F1是由國(guó)際汽車聯(lián)合會(huì)(FIA)組織的最高水平的年度賽車比賽?？諝鈩?dòng)力學(xué)是F1賽車設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素，它將直接影響賽車的性能，是比賽成功的關(guān)鍵。由于F1賽車的特殊結(jié)構(gòu)，其空氣動(dòng)力特性與一般乘用車有很大的不同。F1賽車的速度非常高，它的空氣動(dòng)力學(xué)造型必須設(shè)計(jì)良好，以產(chǎn)生足夠的負(fù)升力，以確保其運(yùn)行穩(wěn)定性。F1賽車通常是在高速模式下,起伏的俯仰角經(jīng)常變化,因?yàn)榈缆坊蚱渌?導(dǎo)致空氣動(dòng)力特性的變化將直接影響駕駛能力和穩(wěn)定性,甚至危及汽車和司機(jī)的安全?？諝鈩?dòng)力特性是目前汽車研究的熱門(mén)領(lǐng)域，許多研究成果已應(yīng)用于乘用車，它是發(fā)達(dá)國(guó)家汽車技術(shù)的核心技術(shù)之一。國(guó)內(nèi)對(duì)F1賽車氣動(dòng)特性的研究主要集中在保持賽車姿態(tài)不變的情況下，對(duì)不同俯仰角下的氣動(dòng)特性和尾跡變化的研究較少。然而，俯仰角由于路面的起伏而不斷變化，氣動(dòng)特性的變化將直接影響操縱穩(wěn)定性。透徹理解不同俯仰角下的流動(dòng)特性變得極其重要。本文研究了F1賽車模型在不同俯仰角度下的氣動(dòng)特性。從氣動(dòng)特性分析到流場(chǎng)分析，全面分析了氣動(dòng)性能的變化，為更好地設(shè)計(jì)賽車提供經(jīng)驗(yàn)。

1  數(shù)值模擬

1.1  模型概述及俯仰角仿真方法

圖1為F1賽車的數(shù)字仿真模型。

如圖2所示,在計(jì)算域中，前后軸中心平面與計(jì)算域底部的交線為旋轉(zhuǎn)軸,圖中的Y軸。使車身(包括車輪和懸架)繞Y軸旋轉(zhuǎn)順時(shí)針)的β角定義為車身俯仰角。在俯仰角度的選擇上，本文選取了0°、0.5°、1°、1.5°和2°。圖3分別為不同俯仰角度下的車身姿態(tài)。



圖1 F1賽車的數(shù)字仿真模型



圖2 車身旋轉(zhuǎn)示意圖


圖3 不同俯仰角度下車身姿態(tài)

1.2  數(shù)值模擬

數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方體，如圖4所示。計(jì)算域的長(zhǎng)度是車輛的8倍，寬度是車輛的11倍，高度是車輛的9倍。在圖4中，a、b、c、d、e、f區(qū)域的邊界逐漸向模型靠近，網(wǎng)格的大小也逐漸變小，網(wǎng)格的總數(shù)是四千萬(wàn)。模擬持續(xù)時(shí)間為100000個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)(1.283秒)。車體坐標(biāo)系規(guī)定氣動(dòng)參考點(diǎn)(車體縱向?qū)ΨQ面與地面交點(diǎn)為直線L，前后軸車體對(duì)稱面與直線L交點(diǎn))為原點(diǎn)。


圖4 計(jì)算域示意圖

利用CFD商業(yè)軟件PowerFlow進(jìn)行了計(jì)算，本文不使用EXA公司的PowerFLOW軟件的最佳實(shí)踐，因?yàn)樗奶厥庥?jì)算模型。邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 邊界條件


2  結(jié)果分析

2.1  力系數(shù)分布

圖5和圖6是不同俯仰角下阻力系數(shù)(CD)和升力系數(shù)(CL)的分布。從圖中可以看出，隨著俯仰角的增大，阻力系數(shù)減小，空氣升力增加。如圖7所示，汽車分為五個(gè)部分:前翼、后翼、車輪、車身和底板。表2為不同俯仰角下各部分的阻力系數(shù)。從表中可以看出，阻力貢獻(xiàn)由大到小依次是車輪、車身、后翼、前翼和底板。圖8為各部件在不同俯仰角度下的阻力系數(shù)變化曲線。從圖中可以看出，隨著俯仰角的增大，前后翼的阻力減小，車身和車輪的阻力增大。主要原因是當(dāng)俯仰角改變時(shí)，前后翼迎角發(fā)生變化，導(dǎo)致阻力系數(shù)降低。表3為不同俯仰角度下汽車各部分升力系數(shù)。圖9是不同俯仰角度下汽車各部分升力系數(shù)的貢獻(xiàn)直方圖。圖10為不同俯仰角下升力系數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出，負(fù)升力貢獻(xiàn)主要來(lái)自底板、后翼和前翼，車輪和車身主要是提供升力。


圖5 不同俯仰角度下阻力系數(shù)的變化曲線


圖6 不同俯仰角度下升力系數(shù)的變化曲線

表2 不同俯仰角度下的阻力系數(shù)



圖7 車身各部位示意圖


圖8 不同俯仰角度下車身各部件阻力系數(shù)變化曲線


圖9 不同俯仰角度下賽車及其零部件的升力曲線


圖10 各部件升力系數(shù)隨俯仰角的變化曲線

圖11和圖12為前后軸升力系數(shù)隨俯仰角變化的曲線。從圖中可以看出，前后軸升力系數(shù)隨著俯仰角的變化而增大。


圖11 不同俯仰角度下前軸升力系數(shù)


圖12 不同俯仰角度下后軸升力系數(shù)

2.2  壓力分布

圖13是不同俯仰角度下汽車和尾翼的壓力分布圖。氣流在前翼、頭部和尾翼上形成了一個(gè)高壓區(qū)。左右兩側(cè)壓力呈對(duì)稱分布;隨著俯仰角的增大，尾翼的壓力逐漸減小，從而可以減弱負(fù)升力，導(dǎo)致尾翼升力系數(shù)隨著俯仰角的增大而增大。

圖14為不同俯仰角度下汽車下表面的壓力分布圖。從圖中還可以看出，汽車前翼、后翼和車身下表面的壓力增大，升力也逐漸增大，底板壓力明顯增大，這與底板升力系數(shù)貢獻(xiàn)顯著增大的結(jié)果是一致的。上表面壓力減小;下表面壓力增加。因此，上、下表面的壓差減小;隨著俯仰角的增大，升力系數(shù)增大。


圖13 不同俯仰角度下汽車和尾翼的壓力分布圖


圖14 不同俯仰角度下汽車下表面的壓力分布圖

2.3  流場(chǎng)分布

圖15為不同俯仰角度下中心對(duì)稱面的速度剖面。從圖中可以看出，在車的底部，前翼附近的氣流速度隨著俯仰角的增大而增大。


圖15 不同俯仰角度下中心對(duì)稱面的速度剖面

前部離地間隙增大，后部離地間隙減小，流向底部的氣流增加，而出流率減小，從而解釋了地板升力系數(shù)的貢獻(xiàn)隨俯仰角的增大而急劇增大的現(xiàn)象，這也與圖14中體底壓力增大的趨勢(shì)一致。同樣，整車的升力也會(huì)增加。

結(jié)  論

1.隨著俯仰角的增大，阻力系數(shù)逐漸減小。阻力系數(shù)的減小主要發(fā)生在前翼和后翼，主要原因是前翼和后翼的攻角發(fā)生了變化。

2. 負(fù)升力主要由前翼、后翼和底板提供。隨著俯仰角的增大，上述三個(gè)分量的負(fù)升力逐漸減小，這是由于地面效應(yīng)的減小。值得注意的是，當(dāng)俯仰角達(dá)到2度時(shí)，底板的升力系數(shù)是非常明顯的，主要原因是隨著俯仰角的增大，擴(kuò)壓器與地面的距離越小，流動(dòng)被阻塞，導(dǎo)致擴(kuò)壓器效應(yīng)逐漸減弱，底壓顯著增大，升力系數(shù)增大。隨著俯仰角的增加，車輪和車身總是促進(jìn)升力的增加。

文獻(xiàn)來(lái)源：
Zhang, Y., Yang, C., Wang, Q., Zhan, D. et al., “Aerodynamics of Open Wheel Racing Car in Pitching Position,” SAE Technical Paper 2018-01-0729, 2018, doi:10.4271/2018-01-0729.