们有必要了解一下扩散器的结构及其与底盘的联系。

扩散器其实就是底盘末端的一段上翘结构,或者说是底盘末端的一个斜坡,但无论怎样理解,扩散器都是与赛车的底盘相连,亦或理解为底盘的一部分。


那么现在就请我们想象这样一个情景:由于底盘与地面的高度十分有限,因此底盘下方的气流处于一种“压缩状态”中,流速会比赛车的速度有所加快,当这股气流流出底盘,进入扩散器时,气流会由于康达效应顺着上底盘/扩散器的斜坡形状流动,这时问题就出现了:由于扩散器的体积比车底大得多,因此需要更多气体才能填补扩散器这一巨大“空缺”,因此车底被压缩的气流就会加速向着扩散器的方向流动,这样一来,就好比有一双大手将气流源源不断地从车底抽出,车底的气流也获得了更为强大的流速,根据伯努利方程,流速高的地方压强低,车底由于气流的高速运动而产生了低压区,结合外界的一个大气压,便获得了巨大的负升力。

说得再详细一些,车底的气流在刚刚流入底盘下方到流入扩散器之前被加速,而当气流注入扩散器后流速由于扩散器的容积增大而减慢,打一个不太恰当的比方,扩散 器只是给底盘下方被压缩的气流提供了一个释放的出口,进而诱导底盘下方的气流加速。因此负升力是作用在底盘上的,在扩散器的内部没有产生可观的负升力。


          250km/h时平面下部的大气压力分布

         气体在扩散腔内部的减速运动

扩散器的工作原理也可以用文丘里效应解释,换言之,扩散器与文丘里管十分相似,车底的气流从扩散器入口进入,扩散器入口背面形成低压区降低车体底部空气的升力,以此增加赛车的负升力。

扩散器最大的缺点注是对底盘与路面之间的距离要求非常严格,距离变化会对负升力产生巨大的影响,这也就是为会么民用车没有使用这种装置,高度越低越好,但一旦底盘接触地面将前后气流切断,扩散器立刻失效。


上图是扩散器角度为10时的阻力和负升力系数随着含有扩散器的类车体离地间隙变化而改变的插值曲线,由曲线可得负升力随着离地间隙的减小而增加,离地间隙与车长比值为0.02时扩散器失速点发生。经实验表明此处是扩散器区域气体入口,该区域的气动压力达到最小值,通过改变扩散器起始位置可以对赛车负升力中心加以控制。



                       压力系数与扩散器角度

研究表明赛车底部运动气流在扩散器起始位置发生分离,后在文丘里的影响下重新附着在扩散器的表面而流向尾部。针对这种情况,F1的设计师通常会给扩散器安装涡流发生器来保证气流的附着,强化扩散器的“抽气”效能,涡流发生器在航空领域中实际上是以某一安装角垂直地安装在机体表面上的 小展弦比小机翼,所以它在迎风面气流中和常规机翼一样能产生翼尖涡,但是由于其展弦比小,因此翼尖涡的强度相对较强。这种高能量的翼尖涡与其下游的低能量 边界层流动混合后,就把能量传递给了边界层,使处于逆压梯度中的边界层流场获得附加能量后能够继续贴附在机体表面而不致分离。应用在F1的扩散器上,涡流发生器通过形成混合涡而有效地阻止气流的过早分离,尽可能地使扩散器处于理想的工作状态,降低气流分离造成的负面影响。


                                                    

我们在扩散器区域看到的楔形翼片就是涡流发生器


扩散器内部的扩张曲线同样非常重要,曲线的曲率要经过严密的研究与实验,保证内部的气流顺畅的流经扩散器的顶部与侧边而不发生气流剥离。理想的扩散器其内部压力应该呈现平缓的变化。

对于扩散器而言,负升力的降低是由于混合涡的破碎和底部气流的分离。扩散器的容积越大,意味着其为赛车提供的负升力就越多。通俗地讲,假如一款扩散器的尺寸足够大,那么它在工作时就会吸引更多的气体来填补这一巨大的空缺,这样一来,就可以更多程度地带动底盘下方气流的加速,扩散器的“抽气”效能也就能更加突出。

为了提高扩散器工作效率,设计师们又想出了双层扩散器,废气驱动扩散器和康达效应排气等创新设计。

08年表现不佳的三支车队——本田、丰田、威廉姆斯,都不约而同地找到了新规则的漏洞,并拿出了他们的解决方案——双层扩散器。

双层扩散器一经推出,立刻在围场中引起轰动,各队更是争相效仿,2010年,双层扩散器几乎已经成为各支车队的标准配置,部分车队(比如法拉利)更是拿出夸张的设计挑战规则的底线,但是好景不长,由于双层扩散器引发的效果与FIA增加超车的目的背道而驰,2011年,双层扩散器被判为非法。

 

拓展阅读:

什么是格尼襟翼?

http://www.yanfabu.com/ap/bd/q/qv/id/13401

F1赛车中的双层扩散器是如何设计出来的?

http://www.yanfabu.com/ap/bd/q/qv/id/13403

F1赛车中,什么是废气驱动扩散器?

http://www.yanfabu.com/ap/bd/q/qv/id/13404

F1赛车中,什么是康达效应排气?

http://www.yanfabu.com/ap/bd/q/qv/id/13405

 

下一期中,小编将从气流传输过程中遇到的问题为大家介绍F1赛车的轮胎、悬挂、散热及辅助空套中的设计原理。

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