理想车身气动造型研究与F1赛车空气动力学2

1、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，此时的赛车没有具体的标准，参赛者

2、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 a所示为1954

3、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速度，如 197

4、8 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 年代涡轮增压发动机的应用使得赛车

5、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 赛车集成了多个领域的尖

6、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 年在上海体育学院已经建

7、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。F1 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，近年来运用负升力原理而改善赛

8、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 赛车在平直赛道高速行驶时的动力性及紧急刹车

9、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 赛车气动特性初探时的空气阻力是F1空

10、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年欧拉建立了完整的伯努利方程，这个方程的表述为：

11、 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

12、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地面效应的影响；相比于飞机机翼的展弦比而言，四轮暴露于空气中的赛车后负升力翼的展弦比具有较小；负升力翼与赛车的其他部件，例如车身、车轮及其他附加装置等，有着相互作用，从而改变了 F1 赛车的外部流态，外流场的参数也发生了改变。空气动力学附加装置F1

13、 赛车能在 5 秒之内瞬间加速到 200km/h 以上，最大过弯侧向加速可达 G，极速最高可超过350km/h，这样高的速度与过弯能力，除了需要优异的悬吊设定来让轮胎尽可能的保持与跑道路面接触之外，更要有足够的负升力来使轮胎产生足够的附着力，否则动力再强大，在过弯时也将无从发挥。楔形赛车底盘的设计是气动负升力和气动阻力的平衡为基础，车身外形趋于扁平，使得赛车气动阻力减小，质心位置降低，车身本身可以作为产生负升力的理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特性初探部件，提高了赛车的操纵稳定性，然而最值得关注的是各种空气动力学附加装置。产生负升力的区域主要集中于赛车的三个具体的区域，即前负升力翼装置、

14、底盘、后负升力翼装置，如图 6.6。这些区域也是车队工程师不断精细化的对象。图 6.6负升力产生的主要区域.1 鼻锥影响F1赛车稳定性的最重要因素是修长而扁平的鼻锥，它是赛车车身的前半部分，决定着通过车身上下方、散热器、后负升力翼气流比例和方向的关键性部件。导流有效、承载前负升力翼、加快更换负升力翼的速度及撞车时保护车手的安全是鼻锥的基本要求。例如迈凯伦车队的 F1 空气动力学工程师在 2001 年设计使得鼻锥的下垂角度比较大，更低的鼻锥使前部气流的阻碍可能性降低到很小的程度，气流在流过鼻锥之后直接经过悬挂两侧及单龙骨下沿抵达扩散器，可以产生较好的气动效果，如图 6.7 所示。图 6.7迈凯轮

15、车队试验赛车的新型前鼻锥.2 前负升力翼图 6.8 Tyrrell 引入的高前鼻翼设计前负升力翼产生较大的负升力可以抵消一部分气动升力，增加车轮的地面附着力，改善高速F1赛车的轮胎转向性能，从而使赛车加速或减速时提高发动机功率的利用率，同时还可部分平衡由后负升力翼引起的车头上仰力矩的影响。前负升力翼可以提供给赛车 30%的下压力，对 F1 赛车起着至关重要的作用。前负升力翼影响赛车转向性能。因为后置的F1赛车引擎使得赛车的质心相对后移，赛车前部比较容易上扬，而且前轮是转向轮。若后轮附着力很小，则使得赛车可能放生转向过度，如图6.9；若前轮不能与地面充分接触，赛车的转向则不能完全按照车手实际的操

16、控来实现，最常见的就是转向不足（比如同样打90方向，正常的赛车可以转 90，而转向不足的赛车可能只能转 80，如图 6.10），两种状况均降低了赛车的操纵稳定性。图 6.9赛车转向过度硕士学位论文图 6.10赛车转向不足图 6.11前负升力翼襟翼图 6.12C、C与的关系图 6.13 C、C与的关系前负升力翼襟翼，如图 6.11。图6.12 表示，在翼面几何尺寸不变的条件下，总的负升力C与前翼负升力 C随襟翼迎风角变化的曲线，不难得出前翼负升力 ClW与襟翼迎风角呈线性关系；图6.13表示总的气动阻力CDtot 与前翼气动阻力 CDw随襟翼迎风角变化的曲线37。前负升力翼地面间隙与负升力系数、

17、风阻系数。图 6.14升力翼离地间隙对负升力系数、风阻系数的影响.3 后负升力翼理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特性初探后负升力翼的作用是增加F1赛车后部的负升力，改善赛车驱动轮的附着性能，以提高赛车的起步加速性能和入弯道前的制动性能。翼板的长、宽、高尺寸应分别控制在100mm、500mm、800mm之内。单尾翼、双尾翼、弹性尾翼是后负升力翼面的不同形式，如图 6.15。双尾翼是增加超车的最佳解决方案。前的 F1 赛车之所以难以超车是因为如今F1 赛车所需要的绝大部分的下压力，都来自于车身的空气动力附加装置利用气流产生的负升力。而当一部赛车紧随前面赛车时，经前车干扰后的气流就很难使后面赛

18、车将其转换为空气下压力。双尾翼的设计可以使一部紧随前车的赛车得到更多的可利用气流以产生下压力，同时也可以减少阻力。这种独特设计的目的就是能够帮助后面的赛车更容易紧跟前面的赛车。如果想超过前一辆赛车，必须单圈速度比对手快上两秒，但采用双尾翼后，可能即使慢上半秒都能实现超车，慢车可以很好地利用到前车的气流，这就是增加超车的最现成的方法，对比图 6.16和图 6.17，双尾翼尾部区域的负压更为明显，有利于赛车超车，增加了观赏性。图 6.15双尾翼形式的赛车图 6.16单尾翼赛车尾部压力分布云图图 6.17双尾翼赛车尾部压力分布云图硕士学位论文图 6.18后负升力翼离地高度对 C的影响图 6.19初期

19、阶段后负升力翼后负升力翼与车身表面的距离是一个很重要的参数。较小的距离造成车身表面形成局部方向向上的负压，从而减小负升力翼的作用；较大的距离虽然使 F1赛 车 上 方 可 以 不 受 车 身 气 流 干 扰 而 较 好 地 发 挥 作 用 （ 早 期 赛 车 大 多 如 此 ， 如 图6.19），但因为后负升力翼支架过长，在高速行驶时产生剧烈振动甚至导致断裂而发生事故。国际汽联为此曾规定安装的负升力翼的最高点离 F1 赛车悬架的下平面高度不得超过 800mm，为了使后负升力翼能起到较好的效果，通常用后负升力翼距离 F1 赛车表面的高度 h与 F1 赛车轴距 l之比来描述，一般取0.25 h /

20、 l 0.62 。图6.18表示了后负升力翼离地高度对 CL的影响，离地高度越大，其 CL值越小；当h/c 1 后， CL值基本不变。后负升力翼与车身表面的距离对跑车和F1赛车的气动参数的影响是截然不同的，如图 。图 6.20 h 对跑车-C、C的影响.4 扩散器图 6.21h 对 F1 赛车-C、C的影响基本不可压缩流体理论表明任意一个近地面的物体在运动时均会受到空气所施加的负升力。对于F1 赛车而言，负升力是通过制造气流压力差而让赛车保持足够的附着力，进而可以充分提高发动机功率的利用率、改善赛车的动力性能。虽然赛车的前翼、侧翼、尾翼可以产生负升力，但是车尾扩散器的设计是值得关注的细节，如图

21、。因为它影响着赛车的气动负升力，进而影响着赛操纵稳定性 38。理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特性初探扩散器是赛车发展史中最有效率的空气动力部件，它不会像其他负升力翼在产生负升力的同时伴随产生一定的空气阻力，扩散器理论上几乎不产生阻力。扩散器的原理和吸盘差不多，即被压缩在很小空间的气流(底盘下面 )进入扩散器后体积突然变大几百倍，高速行驶时又没有其他空气补充，就会在扩散器内形成真空，将其吸附在路面，相当于在一个河流变宽的时候，降低了水流的速度。当空气流动的速度降低时，它的压力就会升高，这就使得后部扩散器排气的速度更快，犹如把空气从底盘下部加速拉出，这增加了赛车的负升力。扩散器最大的缺点就

22、是对底盘与路面之间的距离要求非常高，距离变化会对负升力产生巨大的影响，这也就为什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。图 6.22丰田一赛车扩散器图 6.23发动机排气口与扩散器图 6.24阻力和负升力系数与类车体离地间隙图6.24是扩散器角度为100时的阻力和负升力系数随着含有扩散器设计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。图 6.2

23、5扩散器边沿文丘理涡硕士学位论文图 6.26压力系数与扩散器角度观察图 6.25在扩散器的入口边沿处产生两股涡流，研究表明赛车底部运动气流在扩散器起始位置发生分离，后在两股文丘利涡的影响下重新附着在扩散器的表面而流向尾部。图 6.26明显表明负升力最大值发生于扩散器入口处，负升力的降低是由于混合涡的破碎和底部气流的分离。6.3 负升力对 F1 赛车高速转弯的影响F1赛车获胜的主要指标是平均车速，由于F1赛事属于场地赛，赛道是由不同的笔直赛道和弯曲赛道组合而成的，直线速度不是决定胜负的唯一指标，因而过弯速度成为比赛取胜的关键。作为场地赛车，F1 过弯时不能像拉力赛车那样用“漂移”的技巧过弯，必须

24、依靠负升力使轮胎抵抗巨大的离心力不致发生侧滑，甚至是侧翻。最理想的解决办法就是运用空气动力附加装置产生的负升力，其特点是过弯速度越快，产生的负升力也就越大，这正好符合F1赛车动力学转弯时气动特性的要求39。图 6.27赛车右转弯受力示意图负升力与侧滑理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特性初探分析赛车过弯时的受力图6.27， Fc 为惯性离心力，NL、NR分别为左右轮所受地面的支持力，YL、YR分别为左右轮所受地面的侧向力，G 是赛车的车重，G气动组件所受的气动负升力，B、h、R 分别为轮距、赛车质心高度、转弯半径。推导可得不发生侧滑的条件： FcYL+YR，由地面侧向附着条件：YL +YR

25、=(G+ G)， 是侧向力附着系数，因此不发生侧滑的转弯最大速度为：V=（6.2）在轮距、重心高度改变受到限制、附着系数即将用尽的情况下，气动负升力为高速转弯起重要作用。由于转弯存在侧翻和测滑两种可能性，比较以上两速度值，因通常B2h，可得出赛车事故多是侧滑，或是滑而不翻，或是先滑后翻，如 图6.9、图6.10所示赛车转弯发生侧滑。不同时期F1 赛车转弯数据统计，如表 6.1。图 6.28赛车过弯侧滑图 6.29轮胎侧滑而磨损时间表 6.1 F1 赛车转弯数据统计速度 km/h半径 m比值加速度1953 年1979 年1990 年2005 年160.9241.4305.77350304.818

26、2.9182.9239.8570%100%400%500%0.7g2g4g5g负升力与侧翻赛车转弯时受力如 图 6.27，其中车辆以速度右转弯，若速度很大，则会出现绕外轮的侧翻转。 Fch是侧翻力矩， (G+ G)B/2 是平衡力矩。侧翻时右轮支持力 NR值是 0，则不侧翻的条件：Fch(G+ G)B/2，由 Fc=GV2/gr，则最大的允许过弯速度为：（6.3 ）V=硕士学位论文（6.4）为了提高赛车过弯速度，可以降低重心减小h，增加轮距B，但受到规则的限制，由此只有加大气动压力 G。F1 赛车的附着力约有1/3是由前轮负担，有超过 2/3则是由后轮负担。前轮采用较低负升力的设定可以提高车速

27、，但同时也会提高转向不足的趋势，转向不足就使车头会可能滑向弯道外侧。否则，如果车尾的负升力不足，那么会有转向过度的倾向，车尾就会开始打滑。F1 赛车的设计必须要考虑和遵循负升力中心和重心(the centre of gravity)之间匹配的原则。通常情况下，负升力中心 (CofP)位于重心 (CofG)后面百分之几的位置，如果重心 (CofG)前移，那么赛车的负升力中心 (CofP)也必须前移，意味着工程师必须设法增加赛车前部的负升力。6.4 地面效应对气动负升力的影响地面效应离地间隙 (赛车底部和赛道表面之间的距离)对提高底盘和扩散器之间联系的效用有大的帮助，赛车的底板 (plank/un

28、dertray/skid_block)是最重要的空气动力附加装置，如图 6.30。底盘和赛道之间的离地间隙越小，该区域气流运动的速度也就越大，根据伯努利方程，此区域的静压力也就越小，赛车所受的气动负升力也就越大，使得赛车被强烈地“吸附”在赛道上，即产生所谓的“地面效应”，如图6.31。地面效应曾被 F1 车队用来提高车速，但为防止追求更高的转弯速度而引发事故，FISA 规定赛车前轮后缘至后轮前缘底部必须平直，限制了地面效应的充分运用，由此国际汽联 (FISA)规则规定赛车底盘上要安装一块10mm 厚的木板，若此木板低于 9mm，该车会被取消参赛资格。图 6.30赛车光滑地板图 6.31地面效应

29、独立的底板是安放在每辆赛车底部的中间位置 (从前到后 )的硬木板，通过螺栓与承载式车身下侧相连接，通过赛后对木板度磨损程度的检查可以判断车辆底盘是否过低。最早运用地面效应于赛车运动中的时间是20 世纪70 年代，当时考林查普曼65理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特性初探在莲花赛车底部安装一个空气通道，通道前面的部分相对狭窄，但在向车尾延伸的同时不断扩大。由于赛车的底部离地间隙很小，所以通道和地面形成了一个封闭管道。当赛车飞驰时，空气从车头进入，然后线性扩散到车尾，接近车尾处的气压会降低，从而产生了向下的压力。地面效应的不同形式时下赛车底部的设计多趋于部分或完全覆盖，从理论上分析，对于完全

30、由光滑底板覆盖的车底而言，如 图 6.30，离地高度越低，进入赛车底部前段的气流速度越快，这样会在 F1 赛车底部的前段空间形成向下的负压区，从而提高了 F1 赛车前部的气动升力。现在 F1 赛车的底盘的设计形式多采用 阶梯型，已经不会产生太多的地面效应，扩散器就变的更加重要。当今也存在F1设计师将车底设计成从前向后逐渐升高或设置纵向凹槽的形式，地面与车底部的凹槽构成 拉伐尔管 ，亚声速气流在该管收缩段加速，车身底部与车身上表面的压差增加，即增加了气动负升力。 拉伐尔管 道的横截面形状、管道截面面积沿流向的变化等都将影响车身底部的流态，如图 6.33。图 6.32 F1 赛车负升力示意图图 6

31、.33拉伐尔管气流为了更好地提高 F1 赛车负升力，空气动力学工程师运用拉伐尔管效应在赛车底部的两侧装上整流裙，整流裙刚好接触路面以密封底部气流，使得车身降至距地面仅 20mm，仍然取得了很好的气动效果，如图 6.34。图 6.34侧裙与地面的间隙对总负升力系数的影响66硕士学位论文滑动裙(sliding skirts)是安装在赛车两侧散热箱侧面底部的风翼，它阻止侧面气流通过赛车底部而使赛车底部形成真空，以此将赛车吸附在赛道上并增加赛车在弯道中的侧向附着力，成功的运用了地面效应。2005年， F1赛车空气动力学设计师在赛车底部设计了一小的风翼，类似于负升力翼的形式，这种设计使得赛车获得了一定的

32、负升力，如图 6.32。F1 赛车与量产车的比较F1 赛车与量产车在基础技术和理论上是相同的，但研究方向和侧重点却不尽相同，F1 赛车与量产车的最大不同之处在于空气动力学的应用，将赛车压在赛道上可使轮胎获得更大的抓地力，进而在弯道时产生更快的加速度。由于普通房车没有足够的负升力，因此甚至无法产生 1G 的侧向附着力，F1 赛车则能达到 5 个G(G Force)。现在空气动力学已经逐渐成为了赛车在比赛中的获胜的关键，因此每年各车队在赛车空气动力学研究方面的经费已经达到数千万美元 38。普通房车与 F1 赛车比较而言，普通房车是为了降低消耗，而 F1 赛车是提高性能；普通房车是减少排放，赛车是力

33、求最大功率以实现赛车高速度的核心指标，这对普通房车而言需要较高的成本；普通房车寿命大于 10 年，而 F1 赛车仅参加12 个赛季；普通房车期望安全，赛车竭力追求速度的极限。任何企业的技术需要不断升级，保持后劲，要想保持领先，没有后序的技术支持是不行的。而 F1 赛车是前沿技术的最好实验场所。例如用到 F1 赛车上的马瑞利变速箱用到量产车上在设计、材料上有所变化，先是应用在法拉利赛车，然后过渡到奔驰、宝马车上，再逐步应用到中高级轿车上，最后应用到经济性轿车，这是逐步往下走，量逐渐放大；就成本而言，企业会考虑几百辆时的成本、几千辆时的成本，量越大每辆车可以分摊越少的成本。因此，F1 赛车的部分技

34、术可以应用到量产车的设计与制造过程中，为量产车技术进步起到了促进作用42。从另一角度而言，F1 赛事可以称为一广告活动，技术层面不是主要的，商业性是主要的，因为 F1 本身具有巨大的商业广告价值，各公司品牌可以通过赛事的举办得以提升，进而可以获得巨大的经济和社会效益 43。F1 赛车车型的设计涉及到遥感勘测、计算机辅助设计、振荡模拟等高科技，由此而产生海量的模拟数据和实验数据，因而数据存储是 F1 赛车车队所要考虑的重要问题。除去确保有足够的数据存储设备来保存大量的数据外，车队还需要对赛道上收集到的遥测信息进行定期回顾，以验证计算机模拟或风洞测试结果的正确性。例如，若工程师希望理解某一组件的磨

35、损速度，他可以提取赛道遥测数据并将其与控制模拟结果进行交叉参考，以得到精确的结果 44。67理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特性初探6.5 F1 赛车外流场的数值模拟基本控制方程与涡粘模式因为空气的密度很小，F1 赛车周围空气运动速度相对声波的传播速度较低，空气的密度变化不大，空气流动为不可压流动；由于空气相对于F1赛车作低速流动，二者之间的热交换量为零，因此在F1赛车外流场基本方程的分析中不考虑能量方程的存在。因此，在不考虑赛车发动机冷却的前提下，F1 赛车周围空气流场可视为三维、定常、不可压粘性等温流场来处理。赛车外流场控制方程仍然属于非线性的偏微分方程，与量产车外流场的控制方程相同

36、45。因解析解难以求得，依然采用有限体积数值方法求解控制流体流动的数学方程研究F1赛车周围空气的运动规律。这样的气体动力学控制方程不考虑控制体的运动，是针对静止控制体而言的；若解决运动体的问题，必须考虑网格的运动。有限体积法的物理解释：该控制体积在随空气运动的同时，因其本身所包含的气体“微团”数量不因时间的改变而改变，质量恒定，从而满足了质量守恒定律的物理原理。本算例中采用RNG-湍流模式封闭基本的控制方程，该模式是以标准k-模式 (又称线性k- 模式 )为基础，它发展了近代非线性的k-模式。其中有重正化群k-模式 (Yakhot和Orsazg,1986)以及Speziale(1991)的非线

37、性k-模式。RNG- 湍流模式是基于统计学原理对瞬态的 Navier-Stokes 方程利用重整化群的数学方法推导出来的模式，通过在大尺度运动和修正的粘度项体现小尺度的影响，小尺度因此从控制方程中消失。湍动能方程、湍流耗散率方程与标准-模式均有相似的表达形式：Dk=() k （ 6.5 ）keff + Gk+ GbYMDtxiD=()xi + C() G+ CGC 2R（6.6）Dtxieffxi1kb2k参数 Gk、 Gb、 YM与标准-模式中相应参数相同， k和 分别是湍动能k 和耗散率 的有效湍流普朗特数的倒数45。湍流粘性系数k2t= CC= 0.0845 ，R =C(1 /) ，其中

38、： Sk /， 3， 0= 4.38 ， = 0.012 ， C1=1.42 ， C2=1 + 1.68 。k F1 赛车几何建模与网格剖分本算例 F1 赛车 1:1 的 CAD 模型是用 UG3.0 建模完成，其轮廓三维尺寸长为4.650m，宽为1.8m，高位1.06m。为使得网格的划分不太复杂，模型仅包含车68硕士学位论文身 和 类 圆 柱 的 车 轮 。 赛 车 数 值 风 洞CAD模 型 三 维 尺 寸 的 长 为9倍 车 长 ( 即41.85m)，宽为四倍车宽 (即 7.2m)，高为 4 倍车高(即 4.24m)； F1 赛车最小离地间隙为 0.02m；车轮用一圆柱体来近似模拟，直径

39、为 660mm，车轮旋转角速度272.7rad/s。图 6.37 内置 F1 赛车的虚拟风洞模型图 6.38 前负升力翼(两片) 图 6.39 后负升力翼 (两片) 由于结构网格的布局时通过代数方程或微分方程的求解确定的。因此网格结点的结构是有限制的。本算例中的网格是非结构化的网格，因为非结构网格舍去了对网格结点的结构限制，易于控制单元的大小、形状及网格节点的位置，因此有较大的灵活性，对复杂计算域有较强的适应能力 47。本算例网格的划分是利用 ANSYS ICEMCFD 的 Tetra 四面体网格生成器完成，总网格节点为 449356 个，总的数值网格单元为 2543941 个，如图 6.41

40、 所示。图 6.40F1 赛车及计算域的数值网格图 6.41 F1 赛车前车轮数值网格69图 6.42 后负升力翼及端板局部网格理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特性初探 F1 赛车模拟边界条件及初始条件本算例中赛车外流场的数值模拟方法采用 RNG- 湍流模式。计算域入口处速度：U =90m/s，V = W = 0；入口处湍流度：0.5%，因为入口气流为均匀层流；计算域上壁面和侧壁面边界：自由滑动壁面；（ 6.7）计算域下壁面(即模拟地面)：移动壁面边界，移动速度与来流速度相同；车身模型壁面边界：固壁、无滑移条件；出口边界：给定压力边界条件，相对于远方来流处的压力为零； F1 赛车车轮绕流

41、分析图 6.43 赛车两前轮速度流线图图 6.44赛车两后轮速度流线图图 6.45前轮静止时压力云图70图 6.46前轮旋转时压力云图硕士学位论文图 6.47前车轮静止状态时的压力系数图 6.48 前车轮旋转状态时的压力系数对比图 6.45 和图 6.46，车轮旋转对绕流分离的影响是很明显的，尤其是车轮旋转时车轮边界层的分离时刻比车轮静止时边界层的分离时刻提前许多。观察图 6.47，00对应前车轮的前缘，900对应于车轮与地面的接触处，1800对应车轮后缘，如我们所期望的那样，在前车轮静止和旋转的两种工况下，车轮的前缘压力系数最高，车轮与地面接触处因气流在此的速度骤然降低，压力系数较小。在 1

42、000到 2500之间，旋转车轮的压力系数比较稳定，变化不是很剧烈，而对于静止车轮，其压力系数绝对值较大，大于旋转车轮时的系数。同时，由图 6.47-6.48 可以明显看出，CFX 仿真值与试验值有较好的一致性。 F1 赛车前负升力翼气动特性模拟F1 赛车的外流场受多种空气动力学附加装置的影响,F1 赛车一般是在平直赛道急速行驶，通过计算机模数值模拟的流场是在前负升力翼、后负升力翼、无放尘罩的四个车轮及相关的附加装置综合作用的结果，F1 赛车前鼻锥的表面可以作为产生负升力的理想的表面，因为表面积较大，对流动的空气有较好的导流作用；前后负升力翼的端板对翼面的流态有一定的整流的作用，可以改善负升力

43、翼的气动效果，有助于增加负升力。此外前后负升力翼端板的几何参数及迎角也影响负升力翼的功能。71理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特性初探图 6.49 前负升力翼底部的负压区观察图 6.49，由伯努利方程，前方来流经过前负升力翼面底部弯曲的曲面时速度增加，使得该区域的静压明显减少，该区域为负压区，使得赛车前负升力翼受到了运动空气所施加的气动负升力，而这正是我们做渴望得到的结果。6.6 本章小结本章通过总结阐述国内外 F1 赛车气动特性研究的概况，明确了 F1 赛车空气动力学研究目标是在赛车高速运动过程中如何使其所受气动阻力与气动负升力达到一种完美的平衡；介绍了 F1 赛车高速转弯时的力学基础

44、、扩散器的设计对负升力产生的影响及地面效应的作用；对 F1 赛车进行了 CAD 初步的建模，利用流体软件对赛车外流场进行了数值模拟和可视化分析。721 本论文内容总结硕士学位论文总结与展望逆向工程设计技术作为产品设计开发的重要方向正得到越来越多研究者的关注。包括中国在内的世界多个国家在把优化设计技术应用于汽车、飞机等领域进行了大量的研究工作，并且已经取得了一定的成就。本文主要研究把优化设计技术应用于流线形车身的造型设计，在基于翼剖面理论的基础上，通过研究设计、开发了一个较为符合气动特性的流线形车身。具体而言，本文的主要内容可以概述为：阐释了车身造型的演变历程，并且从汽车空气动力学的角度分析了各

45、时代车身造型的特点；车身造型与曲线曲面技术是绝对分不开的，重点解释了与车身气动造型有密切联系的 NURBS(非均匀有理 B 样条)曲面造型技术； 简 述 了 普 通 房 车 在 高 速 行 驶 时 所 涉 及 到 的 气 动 六 分 力 理 论 及 其 对 汽 车 相关性能的影响；详细论述了流线形车身优化设计的基本条件、优化设计的基本步骤以及影响车身优化设计的基本参数。同时提出了一较符合汽车空气动力学理论的流线形数字化 CAD 模型； 在 对 理 想 基 本 形 体 数 字 化 车 身 进 行 数 值 模 拟 分 析 的 基 础 上 研 究 了 该 车 身纵对称中面上的速度、压力的分布，同时对

46、车身外部绕流进行了可视化的分析；从空气动力学的角度深入剖析了影响F1赛车气动性能的因素负升力和阻力以及二者与赛车高速转弯力学基本原理；简述了赛车的扩散器、地面效应、空力组件对负升力的影响；对赛车进行了简单的建模并进行了赛车绕流的分析。2 本论文的创新点在考虑空气动力学对车身气动性能影响的前提下，以翼型截面理论为基础，重点介绍了一种预测和设计流线形车身气动造型的方法，并以该理论方法为基础优化设计出一个较为符合汽车空气动力学原理的流线形数字化车身模型。在总结阐述了 F1 赛车空气动力学气动研究对象与目标、空气动力组件与地面效应等对负升力影响的基础上，按照 FIA（国际汽车联合会）的相关规定，对F1

47、 赛车进行了 CAD 初步的建模，并利用流体分析工具对 F1 赛车外部绕流进行了73理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特性初探数值模拟和可视化的 CAE 分析。3 展望由于时间以及条件限制，本课题还存在一些问题，需要进一步相关研究工作，主要包括：在相关气动条件参数约束的情况下，如何采取更有效的精度更高的函数构造方式来确定车身纵向对称中面升力系数分布函数 Czo(x)是极为关键的；以中的构造函数为基础，确定车身对称中面上的弯度曲线函数 h(x)时所用的迭代方式也值得深入地研究；根据车身三维空间内部饰件布置的需要如何确定车身的半宽度函数 b(x)及流线形车身横截面的形状函数a(x)，以使得流线

48、形车身符合机械工程、人机工程学等方面的要求；影响 F1 赛车气动性能的因素很多，例如赛车空力组件的几何形状的设计，同一套件不同迎角时对负升力的影响，扩散器与地面效应对赛车尾流的影响等需要进一步的分析与研究；F1 赛车进行超车时的气动环境也是值得去思考的；负升力对F1赛车的影响，尤其是对赛车高速行驶时的侧风稳定性的影响是值得深入探讨的。74硕士学位论文参考文献1黄天泽，黄金陵汽车车身结构与设计M北京：机械工业出版社，1996：84-852谷正气轿车车身M北京：人民交通出版社，2002：17-193黄向东汽车空气动力学与车身造型M北京：人民交通出版社，2000：94-974黄向东，朱刚，梁志刚基于空气动力学理论的轿车车身造型优化方法J中国机械工程， 1998,9(1)：