空氣動力學在F1賽車上的運用

宋濤 胡瑞

（天津大學內燃機研究所天津300072）

空氣動力學在F1賽車上的運用

宋濤 胡瑞

（天津大學內燃機研究所天津300072）

在F1賽車的研究中，空氣動力學研究的核心目的是在保證賽車獲得足夠壓力的情況下擁有最小的空氣阻力，以提高賽車的速度和高速行駛的穩定性。在空氣動力學實驗中，工程師們最關注的主要是3個方面的內容：下壓力、阻力和靈敏性（敏感度）。巨大的下壓力可以提高賽車的過彎極限，但是在理想狀態下，下壓力的增加不應當帶來賽車阻力的增加，但是不可避免的卻會犧牲賽車的部分極速。賽車的空氣動力學靈敏性（敏感度）則是指賽車的狀態性能對于空氣動力學環境改變時自身變化的強弱，例如由不平整的賽道路面帶來的賽車翼片以及底盤和路面距離之間的頻繁變化時，賽車性能所受到的干預強弱。

空氣動力學F1方程式賽車操穩性

引言

空氣動力學是流體力學的一個分支，是研究空氣或其他氣體的運動規律，空氣或其他氣體與飛行器或其他物體發生相對運動時的相互作用和伴隨發生的物理化學變化的學科。它是在流體力學基礎上隨航空航天技術的發展而形成的一門學科。

空氣動力學的研究內容根據空氣與物體的相對速度是否小于約100 m/s（即時速360 km/h，也有根據時速400 km/h為界來劃分的）[1]，可分為低速空氣動力學和高速空氣動力學，前者主要研究不可壓縮流動，后者研究可壓縮流動。F1賽車的研究內容便屬于前者。

1 F1賽車與風洞試驗

說到F1賽車車身，最值得一提的便是各種空氣動力學組件。由碳纖維打造的車身和底盤固然是一個亮點，但由于空氣動力學原理在F1賽車車身和底盤設計上的廣泛應用，見圖1，使F1車隊對于空氣動力學的研究和相應的組件設計達到了其他任何賽車都無法比擬的水平和規模，這正是F1卓爾不群的原因之一。

圖1 法拉利F10

對于F1而言，時間就是金錢，同時時間也需要耗費金錢。據專家統計：目前F1車隊在空氣動力學開發上的花費已占到整個車隊年度預算的15%，現在唯一能超過這筆費用開支的只剩下引擎開發了。新建一個全新的F1風洞至少需要花費4500萬歐元。但盡管如此，如今的大多數F1車隊還是在幾年前便修建了屬于自己的風洞。

F1風洞最引人矚目的可能就是其巨大的碳纖維風扇了，它的極限轉速可以達到6000r/min，其驅動引擎的峰值功率更是可以達到令人汗顏的3MW，即4000匹馬力左右，這相當于4臺主戰坦克所提供的動力之和。如此強大的動力其帶來的實際效果將是怎樣的呢？答案是能在30s內將靜止的空氣加速到300km/h。此時托起賽車模型的傳送帶的作用則是模擬賽車在比賽中的各種路況和車身姿態，最大限度保證模擬的真實性和有效性。

當進行空氣動力學測試時，技師們的視點將放在3個方面：下壓力、阻力和靈敏性（敏感度）。巨大的下壓力可以提高賽車的過彎極限，但是在理想狀態下，下壓力的增加不應當帶來賽車阻力的增加，但是不可避免地卻會犧牲賽車的部分極速。賽車的空氣動力學靈敏性（敏感度）則是指賽車的狀態性能對于空氣動力學環境改變時自身變化的強弱，例如由不平整的賽道路面帶來的賽車翼片以及底盤和路面距離之間的頻繁變化時，賽車性能所受到的干預強弱。

2 影響賽車速度的幾種阻力

空氣動力學看起來是一個很讓人傷腦筋的名字：空氣也能產生動力？其實，這里說的空氣動力并不是要把空氣變成賽車的動力，而是讓空氣在賽車高速行駛過程中的高速流動而產生的氣壓變成對賽車有利的力量。首先我們來分析一下，在賽車的運動過程中，哪些力量構成對賽車的阻力。

首先，所有的液體和氣體都是由可滑動的粒子組成的。當液體或氣體通過一個表面時，最靠近表面的粒子層會附著在表面上。而這一層之上的粒子運動會因為物體表面相對靜止不動的粒子層而減慢。同樣，這一層以上的粒子的運動也會受到影響，導致滑動速度的減慢，只是減少量減小了。離物體表面越遠，粒子層受的影響越小，直到它們以自由粒子移動。那一段導致粒子滑行速度減慢的層，稱之為臨界層。它出現在物體的表面，形成表面摩擦力。

力需要改變分子的運動方向，于是形成了第二種力，稱之為形狀應力。在空氣動力學中，尺寸也是因素。賽車的前鼻（當你正面看到賽車的那一部分）越小，分子改變方向的面積越小，也越容易通過。少量的引擎動力被流動的空氣所吸收，絕大多數都轉化為在賽道上疾駛的動力。在規定的引擎作用下，賽車就能跑得更快。

然而事情并不是那么簡單，物體的形狀也很重要，它決定了分子移動的難易。空氣習慣附著于物體表面，所以在氣流中拉動一個光滑表面的盤子要比拉一個類似前鼻的弧線狀碗困難得多。氣流會在碗狀表面上翻轉，但是卻會黏著在光滑的盤子表面。空氣動力學的研究發現，淚珠狀形體最易于通過氣流。圓頭在前，尖端在后，大多數人可能覺得很奇怪。

當氣流沿著曲線運動（或是改變方向），只要是薄薄的，它的運動不會發生改變。然而，當曲線有一定的形狀，或者方向突然變化（就像遇到尖的物體），氣流會在物體表面一分為二，而沒有足夠的能量來通過表面。這種情況是需要避免的，因為臨界層是很厚的，前面的氣流就會減慢，并像固體表面一樣阻擋了后面的氣流。所以尖的物體通過氣流只能產生更大的阻力[2]。

當然，也不是說圓形物體就是更為理想的形狀。當一個球在空氣中運動，一開始氣流會隨著球的弧線而變化，然而，當它通過球體半徑最大處后，氣流仍會追尋球的弧線，但這時球面已急劇趨向減少。對于氣流運動來說這是最困難的，所以當氣流通過半徑點后，就不再依附于球體表面，而變得散亂無章。散亂的氣流會無序地旋轉，比起自由運動的氣流產生的壓力較小，所以會產生吸引力來阻礙球體的運動，減慢其運動速度。而前面所提及的淚珠狀物體，當氣流通過類似球體的弧線后到達臨界破壞點時，淚珠狀形體會有一個傾斜面來支撐氣流的運動。物體得以干凈利落地以最小的阻力從氣流中通過。舉個簡單的例子：一個自由下落的懸垂液滴必定是淚珠狀，因為這樣的空氣阻力最小，如果只是簡單的球面，只會造成更大的阻力。

最后一種應力是誘導應力，它是下壓力不可避免的產物，表現形式是氣流漩渦，這種漩渦可以在下雨天流經賽車尾翼的水汽中看得清清楚楚。

3 翼板等關鍵性空氣動力學部件的設計靈感：從流動的空氣中獲得下壓力

對空氣動力學在賽車設計上應用的研究工作是近20年才興起的。20世紀60年代，F1車隊認識到在車身不同地方加裝翼板等擾流部件能夠有效提高賽車在彎道上的速度。但由于當時缺乏理論體系指導，對這些翼板該加裝在什么地方，翼板的面積應該多大，角度如何，車隊并沒有一個成形的概念，大家都在不斷摸索和嘗試中。再加上當時的加工工藝并不成熟，翼板在比賽中脫落造成傷亡的例子比比皆是，于是，在賽車上加裝空氣動力學部件一度被禁止。然而，隨著空氣動力學理論體系的發展，加上計算機科技的興起，使車隊深入研究空氣動力學對賽車影響的想法變為可能[3]。

按照上述理論，F1賽車外形應該做成完全的淚滴形狀，以最大限度的減小阻力。但是，在實際的F1賽車車身設計中，車身的設計師最先考慮的問題是獲得足夠的下壓力從而使輪胎有足夠的抓著力緊貼地面，其次才是阻力。這是由于：1）賽車經常需要急促地加速、減速，這時候必須保證足夠的地面抓著力；2）賽車在行駛中變換方向的時候很容易受到離心力的作用，這時候單憑車身的重量很難維持賽車輪胎對地面的抓著力，容易造成失控，而抓著力越高，賽車在過彎時的速度就可以提高；3）F1賽車引擎能夠輸出足夠的動力，讓賽車在相當大的阻力下依然能獲得高速度。在這三點因素共同作用下，抓著力成為了第一要素。所以，如何從流動的空氣中獲得下壓力是車身設計時的考慮重點。

這一點，借助飛機機翼工作原理來理解。在空氣動力學中，機翼的作用是在空氣流動的時候產生升力，其原理是：當空氣流過機翼的時候，一部分從翼板上方流過，一部分則從下方，而最后這兩部分空氣在翼板后方重新結合起來。飛機的機翼設計讓機翼的上表面比下表面更長，從而使機翼上面的空氣流速要比機翼下方流速快。按照貝努力方程原理，空氣流速越快，則其密度越小，氣壓相應減小，這樣，飛機機翼上方的氣壓就比下方的氣壓小，從而產生升力。

同理，如果將該理論應用在賽車上的話，只要我們把機翼的形狀倒過來，就可產生下壓力。

通常，車輛在行駛時會產生升力，車體會因此而發飄，一旦如此，輪胎的抓地力會減小，車輛的轉彎性能和操縱性能顯著下降。

賽車必須要盡可能的提高轉彎性能，確保高速時的安全和穩定性，因此一定要防止產生升力，甚至要產生逆升力。

為了產生逆升力，設計師在車上安裝前導流罩或者邊鋒裝置、后邊鋒裝置等空氣動力學的部件，希望以此來產生逆升力，這些都是利用車體上方的空氣流；目前，為了利用車體下方的空氣流，以便獲得更大的逆升力，在車輛側面，加裝側面裙部裝置，側面邊鋒裝置等。

09年之前的賽車幾乎布滿了翼片，見圖2，在賽車的若干個平面上都可以產生逆升力。然而在09年以后，FIA廢除了車身上的大部分翼片，因此目前這部分組件的研發正在不斷定向并細化。

圖2 法拉利F2007的側箱導流板

首先，來看一下側箱底部的前導流板，08年之前這個組件擁有巨大的體積，因此其工作時可將可觀體積的氣流送到需要的地方。但是09年之后這個組件的大小被大幅度縮水了，因此車隊迫切需要提升導流板的傳輸效率，一方面選擇符合需求的氣動外形，另一方面則在該組件上進行細化處理，例如在組件上安裝若干個鋸齒邊緣，通過產生小的渦流來加速氣流的下洗。

圖3為座艙和側箱區域的翼片，這部分部件是在2012年之后才開始發展起來的，用于搭配康達效應的側箱，在這些小翼片中，有縱置的引導氣流走向、制造渦流提高能量的導流片，（比如邁凱倫和威廉姆斯的側箱上安裝了3－4組這樣的翼片），也有用于梳理氣流，創造氣流下旋的橫向翼片，（比如索伯的橫向肩翼和紅牛、蓮花采用的翼片），這些翼片都會優化側箱上表面的氣流環境，搭配康達排氣來提升賽車的氣動性能。

圖3 威廉姆斯的側箱縱向導流片和紅牛座艙旁邊的氣流梳理條

特別是，在方程式賽車上，與規則相關，為了保護車輛的燃油箱，車輛會安裝吸收沖擊材料，這樣車體下方的面積增加，為了防止由此而導致的從車體側面卷入的空氣帶來的升力增加，采用安裝側裙部裝置的方法，由此開始關注車體下方的空氣氣流的影響。

此后，也進行了一系列實驗，例如使用風扇吸收車體下方的空氣，強制制造負壓環境，從而獲得逆升力等，但是，現在多采用在車體側面安裝羽翼狀構造，使其與地面間形成文丘里形狀，提升下部氣流流速，使下方產生負壓的方法是最佳的解決方法。

該種型式，利用了前后輪胎間的部分，較之以往的安裝前邊鋒裝置、后邊鋒裝置型式可以有效增大面積，而且其逆升力的效果很好，逆升力的中心也接近車輛重心位置，對車輛沖擊的影響較小。

在賽車和地面的距離如此之貼近的情況下，類似的原理越靠近地面越能得到充分發揮，80年代初的蓮花賽車便擁有這個形狀的底盤，這樣的底盤當時被稱為“地面效應”底盤，成績斐然，后來由于賽會禁止才沒有進一步發展下去。

每個賽季，國際汽聯都會對空氣動力學規則做出修改。2004年，賽車的尾翼被減至兩片，2005年，前翼高度抬高5 cm，首次限制擴散器高度；2006年，FIA又要求前輪軸心之后330 mm以內，參考面30 mm以上的區域不得安裝任何空氣動力學套件。雖然FIA不斷為技術發展設置障礙，但是F1賽車速度的提高從來就沒有停止過，這正是空氣動力學的研究價值[4]。

4 總結

綜上所述，影響賽車速度發揮的阻力包括：表面摩擦力、形狀應力、誘導應力。設計師考慮的核心問題是在保證操控穩定性前提下，獲得更高的速度，而制約操穩性的主要因素——逆升力。在賽車上，上述兩種力——阻力和逆升力是對立的影響因素。因此，設計師在進行車身設計時，會更多地關注車身外形、尺寸，在減小阻力的同時又要通過加裝各種翼板等手段來獲得更大的逆升力，從而提升操穩性，進而獲得更高的轉彎車速，來使車輛在比賽中脫穎而出。

1郭軍朝.理想車身氣動造型研究與F1賽車氣動特性初探[D].長沙：湖南大學，2007

2龍人.F1賽車底盤下的空氣動力學[J].賽車世界，2003（31）：36～37

3馬勇，鄭偉濤，韓久瑞.計算流體力學在F1賽車運動中的應用[J].武漢體育學院學報，2005（3）：52～54

4潘小衛.賽車CFD仿真及風洞試驗研究[D].長沙：湖南大學，2009

The Application of the Aerodynamics for Formula 1 Racing Car

Song Tao，Hu Rui
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）

In the study of Formula-1 racing car，the main task of the aerodynamics is to ensure that racing car will encounter minimum aerodynamic drag when it has obtained adequate down force in order to enhance the velocity and the travelling stability of the car at its high speed.During the aerodynamics test for the car，engineers pay more attention to the following three points：down force，drag and sensitivity.Generally huge down force could improve the cornering limit of the car.Although the increase of the down force will not bring higher drag of the car under ideal conditions，the partial loss at the limit velocity of the car could not be avoided.In the other hand，aerodynamic sensitivity is defined as the variation of the state and performance of the car under the different aerodynamic conditions，especially the performance of the car is greatly affected when the variation of the wing board and the distance between chassis and road surface occurs frequently on account of uneven surface of racing road.

Aerodynamics，Formula-1 racing car，Maneuver stability

U469.6+94

A

2095-8234（2014）04-0093-04

2014-04-16）

宋濤（1981-），女，工程師，主要研究方向為摩托車排放。