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F1賽車的尾流研究

2018-04-09 13:03:44·  來源：AutoAero  
　
F1賽車是世界上最具觀賞性的汽車競賽之一，其中的一個關(guān)鍵的能夠提高賽車在賽場表現(xiàn)的方法是改善賽車車身的空氣動力特性。在F1比賽中，賽車需要保持足夠的抓地力，提高作用在賽車后橋的下壓力是為了提高賽車行駛的穩(wěn)定性，提高作用在賽車前橋的下壓力是為了保證賽車的轉(zhuǎn)向性能。在比賽中，隨著車速的不斷變化，下壓力的中心與賽車重心的相對位置是不斷變化的。
F1賽車是世界上最具觀賞性的汽車競賽之一，其中的一個關(guān)鍵的能夠提高賽車在賽場表現(xiàn)的方法是改善賽車車身的空氣動力特性。在F1比賽中，賽車需要保持足夠的抓地力，提高作用在賽車后橋的下壓力是為了提高賽車行駛的穩(wěn)定性，提高作用在賽車前橋的下壓力是為了保證賽車的轉(zhuǎn)向性能。在比賽中，隨著車速的不斷變化，下壓力的中心與賽車重心的相對位置是不斷變化的。這里我們采用一個數(shù)值來描述賽車的空氣動力穩(wěn)定性（Aerodynamic balance）。即前橋的升力系數(shù)比整車的升力系數(shù)乘以100。
 
 
目前35%-45%的Aero balance值被認為是最佳的穩(wěn)定性的數(shù)值。
在F1比賽中，后方跟隨的車輛往往會受到前車行駛尾流的影響，造成后車跟車行駛時的下壓力不足和操縱失穩(wěn)等情況。
 
 
如上圖所示，賽車的最主要的增大下壓力的部件有前翼、尾翼和下車體位置的擴散器裝置。本文采用試驗與仿真對照的方法，研究前車尾流對于后車的具體影響效果和影響因素。
風(fēng)洞試驗在Durham University 2m wind tunnel進行，選用25%賽車比例模型。在該研究試驗中需要用到前車來產(chǎn)生尾流并作用到后車上，即用到兩臺賽車。然而由于風(fēng)洞尺寸的限制，作者設(shè)計了一個尾流發(fā)生器用來模仿前車的尾流，具體的造型如下圖所示。
 
 
在CFD數(shù)值仿真方面，使用PowerFlow進行，湍流模型在網(wǎng)格中執(zhí)行。仿真中采用了LBM兼容的大渦模擬的方法。同樣采用25%比例的幾何模型，網(wǎng)格數(shù)量為1.6×10?，最小網(wǎng)格尺寸為1.5mm。
首先來看獨立賽車的風(fēng)洞試驗。由于要研究受到尾流影響的賽車表面壓力及流場狀況，先選取獨立賽車進行風(fēng)洞試驗和仿真作為參照。下圖為在不同的俯沖角狀態(tài)下，下壓力和穩(wěn)定性隨底盤高度的變化曲線。由圖可以看出，在各個俯沖角度下，隨著底盤高度的升高，車身下壓力是不斷降低的。由試驗數(shù)據(jù)的綜合，最佳的空氣動力方案為2mm的底盤高度，俯沖角度為零。在這樣的條件下，賽車會擁有1.21的壓力系數(shù)和41.5%平衡性能，在之后的研究中也將采用這種車身姿態(tài)和底盤高度。
 
 
下圖為獨立賽車仿真的壓力云圖，可以看出，在前翼的下表面、底盤邊緣和擴散器的位置會產(chǎn)生低壓區(qū)，高壓區(qū)主要分布在車輪的正面。
 
 
在對獨立賽車進行了簡要分析之后，進入到尾流影響的研究階段。下面的表格展示了幾種不同研究方法的相對偏差，可以看出偏差量并不可觀，風(fēng)洞和仿真的對比研究的可信度較高。
 
 
 
如上圖所示，作者對在尾流條件下行駛的賽車各部分所受到的影響進行了分塊的研究。研究參數(shù)分別為氣動阻力系數(shù)和下壓力系數(shù)。首先來看尾流對于氣動阻力系數(shù)的影響，整體來看尾流的存在會使賽車各部分的氣動阻力系數(shù)產(chǎn)生或多或少的降低，可以很明顯地看出車輪是氣動阻力系數(shù)占比最高的一個部分，然而卻并不是產(chǎn)生數(shù)值變化最多的一個部分?？梢钥吹?，跟車行駛時，尾翼位置的氣動阻力系數(shù)是衰減最明顯的一個部分，這一點對于跟車行駛是非常有利的，低的氣動阻力系數(shù)可以使后車具有更好的加速能力。然而，在下壓力影響對比圖中，我們也可以看到，尾流對于后車跟車行駛時的下壓力的影響也是十分巨大的，其中，尾翼位置會產(chǎn)生最多的下壓力損失，前翼的下壓力損失也是可觀的?？傮w來看能夠看出，尾流中行駛的賽車雖然可以面對更小的氣動阻力，但與此同時下壓力不足帶來的操縱穩(wěn)定性問題同樣不可忽視。
 
 
上圖為賽車在跟車行駛時的壓力云圖，相比于上面展示的獨立賽車的壓力云圖，我們能夠看到很大的變化。首先，之前的低壓區(qū)的壓力在跟車行駛的狀態(tài)下會有一定的升高，相反，之前高壓區(qū)的壓力會有一定的降低。另外，雖然前翼上和底盤前緣的壓力相差不多，但底盤的面積更大，因此底盤位置的壓力損失也就更值得關(guān)注。
接下來對尾流影響的顯著特點進行研究。前文曾提到，前翼下壓力在尾流行駛情況下有著很大的衰減。通過對尾流形態(tài)的分析可以知道，上翻渦旋和流體速度缺損（velocity deficit）是尾流對于后車影響的主要方式。如下圖所示，圖中顯示了由上翻渦流和速度缺損產(chǎn)生的下壓力影響的曲線，可以觀察到，速度缺損曲線與風(fēng)洞測量總值曲線更加吻合，說明速度缺損對于前翼位置下壓力衰減的影響是相對較大的。
 
 
另外需要研究的是尾流的存在對于壓力分布的影響，下圖展示出中心線壓力值和1/4偏移截面壓力值。通過對圖線的分析可以得到結(jié)論：氣動壓力的影響是后車下壓力降低的主要原因。
 
 
 
在本次研究的CFD模擬環(huán)節(jié)當(dāng)中，尾流是利用非統(tǒng)一邊界條件來設(shè)置入口邊界的，因此可以很方便地改變尾流形態(tài)來進一步研究尾流的影響。下表展示了各種尾流形式下，阻力系數(shù)和下壓力系數(shù)的變化以及變化率百分比的值?？梢钥闯?，對于前三項，即全尺寸前車、定常入口和時變?nèi)肟趤碚f，其阻力系數(shù)和下壓力系數(shù)值的變化并不明顯。當(dāng)從尾流中取消x方向的缺損即車身縱向速度缺損時，阻力系數(shù)進而下壓力系數(shù)的降低得到了緩解，這也進一步驗證了尾流中縱向的速度缺損的巨大影響。表格中的第五項研究了二次流對于跟車行駛的影響，可以看到，在取消二次流方向上的尾流時，阻力系數(shù)和下壓力系數(shù)的衰減有重新回到前三項的量級上，這就意味著，在二次流方向上的尾流對于后車的影響與縱向尾流所對跟車行駛產(chǎn)生的影響效果是剛好相反的。
 
 
為了進一步研究在二次流方向上尾流的影響，分別取y方向和z方向進行單獨分析，分析的方法是在入口邊界條件設(shè)置y方向和z方向尾流±5%和±10%的增減量，然后對結(jié)果進行分析。模擬結(jié)果如下圖所示，可以明顯看出，除了阻力系數(shù)之外，升力系數(shù)與二次流的存在也有著線性關(guān)系。
 
空氣動力學(xué) F1賽車 尾流
 
F1比賽一直都是以極強的觀賞性著稱，但由于官方出于安全考慮而對賽車性能進行的限制，導(dǎo)致車身在加速能力和抓地力方面的性能不能夠完全的得以發(fā)揮。這時，跟車行駛時對于尾流優(yōu)勢的利用和對于尾流帶來風(fēng)險的規(guī)避就變得更加重要了。
F1賽車尾翼產(chǎn)生的下壓力會使尾流產(chǎn)生上翻的效果，這個效果會使尾流中的低速氣流向上運動并超過后車的高度。相反，底盤位置在尾流中產(chǎn)生的低壓區(qū)會抑制up-wash，會使氣流保持原來的位置。由上文分析可知，dynamic pressure deficit是造成后車表面壓力變化的主要原因，也是對后車負面影響的主要方面。將來的規(guī)定的目的是要通過減少這個deficit來增強后車跟車行駛的穩(wěn)定性和超車能力。
 
 
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