一文洞穿赛车背后的空气动力学

2019-8-30 09:13| 发布者: weixin| 查看: 1324| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 我们先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。

　　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，我们先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。

　　1. 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。

　　2. 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

　　3. 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)。

　　4. 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。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。

　　气流在通道关、开两状态下对尾翼后部气流的影响

　　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。

　　在生活中各种空气动力学的理论常被应用在赛车的设计当中，让我们一起来欣赏一下10大杰出的空气动力学设计。

　　NO.10 兰博基尼Murcielago

　　Murcielago是奥迪收购兰博基尼之后设计的第一款作品，这款车最大的亮点就是发动机旁边的进气口在行驶状态下会自然升高，风阻系数在进气口关闭时为0.33，展开时则为0.36。

　　NO.9 迈凯伦720S

　　迈凯伦720S的车门采用双层真空设计，可以帮助引导气流吹向高温散热器，车头前杠也有扩散器，被加热的空气会通过侧边的出风口吹到车外侧，防止热空气破坏整车的下压力，在需要的时候，可变尾翼仅需半秒钟就能向上抬起，为车辆制动提供帮助。整车的设计上，新车相比650S空气动力学效率提升一倍，下压力增加50%。

　　NO.8 奔驰Concept IAA

　　奔驰Concept IAA概念车的风阻系数仅为0.19，当车速达到80公里每小时，该车在空气动力模式下可以改变自身的形态，轮毂也是可以改变形态的，静止的状态轮毂是突出的，大概为55毫米，当空气动力学启动的时候，就会降至0毫米。

　　NO.7 帕加尼Huayra

　　帕加尼Huayra最大的亮点就是其空气动力学设计，多孔的前格栅后方是一对与车体融于一体的副翼，再连同车尾的一对副翼，它能根据车速、偏航角、横向加速度、转向角，来调整每个副翼角度，以帮助车辆获得最佳的空气动力学性能。

　　NO.6 阿斯顿马丁AM-RB 001

　　这台超级跑车有着极致的空气动力学性能，全碳纤维材质的前翼子板采用了超大口径的导流槽，有效地将车辆高速行驶而产生的高压乱流排出轮舱，并辅助刹车系统降温。后翼子板也拥有相同作用的导流槽，并与前方导流槽相贯通，让气流经过驾驶舱底部的两条通道传导至车尾。

　　NO.5 福特GT

　　福特GT可以说是将空气动力学发挥到了极致，全车外观没有一处是为了装饰而设计，每个线条都有着实际作用，为了降低风阻，设计师将驾驶舱设计成了水滴状，因此内部空间也就局促了不少。

　　NO.4 法拉利laferrari

　　laferrari采用了F1的空气动力学技术，车前鼻翼的设计显然取自于F1赛车，可以有效地提高下压力。而车尾轮拱的两条凹槽负责导出来自发动机舱的热空气，同时进一步增加车尾的下压力。后轮拱板顶部的一对发动机进气口可提高动态冲压效应，可使最大功率输出提升5马力。

　　NO.3 科尼赛格one:1

　　科尼赛格one:1的售价高达1亿元，巨大的尾翼就像是直接从战斗机上移植而来，尾翼在减速时会升至25°夹角，让空气帮助减速。当车速在250km/h-440km/h时，车身高度会发生改变，车速在440km/h时车头高度会比尾部高，以此来减小空气阻力。

　　NO.2 布加迪Chiron

　　Chiron逆天的空气动力套件能够让大量空气流经发动机及刹车盘以便带走多余的热量。此外，这台发动机的进气量也相当惊人，官方称发动机每分钟能够吸入6万升的空气，超过了一个正常成年人两天的呼吸量。

　　NO.1 F1赛车

　　F1赛车的气动阻力系数在0.7和1.0之间，比家用轿车还高，但这主要是为了获得更多的下压力，赛车在空气动力套件的协助下，速度达到129km/h后产生的下压力可以等于其自身的重力，而从理论上来说，当车速大于162km/h，赛车将能够紧贴在隧道顶部行驶。

　　来源：工程事公众号(ID：gctechshow)

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