計算流體力學在F1賽車運動中的應用

周福亮

摘 要：運用計算流體力學的方法能夠對F1賽車外形的設計進行優(yōu)化，從而將空氣動力學特征改善。通過結果可以知道，運用流體力學方法可以在短時間里實現模擬計算多種設計方案，獲得賽車外形和氣動阻力等空氣動力學特征定量的關系，還可以研究F1賽車操縱穩(wěn)定性，噪聲以及排、進氣道等。

關鍵詞：計算流體力學；F1賽車；空氣動力學

引言：計算機技術在近些年發(fā)展速度加快，在F1空氣動力學中計算流體力學應用比較廣泛。對F1行駛進行研究的過程中，其和空氣是相對運動，F1附近空氣流動狀況與空氣作用給F1的力、F1各類外部形狀影響空氣流動以及空氣動力。除此之外，F1中空氣的作用還展現在清潔F1車身外表面、車身覆蓋件振動以及氣流噪聲等。

1 計算流體力學在F1賽車運動中應用的作用

計算流體力學與風洞試驗相比，沒有其精度高，但計算流體力學的構建是基于經典力學、計算機技術以及數值計算方法，其優(yōu)點是成本低以及有較短周期，在某種意義上數值模擬相較于理論和實驗，對于流體運動過有著更加深刻、細致的認識，不只能夠對運動結果進行了解，并且能夠對整體和局部產生的細小擾動加以掌握。計算技術在近幾十年里高速發(fā)展，計算流體力學能夠通過數值對F1外場流態(tài)進行模擬，進而獲取需要的F1空氣動力學特征參數意義十分重大?，F階段，該方法受到了很大程度上的關注，在F1中能夠將自身優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，成為設計F1中先進、有效的現代方法。

2 流體力學在F1賽車中的具體應用

2.1空氣動力學的應用

設計F1的車身外形依據的主要是人機工程學、機械工程學以及空氣動力學，前兩項能夠決定F1的基本骨架，在內部控制F1車身外形，而F1的外部限制條件則為空氣動力學?？諝鈩恿μ卣鲿1的穩(wěn)定特征、驅動特征、操作特征、噪聲特征、燃油經濟問題以及加速性能等有直接影響，甚至一些會對行駛安全造成影響。行駛F1時受到的空氣作用力能夠分解成6個分量，分別是升力、阻力、側向力、側傾氣動力矩、縱傾氣動力矩與橫擺氣動力矩。在這些分量中，因為現階段F1空氣阻力動力的消耗與策動摩擦相差無幾，因此在長期發(fā)展中空氣阻力系數是對F1空氣動力性能進行衡量最基礎的參數，研究F1空氣動力學最主要的內容為采取有效方法將F1空氣阻力系數降低。通過多年的試驗研究，已經可以在很大程度上降低氣動阻力系數，特別是賽車氣動阻力更加接近0.15。在這樣的情況下，在設計F1外形過程中，應該深入的研究F1空氣動力學。

2.2空氣噪聲

設計師們運用較為簡單的計算流體力學模擬模型，開展風洞試驗，對F1中幾個噪聲源產生的空氣噪聲進行研究。噪聲的主要來源有A型門柱產生的渦流、后車軸上產生的分離氣流、側車窗中產生的分離氣流。這三類空氣流動有著比較復雜的情況，主要是來評估噪聲。單一的應用計算流體力學來計算，會產生較大的工作量，并且會浪費很多時間。實際上，這三個值能夠運用風洞試驗來獲取。然而，在風洞試驗中這些值不能夠直接進行測量，只能夠處理試驗數據來提取。相較于風洞試驗數據，計算流體力學簡化后將不會具備良好的計算數據精度，但通過網格關聯的方法，能夠較為方便的來處理計算數據。在實際中，可以有效結合使用這兩種方法，充分發(fā)揮出兩種方法的優(yōu)勢，使計算精度更高。

2.3底部流場F1空氣動力特征的關鍵影響

在行駛F1賽車時會出現三道氣流，這三道氣流來自不同方向，怎樣進行處理，怎樣處理更加方便有效，是F1空氣力學研究專家們很重視的課題。F1賽車在行駛情況下，先會出現一道經過車體和尾翼上方的氣流。這一氣流能夠決定車體縱向荷重。與此同時，在側方運用散熱器氣流的作用也十分重要，由于這一氣流可用來冷卻發(fā)動機，從而應該在散熱器進氣口進行導入，接著由車體排氣口導出，并且不應和車體上方流經的氣流互相干擾，防止由此出現的亂流對車體行駛穩(wěn)定性造成影響。除去車體側方以及上方外，經過底盤的氣流非常重要，由于這一氣流是主要構成下壓力的條件，同時其占據車體側方以及上方總體氣流量45%以上。在這樣的理由之下，良好設計F1賽車底部的戰(zhàn)略具有非常重要的意義。為將車體底部空氣動力性能有效提升，可在車尾下方安裝導流板，使其成為關鍵的空氣動力套件。在設計車體底部的過程中，車底中央底板將按照賽會規(guī)則進行，從而各隊賽車不會存在太大的差異性。在運用計算流體力學的計算得知，因為地面以及車輪旋轉等效應的影響，F1底部流動復雜將會嚴重影響整個車的外部結構以及空氣動力性能。在這樣的基礎之上，模擬數值與實車試驗應該更加細致深入的展開，對F1底部流動復雜特征加一張我，進而優(yōu)化F1空氣動力性能。

2.4進、排氣道

運用計算流體力學開展“數值試驗”，能夠將試驗研究的工作量大幅減少，在選擇以及評價各種設計方案方面更加方便。F1發(fā)動機中進、排氣道屬于比較重要的部分，其設計質量會對發(fā)動機性能產生直接影響。模擬氣道內氣的體流動數值，能夠獲取氣道內流速以及壓力等參數空間上的分布，同時構建安裝位置、氣道形狀、流動規(guī)律、特征的關系，以便于更好的設計和優(yōu)化F1發(fā)動機的進、排氣道。

3 結語

運用計算流體力學能夠優(yōu)化設計F1賽車外形，進而將其空氣動力學特征提高，加強F1賽車性能。本文主要通過對計算流體力學進行研究，探討其應用在F1賽車運動中的作用，以及其具體應用，主要是在F1賽車操縱穩(wěn)定性、底部流場與空氣動力特征關系、空氣噪聲以及排、進氣道等內容，以供參考。

參考文獻：

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