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F1赛车的流体力学理论与空气动力学

2013-09-12 14:38  汽车生活 作者:综合报道 出处:AutoV 责任编辑: 罗斐  

  在前面的文章里,我们介绍了流体力学的部分理论常识,讨论了前翼尾翼和扩散器的工作特性,并以提高扩散器工作效率为出发点介绍了双层扩散器,废气驱动扩散器和康达效应排气等创新设计,作为全文的终结篇,本期笔者将谈一谈气流在传输过程中所遇到的问题,并对即将到来的2014赛季进行展望。

  在气流的传输过程中,分为几个阶段。对于刚刚接触前翼的气流,分为两个部分:两侧的气流负责在前翼上产生负升力,而中央部分的气流则从鼻锥下方流入车底,这被 理解为气流的第一次拆分;紧接着,流入底盘下方的气流在经过鼻锥下方导流片的加工之后到达位于单体壳下方的铲头总成,在这里,气流将被进行第二次拆分,一部分流入车底(注:由于的赛车底盘呈阶梯状,即单体壳与基准面有高度差,此处的车底应理解为基准面的下方)这股气流最终将被扩散器从车底抽出,另一部分则被铲头总成一分为二,经由侧箱底部向后流动,到达“可乐瓶”区域,最终到达车尾。

  然而在气流流动过程中是有很多问题需要解决的,接下来我们就谈一谈几个敏感的部位:

轮胎

  轮胎对于F1的设计师来说是一件比较头痛的事。一方面,它作为赛车的必备组成部分,负责将赛车制造的负升力传递给路面,另一方面,这个不可或缺的组件却给赛车的所动布局带来额外的麻烦。想想看,在赛车高速行驶的状态下,气流撞击到轮胎上会产生多大的阻力,而车轮在飞速旋转过程中又给周围的气流环境带来多大的扰动。

  对于前轮而言,一方面,车队会选择在前翼上多做文章,而另一方面,车队往往会用新的举措来降低前轮区域的气流扰动,从前翼的角度来说,工程师可以在不打破前后负升力平衡的前提下增大襟翼的攻角,这在一定范围内被证明是可以有效降低车身阻力的。(我们在前翼的部分里提到过)此外,设计师还通过在前翼上设置倒L形的导流片来诱导气流避开前轮。

  从其他角度讲,车队也往往会拿出一些解决前轮气流环境的新方案,比如2007年法拉利轮毂盖,这个封盖可以在不转动的状态下管理轮胎区域的气流;又如近年来红牛/威廉姆斯使用的吹气螺栓,它可以将轮胎内侧的乱流引至车轮外侧。

  对于后轮,在09年之前大部分车队都会选择在后轮的前方安装卷边小翼,这样在产生负升力的同时也避免了撞击前轮,可谓一举两得,然而在09版之后的规则中,车队是禁止在这一区域安装任何翼片的,所以后轮不得不暴露于外界的气流环境中,目前车队的做法是尽量让侧箱的末端收得更紧,使部分气流能够顺着车体形状向可乐瓶方向移动。

悬挂

  与轮胎相同,悬挂结构也是车体必备组件,由于其大部分结构暴露于车体外部,因此设计师对于悬挂系统也有气动上的要求。

  悬挂的叉臂一般都被处理为扁平的形状,这在行驶过程中可以很好地梳理气流,同时把控气流的流向。

  悬挂根据弹簧和阻尼器等组件的安装位置有推杆和拉杆两种。

  拉杆式悬挂外部部分结构整洁简单,更有利于气流的传输,但是调校和设置的更改上不如推杆结构来得方便。对于不同时期的规则,车队有不同的选择。

  就09版的技术规则而言,拉杆式后悬挂几乎成为了每支车队的标准配置,毫无疑问,这种结构对于可乐瓶区域的优化是巨大的。

红牛RB5使用的拉杆式后悬挂

  而拉杆式前悬挂虽然也被认定可以带来气动优势,但却由于操作难度过大而在车队中鲜为使用,目前只有法拉利和迈凯伦在使用拉杆前悬,效果……

除了推杆与拉杆的差异,悬挂系统的另一个关键节点就是龙骨的设计。

雷诺使用的V型龙骨

  F1的悬挂可分为单龙骨、双龙骨和零龙骨三类,从机械结构上来说,有龙骨的悬挂可靠性强,可以更好地展现工作效果,但是零龙骨悬挂可以在气动的角度为底盘下方创造出干净整洁的气流空间。车队在龙骨的选择上也是自由的,09年之前,几种方案都在围场中有过应用,比如雷诺R25就采用的单龙骨(V型)设计,而其竞争对手迈凯伦MP4-20则采用了零龙骨。

  对于09年以后的赛车,在新的规则下,任何车队都 意识到了底盘下方的气流环境是何等的重要,因此目前零龙骨悬挂是比较主流的设计方案。

关于散热

  冷却是F1赛车上需要作出最大妥协的部分之一,是任何设计师都必须处理的问题。这里的妥协是指需要在保护“引擎的安全”和“净化”气流之间找到平衡点,也就是说如果某一天我们的F1引擎不需要冷却了,那赛车的整个侧箱都可以全部拿掉,更不用在侧箱上开孔或者架设烟囱,为之带来的乱流而费神。

  一辆F1赛车的散热方案是根据根据引擎释放的无效热量来考虑的。为了保持冷却气流的有效工作,如果进入的气流比例为25%的话,那出口比例必须达到30%。而且需要知道的是,在这个区域(侧箱),任何的冷却气流都可以制造下压力,所以必须合理的控制冷却气流的利用,多用将意味着下压力的浪费。如果一辆赛车不需要冷却的,任何一个设计师都可以制造足够的下压力。

  在过去的几年中,新材料的应用让引擎的安全运转温度提高了100~125摄氏度,这意味着冷却的难度降低了一些,但是现在F1在处理冷却问题上仍没有得到致臻完善的程度,特别是在冷却气流的出口处。

  现在的设计师倾向于关闭尽可能多的空气出口,来保持流向尾部的气流更“干净”,让尾翼的工作更加有效。这样,便可以让车身下压力的损失将至最低点。1998年,迈凯轮在赛车上首次采用了散热烟囱,如今几乎每一支车队都开始使用这项设计。但是雷诺R25在使用烟囱的同时,还在侧箱上开了大量的散热孔,而迈凯轮的开孔则使用的很少。实践证明,这二者都是非常有效的。

      威廉姆斯车队使用的散热烟囱

雷诺R25采用的鳞片状散热结构

  在V10引擎的年代,散热被看作是赛车设计的重中之重。效率低下的散热装置不仅会损耗引擎的使用寿命,更严重时可能直接造成车手因爆缸而退赛。为了防止这种情况的发生,各支车队都争相设计复杂的散热方案,但即便如此,引擎爆缸的事故仍然时有发生。比较典型的例子比如迈凯轮MP4-20。

  随着技术的发展,设计师开始逐步优化F1赛车的散热设计,比如,迈凯轮MP4-22将散热烟囱与侧箱导流翼片连成一体,在工作的同时还可以加工和梳理侧箱区域的气流。

  09年以后,随着散热烟囱等部件的禁止,散热出口的面积已经远不如之前来得夸张。每支车队都有自己的散热方案,散热出口的位置也五花八门。目前,工程师仍在针对散热装置进行细微的升级来提升赛车的气动表现。

辅助空套

  最后来说一些安装在赛车上用于辅助提升赛车气动表现的小组件。

  09年之前的赛车几乎布满了翼片,在赛车的若干个平面上都可以产生负升力。然而在09年以后,FIA废除了车身上的大部分翼片,因此目前这部分组件的研发正在不断定向并细化。

  首先我们来说一说侧箱底部的前导流板,08年之前这个组件拥有巨大的体积,因此其工作时可将可观体积的气流送到需要的地方。但是09年之后这个组件的大小被大幅度缩水了,因此车队迫切需要提升导流板的传输效率,一方面选择符合需求的气动外形,另一方面则在该组件上进行细化处理,例如在组件上安装若干个锯齿边缘,通过产生小的涡流来加速气流的下洗。

法拉利F2007的侧箱导流板

  迈凯轮MP4-22的侧箱导流板

  然后再说说后视镜,如果从气动角度来分析,后视镜绝对不是一个可以带来收益的部件,在行驶时后视镜会严重破坏座舱区域的气流。因此有的车队选择把后镜装在侧箱的边缘,然而这样后视镜就离车手太远了,不仅不利于车手驾驶,而且还会剧烈摇晃,因此在2010年的中国站之后,FIA统一要求将后视镜安装在座舱的位置。但是仍然有车队在这上面做文章,比如法拉利F2012在欧洲站使用的后镜,设计师通过将支柱外移来减小该区域的气流扰动。


 

法拉利F10的后视镜安装在侧箱的两侧

  最后说一说座舱和侧箱区域的翼片,这部分部件是在2012年之后才开始发展起来的,用于搭配康达效应的侧箱,在这些小翼片中,有纵置的引导气流走向、制造涡流提高能量的导流片,(比如迈凯伦和威廉姆斯的侧箱上安装了3-4组这样的翼片),也有用于梳理气流,创造气流下洗的横向翼片,(比如索伯的横向肩翼和红牛、莲花采用的翼片),这些翼片都会优化侧箱上表面的气流环境,搭配康达排气来提升赛车的气动性能。

威廉姆斯的侧箱纵向导流片和红牛座舱旁边的气流梳理条

  在全文的最后,针对2014年的技术规则做一点不负责任的气动方面的预测:

  1.鼻锥高度降至185mm,与之前的550mm相比,降低的鼻锥将使得车身(特别是车尾)的气动表现大大降低。现有的设计思路无法展现预想工作效果。(推测可能有用于引导气流的装置)

  2.前翼收窄,由1800mm收窄至1650mm,新的前翼会使得赛车前轮会有一半暴露在气流环境中,如何处理前翼端板值得期待。(是外流还是内导?)

  3.单根排气管且出口向上,会加大废气送到车尾气动部件的难度,但是规则没有规定排气管必须要安装在赛车底盘的中心线上,所以预计可能会有车队采用激进大胆的排气设置。

  4.尾翼被减薄,下横梁被摘除,车尾的负升力性能全面降低。

  可见,2014年的赛车是在2009年基础上基于引擎与气动组件的又一次全面倒退,同样,止损将成为2014赛季的主流课题,并且在短时间内可能会呈现出与现在大为不同的新格局。由近几年的发展轨迹推断,在起步摸索阶段最早适应并提出创新理念的车队仍有机会在接下来的几年内保持竞争力。新的格局、新的开始。这一次,胜出的会是谁呢?

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