流體力學(xué)理論與F1賽車的空氣動力學(xué)（一）

2017-03-19  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

第一

理論基礎(chǔ)

1.概況與發(fā)展歷程

流體力學(xué),是研究流體(液體和氣體)的力學(xué)運(yùn)動規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科。主要研究在各種力的作用下,流體本身的狀態(tài),以及流體和固體壁面、流體和流體間,流體與其他運(yùn)動形態(tài)之間的相互作用的力學(xué)分支。它主要研究流體本身的靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動狀態(tài),以及流體和固體界壁有相對運(yùn)動時(shí)的相互作用和流動的規(guī)律。按照研究對象的運(yùn)動方式可將其分為流體靜力學(xué)和流體動力學(xué),還可按流動物質(zhì)的種類分為水力學(xué),空氣動力學(xué)等等。描述流體運(yùn)動的基本方程是納斯-斯托克斯方程,簡稱N-S方程。
筆者注:N-S方程基于牛頓第二定律,表示流體運(yùn)動與作用于流體上力的相互關(guān)系,N-S方程是非線性微分方程,其中包含流體的運(yùn)動速度、壓強(qiáng)、密度、粘度、溫度等變量,而這些都是空間位置和時(shí)間的函數(shù)。一般來說,對于一般的流體學(xué)問題,需要將N-S方程結(jié)合質(zhì)量守恒,能量守恒、勢力學(xué)方程以及介質(zhì)的材料性質(zhì),一同求解。由于其復(fù)雜性,通常只有通過給定邊界條件下,通過計(jì)算機(jī)才可求解。
空氣動力學(xué)是流體力學(xué)的一個重要分支,主要研究空氣或其它氣體的運(yùn)動規(guī)律、空氣或其它氣體與飛行器或其他物體相對運(yùn)動時(shí)的相互作用和伴隨產(chǎn)生的物理變化。
根據(jù)空氣與物體的相對速度,可將空氣動力學(xué)分為低速空氣動力學(xué)(相對速度小于100m/s,即360km/h)和高速空氣動力學(xué),也有學(xué)說將界限劃定為400km/h。前者屬于不可壓縮流動的空氣動力學(xué),后者屬于可壓縮流動的空氣動力學(xué)。一般來說,空氣流速小于0.3馬赫時(shí),氣體是不可壓縮流動的,大于這個數(shù)值則被理解為可壓縮流動。F1所研究的空氣動力學(xué)屬于低速范疇。此外,還根據(jù)是否忽略氣流的粘性,將空氣動力學(xué)分為理想空氣動力學(xué)和粘性空氣動力學(xué)。
20世紀(jì)初,飛機(jī)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了空氣動力學(xué)的發(fā)展。航空事業(yè)的發(fā)展,需要揭示飛行器周圍的壓力分布、飛行器受力狀況和阻力等問題,這就促進(jìn)了流體力學(xué)在實(shí)驗(yàn)和分析方面的發(fā)展。20世紀(jì)初,以無粘不可壓縮流體位勢流理論為基礎(chǔ)的機(jī)翼理論,闡明了機(jī)翼怎樣受到舉力,從而將很重的飛機(jī)托上天空,機(jī)翼理論的正確性,使人們重新認(rèn)識到無粘理論,肯定了其指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的重大意義。
機(jī)翼理論和邊界層理論的建立和發(fā)展是流體力學(xué)的一次重大進(jìn)展,它使無粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結(jié)合起來。隨著汽輪機(jī)的發(fā)展和飛機(jī)的飛行速度提高到每秒50米以上,又迅速擴(kuò)展了對空氣密度變化的效應(yīng)和理論研究,這高速飛行提供了理論指導(dǎo)。
從50年代起,數(shù)學(xué)的發(fā)展,電子計(jì)算機(jī)的不斷完善,以及流體力學(xué)各種計(jì)算方法的發(fā)明,使得許多原本無法用理論分析求解的復(fù)雜流體力學(xué)問題有了求得數(shù)值的可能性,并以此形成了計(jì)算流體力學(xué),此后,模型法、CFD技術(shù)、風(fēng)洞測試等新興手段的介入使得該學(xué)科取得了飛躍性的進(jìn)步。

運(yùn)用到F1領(lǐng)域的CFD技術(shù)。

法拉利位于總部馬拉內(nèi)羅的風(fēng)洞

F1的空氣動力學(xué)主要研究下壓力,阻力和靈敏度三個方面,其中,提高壓力是提升彎中表現(xiàn)的有效手段,降低阻力是獲得高尾速輸出的必要手段,靈敏性又稱敏感度,主要研究空氣動力學(xué)環(huán)境改變而導(dǎo)致的自身變化的強(qiáng)度。確切地說,就是研究由路況差異而導(dǎo)致的氣動翼片與底盤間距的變化對賽車性能的干預(yù)強(qiáng)弱。以上三大課題,決定著一輛F1賽車的整體氣動性能。

2.基本概念

(1)流體
流體,顧名思義,就是可以流動的物體,是液體和氣體的總稱,是由大量的、不斷地作熱運(yùn)動而且無固定平衡位置的分子構(gòu)成的,其基本特征是沒有一定的形狀和具有流動性。流體都有一定的壓縮性,液體的可壓縮性很小,而氣體的可壓縮性較大,在流體形狀發(fā)生改變時(shí),流體各層間也存在一定的運(yùn)動阻力(即粘滯性)。當(dāng)流體的粘滯性和可壓縮性很小時(shí),可近似看作是理想流體,它是人們?yōu)檠芯苛黧w的運(yùn)動狀態(tài)而引入的一個理想模型。
流體與固體在某些方面有著非常明顯的差別:Ⅰ在靜止的狀態(tài)下固體的作用面上能夠同時(shí)承受剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力,而流體則只有在運(yùn)動的狀態(tài)下才能夠同時(shí)受到這兩種力的作用(在靜止?fàn)顟B(tài)下其作用面上僅能夠承受法向應(yīng)力,即為靜壓強(qiáng))。Ⅱ固體在力的作用下發(fā)生變形,在彈性限度內(nèi)形變和作用力之間服從胡克定律,即固體的形變量和作用力的大小成正比。而流體則是角變形速度與剪切應(yīng)力有關(guān),層流和紊流狀態(tài)使它們之間的關(guān)系有所不同。在層流狀態(tài)下,二者之間服從牛頓內(nèi)摩擦定律。Ⅲ當(dāng)外力停止作用時(shí),固體可以恢復(fù)為原來的形狀,而流體由于其形變所需的剪切應(yīng)力非常小,所以很容易使自身的形狀適應(yīng)容器的形狀,并可在一定的條件下維持下來。

(2)流體的粘滯性
前文中提到過,當(dāng)流體的粘滯性與可壓縮性很小時(shí),可以稱之為理想流體。然而,對于一般的流體來說,粘滯性是一種重要而且普遍的性質(zhì)。
流體力學(xué)中這樣給粘滯性定義:流體在受到外部剪切力作用時(shí)發(fā)生變形(流動),內(nèi)部相應(yīng)要產(chǎn)生對變形的抵抗,并以內(nèi)摩擦的形式表現(xiàn)出來。所有流體在相對運(yùn)動時(shí)都要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力,這是流體的一種固有的物理屬性。
牛頓內(nèi)摩擦定律或牛頓剪切定律對流體的粘性作了理論的描述,即流體層之間單位面積的內(nèi)摩擦力或剪切應(yīng)力與速度梯度或剪切速率成正比,可用公式表示為
τ=μ(dvx/dy)= μγ具有黏性的流體在發(fā)生形變時(shí)將產(chǎn)生阻力。一般情況下,半徑為R的小球以速度v運(yùn)動時(shí),所受到的流體阻力可用公式f=6πηRv表示(η表示黏性系數(shù))
從本質(zhì)上講,流體的粘滯性其實(shí)就是一種摩擦現(xiàn)象,日常生活中,我們走路,坐定和工作都離不開摩擦,摩擦是普遍存在的。我們特定地將流體的這種摩擦現(xiàn)象稱為粘滯性。物理學(xué)上用粘滯系數(shù)η來表示流體粘滯性的大小(單位為泊)。例如,20攝氏度時(shí),水的粘滯系數(shù)為1.0087厘泊,空氣則要小得多。對于大多數(shù)液體,η隨溫度升高而下降,氣體的η則隨溫度升高而上升。1957年12月1日,美國加州理工學(xué)院宣布:在液氦Ⅱ里,粘滯系數(shù)小得測量不到。它是沒有粘滯系數(shù)的理想流體。
運(yùn)動液體中的摩擦力是液體分子間的動量交換和內(nèi)聚力作用的結(jié)果。液體溫度升高時(shí)粘性減小,這是因?yàn)橐后w分子間的內(nèi)聚力隨溫度的升高而減小,而動量交換對液體的粘滯作用不大。氣體的粘性主要是由于分子間的動量交換引起的,溫度升高則動量交換加劇,因此氣體的粘性隨溫度的升高而增大。

(3)層流、湍流與雷諾數(shù)對流動狀態(tài)的判定
當(dāng)流體的流速很小時(shí),流體分層流動,互不混合,稱為層流,也稱為穩(wěn)流或片流,逐漸增加流速,流體的流線開始出現(xiàn)波浪狀的擺動,擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加,此種流況稱為過渡流;當(dāng)流速增加到很大時(shí),流線已不再清晰可辨,流場中形成許多小旋渦,層流被破壞,相鄰層間不但有滑動,還有混合。這時(shí)的流體做不規(guī)則流動,并且有垂直于流管軸線方向的分速度產(chǎn)生,這種運(yùn)動稱為湍流,又稱為紊流、亂流。
日常生活中,流速較慢,或黏性系數(shù)較大的流體的流動一般為層流,例如油,人體內(nèi)靜脈血液的流動,等等。而流速較大、黏性系數(shù)較小的流體流動通常是作湍流,如江河急流,空氣流動、煙囪排煙等都是湍流。
由于湍流的流動具有雜亂性、無規(guī)律性和不確定性,因此如何準(zhǔn)確地描述湍流至今仍是物理學(xué)界的一大難題。
我們通常用雷諾數(shù)來判定流體是在做層流還是湍流。
雷諾數(shù)是一種可以用來表示流體流動情況的無量綱數(shù),用Re表示。Re=ρvd/η
其中,v, ρ, η分別表示流體的流速,密度與黏性系數(shù),d為一種特征長度。例如流體流過圓形管道,則d表示管道直徑,對于外流問題,v,d一般到遠(yuǎn)前方來流速度和物體主要尺寸(如機(jī)翼弦長或圓球直徑),內(nèi)流問題則取通道內(nèi)平均流速和通道直徑。雷諾數(shù)表示作用于流體微團(tuán)的慣性力與粘滯力之比,如果兩個幾何相似流場的雷諾數(shù)相等,則對應(yīng)微團(tuán)的慣性力與粘性力之比相等。
雷諾數(shù)較小時(shí),黏滯力對流場的影響大于慣性力,流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減,此時(shí)流體的流動為層流,且流動穩(wěn)定。當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí),慣性力的影響大于黏滯力,流體的流動較不穩(wěn)定,流速的微小變化容易發(fā)展、增強(qiáng)、形成紊亂、不規(guī)則的紊亂流場,即湍流。
由雷諾數(shù)的公式可知,當(dāng)流體的流速較小,或黏性系數(shù)較大時(shí),比如油液、潤滑膜內(nèi)的流動,其粘性影響遍及全流場,雷諾數(shù)較小,反之,當(dāng)流體的流速很大時(shí),比如一般飛行器的繞流,其雷諾數(shù)則要大得多,此時(shí),粘性的影響僅在物面附近的邊界層或尾跡中才是重要的。對于F1賽車而言,流過車身的氣流的雷諾數(shù)相當(dāng)可觀,因此流過F1賽車的氣流一定是湍流。

筆者注:

在很多涉及粘性影響的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)中,雷諾數(shù)是主要的相似準(zhǔn)數(shù)。但很多模型實(shí)驗(yàn)的雷諾數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)物的雷諾數(shù),因此研究修正方法和發(fā)展高雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備是流體力學(xué)研究的重要課題。
一般來說,Re <2300為層流狀態(tài),Re> 4000為湍流狀態(tài),Re= 2300 -4000為過渡狀態(tài)。在不同的流動狀態(tài)下,流體的運(yùn)動規(guī)律、流速分布等都是不同的。因而管道內(nèi)流體的平均流速v與最大流速Vmax的比值也是不同的,因此流體流動的特性由雷諾數(shù)決定。

典型的雷諾數(shù):
普通航空飛機(jī): 5 000 000
小型無人機(jī): 400 000
海鷗: 100 000
滑翔蝴蝶: 7 000
圓形光滑管道: 2 320
橡膠管道: 1 600-2 100
主動脈中的血流: 1 000
大腦中的血液流 : 100
精子: 0.0001

(4)、氣動阻力
阻力,又稱后曳力,空氣阻力或流體阻力,是物體在流場中相對運(yùn)動所產(chǎn)生與運(yùn)動方向相反的力。阻力方向和其所在流場的速度方向相反。一般摩擦力不隨速度的變化而變化,但阻力會隨速度而變化。
對于一個在流體中移動的物體,阻力為周圍流體對物體的施力在移動方向的反方向上分量的總和。而施力和移動方向垂直的分量一般則視為升力。因此阻力和物體移動方向相反。
阻力與摩擦力不同,因?yàn)槟Σ亮τ袝r(shí)可以是動力。
車輛在行駛時(shí),所要克服的阻力有機(jī)件損耗阻力、輪胎產(chǎn)生的滾動阻力(路阻)及空氣阻力。隨著車速的增加,空氣了阻力也逐漸成為最主要的行車阻力,在時(shí)速200km/h以上時(shí),空氣阻力幾乎占有所有行車阻力的85%。
空氣阻力系數(shù),又稱風(fēng)阻系數(shù),是計(jì)算汽車空氣阻力的一個重要參數(shù)。它是通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和下滑實(shí)驗(yàn)所確定的一個重要參數(shù),用它可以計(jì)算出汽車在行駛時(shí)的空氣阻力。風(fēng)阻系數(shù)的大小取決于汽車的外形。風(fēng)阻系數(shù)越大,則空氣阻力越大,現(xiàn)代汽車的風(fēng)阻系數(shù)在0.3-0.5之間,賽車可以達(dá)到0.15,目前雨滴的風(fēng)阻系數(shù)最小,為0.05左右。
“雨滴”外形對F1賽車的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。由于雨滴形風(fēng)阻系數(shù)最小,所以F1賽車的底盤也可以制作成類似的形狀以減小阻力。例如,紅牛RB7賽車就使用了水滴形狀的底盤,這使得RB7擁有了同賽季所有賽車中最小的氣動阻力,維特爾在斯帕、蒙扎的勝利與其是分不開的。再搭配上功效強(qiáng)勁的廢驅(qū)擴(kuò)散器,使RB7能夠適應(yīng)各種賽道,成為名副其實(shí)的“火星賽車”。

對于車輛行駛時(shí)的空氣阻力,一般有三種形式:
一是氣流撞擊車輛正面所產(chǎn)生的阻力,就像拿一塊木板頂風(fēng)而行,所受到的阻力幾乎都是氣流撞擊所產(chǎn)生的阻力。
二是摩擦阻力,空氣劃過車身一樣會產(chǎn)生摩擦力,然而以一般車輛行駛的最快速度來說,摩擦阻力小到可以忽略。
三是外形阻力。一般來說,車輛調(diào)整行駛時(shí),外形阻力是最主要的空氣阻力來源。外形阻力來自車后方的真空區(qū),真空區(qū)越大,阻力就越大。一般來說,三廂式的房車外形阻力會比掀背休旅車小。
風(fēng)阻系數(shù)可通過風(fēng)洞測得。當(dāng)車輛在風(fēng)洞中測試時(shí),借由風(fēng)速來模擬汽車行駛的車速,使車不至于被風(fēng)吹得后退。在測得所需力后,扣除摩擦,剩下的就是風(fēng)阻力。結(jié)合公式進(jìn)行計(jì)算
Cd=正面風(fēng)阻力 ×2/(空氣密度× 車頭正面投影面積×車速的平方)
一輛車的風(fēng)阻系數(shù)是固定的,根據(jù)風(fēng)阻系數(shù)即可算出車輛在各種速度下所受的阻力。

(5)、邊界層理論

當(dāng)流體在大雷諾數(shù)條件下運(yùn)動時(shí),可把流體的粘性和導(dǎo)熱看成集中作用在流體表面的薄層即邊界層內(nèi)。根據(jù)邊界層的這一特點(diǎn),簡化納維-斯托克斯方程,并加以求解,即可得到阻力和傳熱規(guī)律。這一理論是德國物理學(xué)家L.普朗特于1904年提出的,它為粘性不可壓縮流體動力學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。

流體在大雷諾數(shù)下作繞流流動時(shí),在離固體壁面較遠(yuǎn)處,粘性力比慣性力小得多,可以忽略;但在固體壁面附近的薄層中,粘性力的影響則不能忽略,沿壁面法線方向存在相當(dāng)大的速度梯度,這一薄層叫做邊界層。流體的雷諾數(shù)越大,邊界層越薄。從邊界層內(nèi)的流動過渡到外部流動是漸變的, 所以邊界層的厚度δ通常定義為從物面到約等于99%的外部流動速度處的垂直距離,它隨著離物體前緣的距離增加而增大。根據(jù)雷諾數(shù)的大小,邊界層內(nèi)的流動有層流與湍流兩種形態(tài)。一般上游為層流邊界層,下游從某處以后轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?且邊界層急劇增厚。層流和湍流之間有一過渡區(qū)。當(dāng)所繞流的物體被加熱(或冷卻)或高速氣流掠過物體時(shí),在鄰近物面的薄層區(qū)域有很大的溫度梯度,這一薄層稱為熱邊界層。

分析方法

大雷諾數(shù)的繞流流動可分為兩個區(qū),即很薄的一層邊界層區(qū)和邊界層以外的無粘性流動區(qū)。因此,處理粘性流體的方法是:略去粘性和熱傳導(dǎo),把流場計(jì)算出來,然后用這樣的初次近似求得的物體表面上的壓力、速度和溫度分布作為邊界層外邊界條件去解這一物體的邊界層問題。算出邊界層就可算出物面上的阻力和傳熱量。如此的迭代程序使問題求解大為簡化,這就是經(jīng)典的普朗特邊界層理論的基本方法。

邊界層脫離物面并在物面附近出現(xiàn)回流的現(xiàn)象。當(dāng)邊界層外流壓力沿流動方向增加得足夠快時(shí),與流動方向相反的壓差作用力和壁面粘性阻力使邊界層內(nèi)流體的動量減少,從而在物面某處開始產(chǎn)生分離,形成回流區(qū)或漩渦,導(dǎo)致很大的能量耗散。繞流過圓柱、圓球等鈍頭物體后的流動,角度大的錐形擴(kuò)散管內(nèi)的流動是這種分離的典型例子。分離區(qū)沿物面的壓力分布與按無粘性流體計(jì)算的結(jié)果有很大出入,常由實(shí)驗(yàn)決定。邊界層分離區(qū)域大的繞流物體,由于物面壓力發(fā)生大的變化,物體前后壓力明顯不平衡,一般存在著比粘性摩擦阻力大得多的壓差阻力(又稱形阻)。當(dāng)層流邊界層在到達(dá)分離點(diǎn)前已轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r(shí),由于湍流的強(qiáng)烈混合效應(yīng),分離點(diǎn)會后移。這樣,雖然增大了摩擦阻力,但壓差阻力大為降低,從而減少能量損失。

邊界層理論指導(dǎo)著F1賽車的發(fā)展,對流體力學(xué)的研究作出了重要貢獻(xiàn)。

(6)、伯努利方程

伯努利方程是理想流體定常流動的狀態(tài)方程,意為流體在忽略粘性損失的流動中,流線上任意兩點(diǎn)的壓力勢能、動能與位勢能之和保持不變。

理想正流體在有勢體積力作用下作定常運(yùn)動時(shí),運(yùn)動方程(即歐拉方程)沿流線積分而得到的表達(dá)運(yùn)動流體機(jī)械能守恒的方程。因著名的瑞士科學(xué)家D.伯努利于1738年提出而得名。

對于重力場中的不可壓縮均質(zhì)流體,方程表示為:

P+ρgh+1/2ρv2=c

p、ρ 、v分別表示流體的壓強(qiáng)、密度和速度,h為鉛垂高度,g為重力加速度,c為常量。

上式各項(xiàng)分別表示單位體積流體的壓力能p重力勢能ρgh和動能1/2ρv2,在沿流線運(yùn)動的過程中,總和保持不變,即總能量守恒。但各流線之間總能量(即上式中的常量值)可能不同。補(bǔ)充:

p1+1/2ρv12+ρgh1=p2+1/2ρv22+ρgh2

p+ρgh+1/2ρv2=常量

均為伯努利方程,其中1/2ρv2 與流速有關(guān),稱為動壓強(qiáng), p和 ρgh稱為靜壓強(qiáng)。伯努利方程揭示流體在重力場中流動時(shí)的能量守恒。

如果研究的是氣體,那么重力的影響就可以忽略不計(jì),公式化簡為P+1/2ρv2=常量(p0)

各項(xiàng)分別稱為靜壓、動壓和總壓。顯然,流動中速度增大,壓強(qiáng)就減小,速度減小,壓強(qiáng)就增大,速度降為零,壓強(qiáng)就達(dá)到最大(理論上應(yīng)等于總壓)。F1翼片產(chǎn)生下壓力,就在于下翼而速度高而壓強(qiáng)小,上翼面速度低而壓強(qiáng)大,因而合力向下。

據(jù)此方程,測量流體的總壓、靜壓卻可求得速度,成為皮托管的測速原理。在無旋流動中,也可利用無旋條件積分歐拉方程而得到相同的結(jié)果,但涵義不同,此時(shí)公式中的常量在全流場不變,表示各流線上流體有相同的總能量,方程適用于全流場任意兩點(diǎn)間。在粘性流動中,粘性摩擦力消耗機(jī)械能而產(chǎn)生熱,機(jī)械能不守恒,推廣使用伯努利方程時(shí),應(yīng)該加入機(jī)械能損失項(xiàng)。

由伯努利方程可以看出,流速大處壓力低,流速小處壓力高,需要強(qiáng)調(diào)的是,伯努利方程的推導(dǎo)假設(shè)是固體靜止不動,因此在應(yīng)用伯努利方程時(shí),需要變換參照系,結(jié)果是伯努利方程中的v不是物體的實(shí)際運(yùn)動速度,而是物體與流體相對運(yùn)動的速度,比如,飛機(jī)在逆風(fēng)起飛時(shí)會獲得比順風(fēng)更好的起飛效果,而F1賽車在制動點(diǎn)的選擇上也受到類似的影響,逆風(fēng)時(shí)可以產(chǎn)生更多的下壓力(特別是前部),制動距離縮短,車手可以更晚地踩下剎車,而順風(fēng)時(shí)氣動效應(yīng)被削弱,制遠(yuǎn)距離延長,車手不得不更早地放開油門制動,這一點(diǎn)在馬來西亞雪邦賽道的9號彎和15號彎最為明顯,進(jìn)兩個彎之前賽車的行進(jìn)方向剛好相反,通常一個彎之前的制動距離被縮短,就意味著另一個彎前的制動距離被延長。

(7)、文丘里效應(yīng)

文丘里效應(yīng),又稱文氏效應(yīng)。這種現(xiàn)象以其發(fā)現(xiàn)者,意大利物理學(xué)家文丘里命名。這種效應(yīng)可以制作出文丘里管。

當(dāng)氣體或液體在文丘理管里面流動,在管道的最窄處,動態(tài)壓力(速度)達(dá)到最大值,靜態(tài)壓力(靜息壓力)達(dá)到最小值。氣體(液體)的速度因?yàn)橛苛鳈M截面積變化的關(guān)系而上升。整個涌流都要在同一時(shí)間能經(jīng)歷縮小的過程,因而壓力也在同一時(shí)間減小。進(jìn)而產(chǎn)生壓力差,這個壓力差用于測量或者給流體提供外在吸引力。

對于理想流體(液體或氣體,其不可壓縮和不具有摩擦),其壓力差通過伯努利方程獲得。

文丘里效應(yīng)的原理則是當(dāng)風(fēng)吹過阻擋物時(shí),在阻擋物的背風(fēng)面上方端口附近氣壓相對較低,從而產(chǎn)生吸附作用并導(dǎo)致空氣的流動。文丘里管的原理其實(shí)很簡單,它就是把氣流由粗變細(xì),以加快氣體流速,使氣體在文氏管出口的后側(cè)形成一個“真空”區(qū)。當(dāng)這個真空區(qū)靠近工件時(shí)會對工件產(chǎn)生一定的吸附作用。

壓縮空氣從文丘里管的入口進(jìn)入 ,少部分通過截面很小的噴管排出。隨之截面逐漸減小,壓縮空氣的壓強(qiáng)減小,流速變大,這時(shí)就在吸附腔的進(jìn)口內(nèi)產(chǎn)生一個真空度,致使因周圍空氣被吸入文氏管內(nèi),隨著壓縮空氣一起流進(jìn)擴(kuò)散腔內(nèi)減小氣體的流速,之后通過消音裝置減小氣流震蕩。

文丘里效應(yīng)對于F1賽車的擴(kuò)散器具有借鑒意義。

(8)、康達(dá)效應(yīng)

康達(dá)效應(yīng)(Coanda Effect)亦稱附壁作用或柯恩達(dá)效應(yīng)。 流體(水流或氣流)有離開本來的運(yùn)動方向,改為隨著凸出的物體表面摩擦?xí)r,流體的流速會減慢。只要物體表面的曲率不是很大,依據(jù)流體力學(xué)中的伯努利原理,流速的減緩會導(dǎo)致流體被吸附在物體的表面上流動。這中作用是以羅馬尼亞發(fā)明家亨利-康達(dá)命名。

Coanda效應(yīng)指出,如果平順地流動的流體經(jīng)過具有彎度的凸表面的時(shí)候,有向凸表面吸附的趨向。打開自來水的時(shí)候,如果用筷子去觸碰水柱(只要部分水柱即可,這樣現(xiàn)象更明顯),水會隨著筷子向下淌,而不是按重力的方向從水龍頭直接往下流。

康達(dá)效應(yīng)被廣泛地應(yīng)用到了2012年規(guī)則框架下的F1賽車上,康達(dá)效應(yīng)排氣管使得廢氣由底盤吹出重新成為了可能,(具體的問題,我們會在之后的文章中專題分析)

(9)、地面效應(yīng)

嚴(yán)格來講,地面效應(yīng)的概念只適用于在高速空氣動力學(xué)。飛機(jī)的翼尖渦流是這一理念被引入的主要原因。當(dāng)飛機(jī)機(jī)翼進(jìn)入高速狀態(tài)時(shí),其下表面的高壓氣流往往會越界翻滾到機(jī)翼上表面擾亂低壓氣流,從而形成誘導(dǎo)阻力。降低機(jī)翼的升阻比,導(dǎo)致機(jī)翼效率大降。而當(dāng)飛機(jī)近地飛行時(shí),由于與地面之前的空間更為有限,機(jī)翼下部的氣流層便會更加的平穩(wěn),從而擾亂翼尖渦流。在沒有翼尖渦流的情況下,機(jī)翼的攻角能變得更為接近理論水平,因此便使飛機(jī)更有效率。這就是地面效應(yīng)真正的作用。同時(shí)很多只在地效區(qū)域飛行的地效飛行器,也是利用這種原理來獲得更優(yōu)質(zhì)的升力,來提升機(jī)翼的效率。

但是在F1領(lǐng)域中,地面效應(yīng)被賦予了截然不同的概念。F1工程師通過特別設(shè)計(jì)的底盤(蓮花78,79)或風(fēng)扇(布拉漢姆車隊(duì)創(chuàng)造的BT46B型風(fēng)扇底盤賽車),人為地制造真空以獲取強(qiáng)大的吸地效應(yīng)。

離地間隙(賽車底部和賽道表面之間的距離)對提高底盤和擴(kuò)散器之間的聯(lián)系的效用有大的幫助,賽車的底板是最重要的空氣動力附加裝置。底盤和賽道之間的離地間隙越小,該區(qū)域氣流運(yùn)動的速度也就越大,根據(jù)伯努利方程,此區(qū)域的靜壓力也就減小,賽車所受的氣動負(fù)升力也就越大,使得賽車被強(qiáng)烈地“吸附”在賽道上,產(chǎn)生所謂的“地面效應(yīng)”。地面效應(yīng)曾被F1車隊(duì)用來提高車速,但為防止追求更高的轉(zhuǎn)彎速度而引發(fā)事故,FIA規(guī)定賽車前輪后后緣到后輪前緣部必須平直,限制了地面效應(yīng)的充分應(yīng)用。由此FIA規(guī)則規(guī)定賽車底盤上必須要安裝一志10mm厚的木板,若此木板低于9mm,該車會被取消參賽資格。

獨(dú)立的底板是安裝在每輛賽車底部的中間位置(從前到后)的硬木板,通過螺栓與承載式車身下側(cè)相連接,通過賽的對木板的磨損程度的檢查可判斷車輛底盤是否過低。

最早運(yùn)用地面效應(yīng)于賽車運(yùn)動中的時(shí)間是20世紀(jì)70年代,當(dāng)時(shí)考林-查普曼在蓮花賽車底部安裝一個空氣通道,通過前面的部分相對狹窄,但在向車尾延伸的同時(shí)不斷擴(kuò)大。由于賽車的底部離地間隙很小,所以通道和地面形成了一個封閉管道。當(dāng)賽車飛馳時(shí),空氣從車頭進(jìn)入,在底盤和地面之間加速,產(chǎn)生非常低的壓強(qiáng),從而產(chǎn)生向下的壓力。

時(shí)下賽車底部的設(shè)計(jì)多趨于部分或完全覆蓋——從理論上分析,對于完全由光滑底板覆蓋的車底而言,離地高度越低,進(jìn)入賽車底部前段的氣流速度越快,在車底形成的負(fù)壓區(qū)就越可觀?，F(xiàn)在F1賽車的底盤的形式多采用階梯型,已經(jīng)不會產(chǎn)生太多的地面效應(yīng),擴(kuò)散器就變得更加重要。

當(dāng)今也存在F1設(shè)計(jì)師將車底設(shè)計(jì)成從前向后升高或設(shè)置縱向凹槽的形式,地面與車底部的凹槽構(gòu)成拉伐爾管,亞聲速氣流在該管收縮段被加速,車身底部與車身上表面的壓力差增加,即增加了下壓力,拉伐爾管道的橫截面形狀、管道截面面積沿注射的變化等都影響車身底部的流態(tài)。

為了更好地提高F1賽車的下壓力,空氣動力學(xué)工程師運(yùn)用拉伐爾管效應(yīng)在賽車底部的兩側(cè)裝上整流裙,整流裙剛好接觸路面以密封底部氣流,使得車身降至20mm,仍然取得了很好的氣動效果。

滑動裙(sliding skirts)是安裝在賽車兩側(cè)散熱箱側(cè)面底部的風(fēng)翼,它阻止側(cè)面氣流通過賽車底部而使賽車底部形成真空,以此將賽車吸附在賽道上并增加賽車在變產(chǎn)中的側(cè)身附著力,成功地運(yùn)用了地面效應(yīng)。

另一輛應(yīng)用地面效應(yīng)創(chuàng)造下壓力的賽車就是戈登-穆雷開發(fā)的布拉漢姆BT46B賽車。然而與前者不同的是,由于BT46使用的阿爾法羅米歐引擎寬度大,并沒有足夠的空間賽車采用蓮花79那樣的擴(kuò)散器設(shè)計(jì)。穆雷決定,他要通過另外一套工作原理建立起賽車底部的真空效果——在賽車尾部增設(shè)一個巨大的風(fēng)扇裝置。在賽車尾部安裝了一個由引擎自主驅(qū)動的風(fēng)扇裝置。引擎轉(zhuǎn)速越快,這個裝置吸引賽車底部傳來的空氣就越多,由此建立起上述效果。像查普曼的蓮花賽車一樣,BT46B也安裝了側(cè)裙用以維持車下的低壓區(qū),但并未對賽車外形造成改變。然而同年內(nèi),圍場中的眾多車隊(duì)都譴責(zé)這一爭議涉及,稱其違反了“不可移動空氣動力裝置”調(diào)理。因此布拉漢姆車隊(duì)的所有者伯尼-埃克萊斯頓決定從賽車系列中拿掉BT46B,避免引起其他車隊(duì)的爭議。國際汽聯(lián)隨后將這款賽車的風(fēng)扇裝置視作“可移動空氣動力裝置”,對它施行了永久性禁令。

(10)、失速現(xiàn)象

在流體動力學(xué)中,失速是指翼型氣動攻角增加到一定程度(達(dá)到臨界值)時(shí),翼型所產(chǎn)生的升力突然減小的一種狀態(tài)。翼型氣動迎角超過該臨界值之前,翼型的升力是隨迎角增加而遞增的;但是迎角超過該臨界值后,翼型的升力將遞減。

簡單來說,飛機(jī)失速意味著機(jī)翼上產(chǎn)生的升力突然減少,從而導(dǎo)致飛機(jī)的飛行高度快速降低。注意失速并不意味著引擎停止了工作或是飛機(jī)失去了前進(jìn)的速度。

0°迎角繞流 5°迎角繞流

通過以上四幅圖,我們可以看到,當(dāng)翼片的氣動迎角超過某個值時(shí),附著在翼片上的氣流就會和翼片本身分離,在區(qū)域內(nèi)形成分離渦,這樣一來,下壓力或升力也就要相對減小。

在F1領(lǐng)域,失速現(xiàn)象被廣泛地運(yùn)用到減阻設(shè)計(jì)中,但是與航空領(lǐng)域不同的是,F1的翼片不能隨意地更改氣動攻角,因此,在F1領(lǐng)域創(chuàng)造失速現(xiàn)象的理論出發(fā)點(diǎn)就確立了:通過某種手段,阻礙翼片上下氣流的會合。即將翼片下方的氣流破壞,而最常見的手段就是吹氣:通過一股突然介入的氣流破壞翼片下方原有的環(huán)境,進(jìn)而影響翼下氣流的運(yùn)動路徑,創(chuàng)造失速。

邁凱倫在其2010年的MP4-25賽車上使用一種以失速現(xiàn)象為基礎(chǔ)原理的尾翼,這款尾翼在該賽季取得了巨大的成功,并立即被法拉利、紅牛、奔馳、雷諾等隊(duì)效仿,成為了2010賽季的“爭冠必備武器”。

上圖展示了失速尾翼的工作原理,邁凱倫的工程師們將氣流送到了尾翼的下部,這股額外的“不速之客”在尾翼的后方制造了渦流,這樣一來便破壞了尾翼下表面的氣流,使之無法與上表面的氣流匯合。失速現(xiàn)象便由此制造出來。這樣一來尾翼所制造的下壓力就可以忽略不計(jì),賽車在直道上的阻力就被大幅度降低,這種情況下引擎就可以為為賽車提供更大限度的動力輸出,賽車就可以獲得顯著的尾速優(yōu)勢,賽季初期,邁凱倫的兩輛賽車在尾速方面連續(xù)幾站包攬前二,更恐怖的是,MP4-25的極速比排在第二名的車隊(duì)快了6-10公里,這也是為何各隊(duì)紛紛效仿邁凱倫的原因了。

在此之后,運(yùn)用失速現(xiàn)象的奔馳,紅牛DDRS又使這項(xiàng)技術(shù)在F1領(lǐng)域中進(jìn)入了更加成熟的新階段。

第二

空氣動力學(xué)在F1領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用以及F1賽車的氣動特性淺析

一輛F1賽車可以在5秒內(nèi)加速到200km/h以上,極速更是高達(dá)350km/h,但是如果在彎道中輪胎沒有足夠的抓地力,那么引擎即使有足夠強(qiáng)勁的動力,也沒有機(jī)會充分發(fā)揮。因此過彎穩(wěn)定性可以極大程度地影響一輛F1賽車的綜合性能。為了提高過彎速度,除了要設(shè)置合適的懸架保證輪胎能最大限度地與路面接觸之外,還利用空氣提供額外的氣動負(fù)升力,即氣動下壓力。

對于輪胎來說,施加在輪胎上的載荷有三類:車身自重、車手體重和行駛過程中空氣提供的下壓力。其中,氣動下壓力可以在不增加額外質(zhì)量的前提下,提高輪胎的附著力,有效地提升賽車的過彎性能,甚至直接影響到車手的單圈成績。在引擎研發(fā)相對穩(wěn)定的框架下,對于下壓力的壓榨的開發(fā)被放在了新車研發(fā)的首要位置。

輪胎側(cè)滑角與車輪載荷的關(guān)系。

側(cè)向加速度與負(fù)升力的關(guān)系。

下面的文章將利用前面介紹的理論探討F1賽車的氣動問題。

對于目前的F1賽車而言,底盤、發(fā)動機(jī)和懸架是一輛賽車的必備組成成分,其余的部件則是為了滿足空氣動力學(xué)的的需要面安裝的,這此換們稱之為“氣動附加裝置”又可以分為兩類,一類是直接用來產(chǎn)生氣動負(fù)升力的裝置,包括前翼、后翼和擴(kuò)散器,壓力配比方面,前翼產(chǎn)生的下壓力占全部下壓力的30%,尾翼占30%,擴(kuò)散器占40%。另一類則是用來提升前、后翼以及擴(kuò)散器的工作效率的輔助性裝置,這此裝置通過提升氣流的傳輸效率,間接地提升賽車的氣動性能,這類裝置包括鼻錐及其下方的導(dǎo)流板,側(cè)箱前方的導(dǎo)流板等等。首先,我們就先從前后翼以及擴(kuò)散器展開對F1賽車氣動特性的討論。

前翼

前翼是安裝在車體最前端的氣動附加裝置,它不僅負(fù)責(zé)制造賽車前部的下壓力,還影響向后流動的氣流的走向。

前翼由主要結(jié)構(gòu)和眾多的附加結(jié)構(gòu)組成,(這一點(diǎn)是前翼的不斷發(fā)展與深化造成的,因此筆者的分類標(biāo)準(zhǔn)并不絕對唯一,僅供參考)。最前端的水平翼片稱為主翼,其后端帶有攻角的傾斜翼片稱為襟翼,理論上來說,只要擁有主翼和襟翼就可以產(chǎn)生下壓力,因此可以將主翼和襟翼概括為前翼的主要結(jié)構(gòu)(但是顯然大家都沒有見過這種前翼,因?yàn)榧词故?009年使用的那種原始的前翼也都安裝了垂直的端板,但是端板僅僅是一種提高主翼和襟翼工作性能的輔助性裝置,因此以氣動特性上來說,應(yīng)將其劃分為附加裝置,之后的附加級聯(lián)翼片,導(dǎo)流片亦是如此)。

人類在流體力學(xué)的研究過程中一直在發(fā)展,進(jìn)步,在可以產(chǎn)生氣動負(fù)升力的翼形的研究中更是如此,先后出現(xiàn)了伯努利,牛頓等不同時(shí)期的翼形,這些翼形在氣動性能上也不斷提升,今天F1賽車所采用的主襟翼結(jié)合的翼形就是人類經(jīng)過長期探索換來的智慧結(jié)晶,這種翼形不僅成熟,而且有效。

F1賽車在高速行駛時(shí),流過前翼所在區(qū)域的氣流被前前翼分割為兩部分:一部分從翼片的上表面流過,另一部分則流過翼片的下表面,這兩股氣流依附在翼片上流動,最后在前翼后方的某一區(qū)域重新匯聚,兩股的氣流的區(qū)別在于,由于襟翼與主翼呈一個很大的傾角,因此襟翼擁有較大的迎風(fēng)面積,在氣體的流動過程中,翼片上表面的氣流在流動中受到了阻礙,流速有所降低,而翼片下表面的氣流則可以在無阻礙的狀態(tài)下順利通過,結(jié)合前文提到過的運(yùn)用在氣體領(lǐng)域的伯努利方程p+1/2ρv2=P0 ,上翼面的氣流流速低,壓強(qiáng)大,下翼面的氣流流速高,壓強(qiáng)小,兩者作差,即產(chǎn)生了我們所需的氣動負(fù)升力。襟翼的氣動攻角越大,對翼片上方的氣流的阻礙作用也主越明顯,上、下翼面的流速差就越大,產(chǎn)生的氣動負(fù)升力就越大。下圖表示的是前翼和總的氣動負(fù)升力與襟翼攻角的關(guān)系。

Clw代表前翼的氣動負(fù)升力,CLtot代表總的氣動負(fù)升力。

但是在這種設(shè)置下存在著這樣一個問題:氣動攻角的增加意味著阻力的增加,換言之,增加氣動負(fù)升力的同時(shí)伴隨著阻力。

下面是前翼產(chǎn)生的氣動阻力隨氣動攻角的數(shù)據(jù)圖。

CDtot表示總的氣動阻力,CDw表示前翼的氣動阻力

由圖我們可以看出,前翼自身產(chǎn)生的阻力隨氣動攻角的增大而增大,而且二者近似呈線性關(guān)系,而賽車整體的氣動阻力則是呈先增大后減小的趨勢。簡單地說明一下,由于前翼位于賽車的最前端,其后就是賽車的前輪,因此這一位置十分特殊,相比之下,氣流直接撞擊在前輪上時(shí)產(chǎn)生的阻力要比在前翼上制造下壓力時(shí)形成的阻力可觀得多。當(dāng)襟翼的氣動攻角大到一定程度時(shí),就可以使部分氣流在離開前翼向上擴(kuò)散的過程中避開前輪,從而減小了氣流撞擊到前輪上的機(jī)會,因此,對于整車的氣動阻力而言,當(dāng)襟翼的攻角超過某一值時(shí),整車的阻力會有所下降,換言之,前翼抵消了部分輪胎上產(chǎn)生的阻力。

對于前翼而言,更大的襟翼攻角和更長的翼弦可以獲得更多的氣動負(fù)升力。但是在這兩種設(shè)置下下翼面的氣流很容易失去對翼片的依附而與翼面發(fā)生分離,我們常稱這一現(xiàn)象為氣流剝離,氣流剝離就會引發(fā)前翼失速,降低前翼的氣動負(fù)升力水平,因此,常需要在翼面上開槽來解決這一問題,開槽將完整的翼片拆分為若干部分,使得前翼上表面的氣流流入下表面,并保證每一小塊翼片上都時(shí)刻有氣流附著,這樣一來就避免了氣流的剝離從而大大地提升了前翼的氣動效率。

F138的前翼開槽。

前翼翼片的工作狀態(tài)與航空器有著很大的區(qū)別,一個重要的原因是受到了地面效應(yīng)的影響。一般來說,翼片的離地高度h越小,翼片越靠近地面,地面效應(yīng)的干預(yù)就越強(qiáng)烈,前翼就能制造出更多的氣動負(fù)升力,這種現(xiàn)象會一直持續(xù),直到離地高度h小到前翼下表面的氣流難以順利流動。下面這張圖好地表示了這種現(xiàn)象。

Cl表示負(fù)升力系數(shù),Cd表示風(fēng)阻系數(shù)。橫軸表示離地高度。

因此,變形前翼所帶來的氣動優(yōu)勢不言而喻。

航空領(lǐng)域中翼尖渦流是航空器面臨的一個大麻煩,它不僅形成了巨大的額外阻力,還使得飛行器的升阻比大大下降。對于前翼的翼片來說,上表面的壓強(qiáng)大,下表面的壓強(qiáng)小,這使得部分上翼面的氣流翻到下翼面,同樣破壞了氣動負(fù)升力。因此,F1賽車需要安裝端版,將上、下翼面的氣流限制在各自的區(qū)域內(nèi),提升前翼的氣動效益。

主翼,襟翼和端版構(gòu)成了一套最原始也是最簡單的前翼。然而隨著空氣動力學(xué)的快速發(fā)展,F1的工程師們顯然不滿足于這種初始前翼所提供的氣動負(fù)升力,于是開始有設(shè)計(jì)師給前翼安裝附加翼片,以此獲得更多的氣動負(fù)升力。在2005-2008年之間,這些附加翼的設(shè)計(jì)也越發(fā)大膽,從R25的小翼面設(shè)計(jì)到法拉利與鼻錐相連的附加翼,再到邁凱輪橫跨鼻錐的“橋狀附加翼”,F1的設(shè)計(jì)師對于附加翼的開發(fā)似乎永遠(yuǎn)都沒有滿足。

雷諾R25的小翼面附加翼。

F2008的大翼面附加翼。

MP4-22的橋狀附加翼。

2009年的技術(shù)改革讓F1賽車的前翼呈現(xiàn)出我們今天看到的模式,由于附加翼的安裝位置受到了限制(只能安裝在端版上),因此F1的設(shè)計(jì)師開始細(xì)化附加翼的設(shè)計(jì),從原始的單一功能向著多功能的方向演變,現(xiàn)在的附加翼多采用級聯(lián)翼片,不僅可以制造額外的氣動負(fù)升力,還可以誘導(dǎo)氣流避開前輪。

F1賽車的前翼的工作受到多種因素的影響,首先,作用在翼面上的氣流并不是理想狀態(tài)的,風(fēng)速,風(fēng)向都時(shí)刻變化,且不確定,此外,賽車在彎道中行駛時(shí),作用在翼面上的氣流會發(fā)生橫向的偏轉(zhuǎn)和移動,形成不穩(wěn)定的流場,這不僅降低了前翼產(chǎn)生的氣動負(fù)升力的效率,還影響到了前翼后部的氣流環(huán)境,不利于氣流的正常傳輸,針對以上這兩種情況,F1的設(shè)計(jì)師分別用了如下應(yīng)對措施:

Ⅰ.增大產(chǎn)生氣動負(fù)升力的翼面的有效面積,我們可以注意到,09年改革以前的F1賽車襟翼一直延伸至鼻錐的下方,這就意味著鼻錐下方的翼面上也可以產(chǎn)生氣動負(fù)升力。我們以邁凱倫MP4-20的前翼為例,邁凱倫MP4-20的前翼由三片組成,與主翼板吻合,三片翼板都保持著平緩的曲率、中間下沉兩邊高的特征。當(dāng)?shù)捅砻娴臍饬?與前翼處于相同高度的氣流)出現(xiàn)分離、擾動時(shí),前翼受到橫向氣流的影響會被減至最低,因此整個套件非常穩(wěn)定。賽車的特性是:易于駕駛,敏感程度極低。

對于09年以后的規(guī)則,1.8米寬的前如果仍然采用這種設(shè)計(jì),那么制造出的下壓力就太可怕了。這與FIA致力于給F1賽車減速的觀念是背道而馳的。因此,在09版的技術(shù)規(guī)則里,FIA規(guī)定前翼中央的500mm區(qū)域必須采用“標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)”即僅保留主翼,不允許制造額外的氣動負(fù)升力。

1800mm的前翼被FIA明確地規(guī)定成了五段,其中中央的500mm必須采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

Ⅱ.在前翼的下翼面設(shè)置用于梳理氣流的整流片,這些整流片可以控制下翼面的氣流走向,盡可能地防止下翼面的氣流發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)和側(cè)移,減小離開前翼的氣流對前翼后部區(qū)域產(chǎn)生的擾動,保證賽車前部的氣流環(huán)境相對穩(wěn)定。

F138前翼下方的導(dǎo)流片。

篇幅問題,尾翼和擴(kuò)散器放到下一期,盡請期待!

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