F1方程式赛车空气动力学.docx

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1、Fl方程式赛车的空气动力学班级：学号：姓名:年月号引言空气动力学在向颖域中扮演着重要的角色,在引擎的研发相对稳定的下，空气动力学几乎主宰挣一辆赛车的全部性能“从上纪六十年头FI奖车第一次运用尾翼，到七十年头地面效应的引进，再到近些年双层Ir敢器、废气骤动扩散器等设计的提出,空气动力学在短短的几十年时间里取得了长足的进步，几乎可以与航空工业并驾齐%.挽至有超越后齐的势头.空气动力学是流体力学的一个曲要分支，主要探讨空气或其它气体的运动规律、空气或其它气体与E行器或其他物体相对运动时的相互作用和伴随产生的物理变更。Fl的空气动力学主要探讨下压力，阻力和灵敏度:个方面，其中，提高压力是提升弯中表现的

2、有效手段，降低阻力是获得高尾速输出的必要手段，灵敏性又称收落度，主要探讨空气动力学环境变更而导致的自身变更的强度.准确地说，就是探讨由路况差弁而导致的气动翼片与底盘间距的变更对赛车性能的干预走弱.前翼前翼是安装在车体最前端的气动附加装置，它不仅负费制造赛车前部的卜压力,还影响向后流淌的气流的走向.Fl褰车的前典的工作受到多种因素的膨响苜先，作用在翼面上的气流并不是志向状态的，风逑，风向那时刻变更，且不确定，此外,养车在弯道中行驶时,作用在翼面上的气流会发生横向的偏转和移动，形成不稳定的流场，这不仅降低了前翼产生的气动负升力的效率，还影响到了前翼后部的气流环境，不利于气流的正常传输。人类在流体力

3、学的探讨过程中始终在发展.进步，在可以产生气动负升力的翼形的探讨中更是如此，先后出现了伯努利，牛顿等不同时期的翼形，这翼形在气动性能上也不断提升，今日Fl型车所采纳的主襟嵬结合的翼形就是人类经过长期探究换来的才智结晶，这种翼形不仅成熟,而且有效。DornoulliTodeyNewtonFl赛乍在裔速行驶时，流过前翼所在区域的气流被前前调分割为两部分：一部分从鹿片的上表面流过，另一部分则流过翼片的下发面，这两股气流依附在典片上流淌，最终在前乳后方的某区域名新汇聚.两股的气流的区分在于，由于襟为与主翼星一个很大的做角，因此襟翼掘芍较大的迎IA面枳，在气体的流涌过程中.翼片上表面的气流在流淌中受到了

4、阳W.流速有所降低，而货片下表面的气流则可以在无阻碍的状态下顺当通过，结合前文提到过的运用在气体领域的伯努利方程P+12p1.=R,上%面的气流流速低，压演大，下翼面的气流流速高压强小，两者作差，即产生了我们所需的气动负升力.襟翼的气动改用越大，对翼片上方的气流的阻倒作用也主越明显，上、卜翼面的流速差就越大，产生的气动负升力就越大.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，上层足翼高耸在干净的气流环境中，卜层结构又称作卜横梁，负责供应额外的负升力。尾翼算得上是最H出现的气动部件,上世纪60年头起，足典起先被安装在FIA车上，此后便不断发展和演化，结构也更加困难，

5、本世纪初尾翼的上层翼片呈现出多况片的更合结构这种叠加翼片可以发挥出特别强大的功效.此后，FlA起先接连软布新的规则，简化尾试设计，以此来降低尾翼供应的气动负升力.2001年，FIA将尾翼的上层结构域至两片，2005年又将上层尾翼的安装位比前移2009年更是将上层尾翼收窄加高,限制在22s高,35cm长，75Cm宽的空间内,气流在流过上下熨而后，会在典片的后方区域会合.由于两股气流存在速度度和压力旌，因此这两股气流相接触后会形成螺旋形的涡流，涡流在尾轼的后续交汇拓展，在湖湖的骞道条件下可以看到他们的足迹.这种涡流会带来阻力，降低至军的直跋速度.般来说，尾典的上翼面大部分是耳压,而边缘和下举面是低

6、压，因此FI的设计师们通过在端板的上层足翼处添加百叶结构来平衡更尖部分的气压，减小产生的涡流.2011年,FIA为了提高.竟赛的欣赏性，引进了DRS可圜尾舞。用于增加竞变过程中的超越次数，这套装置的原声很简洁：通过技术手段（通常是利用液压装置来限制）在须要的时帔将上层尾典的副典展平，这样就消退了副翼的气动攻用,减小了副我相对气流的正对面积.因此就很好地起到了减限的效果。扩散器如故等位于赛车的尾端,是车尾最低的气动部件。与前翼和尾巩相比，扩散器被应用的时间相对较晚,但是扩侬器却是目前公认的的有效的气动部件，因为与传蜕的优片J：作方式不同,如敢潺工作时几乎不伴随阻力，因此强化#股器工作效率也经常成

7、为Fl设计伸提升霹车气动性能的核心要素-通常来说，扩散器可以为赛车供应40%的负升力.犷敢器与文丘里管特别相像，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，以此增加实车的负升力.探讨表明赛车底部运动气流在扩散器起始位置发生分别，后在文丘里的影响卜重新相芾在扩散器的发血而流向尾部.针对这种状况，Fl的设计师通常会给扩散涔安滨涡流发生器来保证气流的附着，强化扩散落的“抽气”效能,涡流发生器在航空领域中事实上是以某安装角垂直地安装在机体表面上的小展弦比小机贝，所以它在迎风面气流中和常现机货一样能产生翼尖涡流，但是由于其展弦比小，因此施尖漏流的强度相对较强，这种高能柚:

8、的翼尖湖流与其下游的低能量边办层流淌混合后，就把能麻传递给了边界层，使处于逆压梯度中的边界层流场获得附加能量:后能够接衣贴附在机体表面而不致分别.应用在Fl的扩散器匕涡流发生器迪过形成混合涡流而彳效地阻挡气流的过H分别，尽可能博使扩散器处于志向的工作状态，降低气流分别造成的负面影响.轮胎轮胎对于Fl的设计师来说是件比较头痛的事.一方面,它作为奥乍的必备组成部分.负或将褰车制造的负升力传递给路面，另方面,这个不行或缺的祖件却给看年的所动布局带来额外的麻烦.试想一下，在型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四周的气流环境带来多人的扰动。对于前轮而吉,一方

9、面,军队会选择在前费上多做文章,而另一方面，车队往往会用新的举措来降低前轮域的气流扰动，从前翼的珀度来说,工程师UJ以在不打破前后负升力平衡的前提下增大襟典的攻角,这在肯定他国内被证明是可以有效降低车身阻力的，（我们在前翼的部分甲:提到过）此外，设计师还通过在前翼上设置倒1.形的导流片来诱导气流避开前轮.对于后轮.在09年之而大部分军队椰会选择在后轮的前方安装卷边小!这样在产生负升力的同时也避开了撞击的轮，可谓一箭双限,然而在09版之后的规则中,乍队是禁止在这一区域安装任何典片的，所以后轮不得不暴源于外界的气流环境中,目前车队的做法是尽M让假箱的末端收得更紧，使部分气流能终顺箭下体形态向可乐瓶

10、方向移动.悬挂与轮胎相同，悬挂结构也是车体必需祖件，由于其大部分结树然乐于车体外部，因此设计师财于悬挂系统也有气动上的要求.M挂的叉野般椰被处理为扁平的形态，这在行骁过程中可以很好地梳理气流,同时把控气流的流向。悬挂依据邦贺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转齐简洁，更有利于气流的传输,但足调校和设用的更改上不如推杆结构来也便利.除了推杆与拉杆的差片，悬挂系统的一个关键节点就是龙科的女计.Fl的悬挂可分为单龙件、双龙骨和缪龙骨三类，从机械结构上来说,有龙骨的悬挂牢藁性强,可以更好地呈现工作效果，但是冬龙令悬挂可以在，动的角度为底盆下方创建出干净整齐的气流空间.散热

11、冷却是FI卷车上须要做出最大妥仍的部分之一，足任何设计航都必需处理的问题。这里的妥协是指须要在爱护“引祭的平安”和“净化”气流之间找到平衡点，也就是说假如某一-我的的FI引擎不须要冷却了.那赛车的整个|箱都可以全部拿掉,更不用在侧箱上开孔读者架设烟囱,为之带来的乱流而费神.辆Fl舞车的敢热方案是依据引倏择放的无效热盘来考虑的，为了保持冷却气流的有效1：作，假妇进入的气流比例为25%的话，居出口比例必甯达到30%而口须要知道的是,在这个区域（侧箱），任何的冷却气流都可以制造下压力，所以必需合理的限制冷却气流的利用，多用多意味着下压力的言侈.假如一辆赛车不须要冷却的，任何一个设计师都Ur以制造足城

12、的下压力.在过去的几年中，新材料的应用让引擎的平安运於温度提回了100125摄氏度,这JS味着冷却的难度降低了一些，但跟现在Fl在处埋冷却同四上仍没讶得到至建完善的程度，特殊是在冷却气流的出口处。现在的设计师陋向于关闭尽可能多的空气HH1,来保持流向足部的气流更“干净”,让尾翼的工作更加有效.这样.便可以让车身压力的损失将至最低点.1998年,迈凯伦在至车上首次栗纳了散热烟囱，如今几乎班支车队都起先运用这项设计.但是雷诺R25在运用烟囱的同时，还在侧箱上开了大M的散热孔，而迈凯伦的开孔则运用的很少.实践证明.这二苕都是特别有效的.在VIO引擎的年头，散热被看作是娈下设计的重中之取，饮率低下的散

13、热装置不仅会损耗引率的运用寿命，更严坡时可能干脆造成车手囚犀缸而退需.为了防止这种状况的发生，各支车队都争相设计网难的散热方案,但即便如此，引浆爆缸的事故仍IH时有发生.l石技术的发展，设计师起先逐步优化Fl赛车的散热设计，比如,迈凯轮MP4-22将散热烟囱与侧箱导流相片连成体,在工作的同时还可以加工和梳理例箱区域的叮沈。协助空套忏先我们来说说偏箱底部的前导流板，08年之前这个组件拥疔巨大的体枳，因此其工作时可将可观体积的气流送到须要的地方.但是09年之后这个已1件的大小被大幅度缩水r.因此车队迫切须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

14、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.然后再说一说后视镜，假如从气动角度来分析，后觇镜行定不是一个可以带来收益的部件在行驶时后视镜会严竣破坏座舱区域的气流.因此布的车队选择把后镜装在例箱的边缘.然而这样后觇境就因乍手太远了，不仅不利于车手驾驶，而且还会猛烈摇摆，因此在2010年的中国站之后，HA统一要求将后视镜安装在座舱的位置.但是仍旧有车队在这上面做文章,比如法拉利F2O12在欧洲站运用的后镜，设计师通过将支柱外移来及小该区域的气流扰动.呆终说说座舱和侧箱区域的翼片，这部分部件是在2012年之后才起先发展起来的，刖于搭配康达效应的信箱,在这些小典片中，行纵置的引导气流走

15、向、制造涡漉提高能尿的导流片,（比如迈凯伦和威摩姆斯的侧箱上安装了34组这样的翼片）,也有用于梳理气流，创建气流下洗的横向虱片，（比如索伯的横向肩翼和红牛、莲花采纳的奥片），这些典片都会优化恻箱上表面的气流环境，搭配朦达排气来提升赛乍的气动性能。结束语流体力学在Fl赛乍外形优化设计上有重要的应用，可以提高其空气动力学特性以提高Fl赛乍性能.空气动力学还可进一步进行Fl赛车的操纵桧定些.空气嫌用.持、进气管道等多方面的深化探讨.参考文献1. 张兆顺，崔桂杏,湍流理论与模拟【W.北京：清华高校出版社，2005:214-2162. 何映林.逆向:程CAD建模理论、方法和系统M.北京：机械工业出版社，

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