計(jì)算流體力學(xué)在F1賽車運(yùn)動中的應(yīng)用

周福亮

摘 要：運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)的方法能夠?qū)1賽車外形的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而將空氣動力學(xué)特征改善。通過結(jié)果可以知道，運(yùn)用流體力學(xué)方法可以在短時間里實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算多種設(shè)計(jì)方案，獲得賽車外形和氣動阻力等空氣動力學(xué)特征定量的關(guān)系，還可以研究F1賽車操縱穩(wěn)定性，噪聲以及排、進(jìn)氣道等。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)；F1賽車；空氣動力學(xué)

引言：計(jì)算機(jī)技術(shù)在近些年發(fā)展速度加快，在F1空氣動力學(xué)中計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用比較廣泛。對F1行駛進(jìn)行研究的過程中，其和空氣是相對運(yùn)動，F(xiàn)1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，F(xiàn)1中空氣的作用還展現(xiàn)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(jì)算流體力學(xué)在F1賽車運(yùn)動中應(yīng)用的作用

計(jì)算流體力學(xué)與風(fēng)洞試驗(yàn)相比，沒有其精度高，但計(jì)算流體力學(xué)的構(gòu)建是基于經(jīng)典力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)值計(jì)算方法，其優(yōu)點(diǎn)是成本低以及有較短周期，在某種意義上數(shù)值模擬相較于理論和實(shí)驗(yàn)，對于流體運(yùn)動過有著更加深刻、細(xì)致的認(rèn)識，不只能夠?qū)\(yùn)動結(jié)果進(jìn)行了解，并且能夠?qū)φw和局部產(chǎn)生的細(xì)小擾動加以掌握。計(jì)算技術(shù)在近幾十年里高速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)能夠通過數(shù)值對F1外場流態(tài)進(jìn)行模擬，進(jìn)而獲取需要的F1空氣動力學(xué)特征參數(shù)意義十分重大。現(xiàn)階段，該方法受到了很大程度上的關(guān)注，在F1中能夠?qū)⒆陨韮?yōu)勢充分發(fā)揮出來，成為設(shè)計(jì)F1中先進(jìn)、有效的現(xiàn)代方法。

2 流體力學(xué)在F1賽車中的具體應(yīng)用

2.1空氣動力學(xué)的應(yīng)用

設(shè)計(jì)F1的車身外形依據(jù)的主要是人機(jī)工程學(xué)、機(jī)械工程學(xué)以及空氣動力學(xué)，前兩項(xiàng)能夠決定F1的基本骨架，在內(nèi)部控制F1車身外形，而F1的外部限制條件則為空氣動力學(xué)。空氣動力特征會對F1的穩(wěn)定特征、驅(qū)動特征、操作特征、噪聲特征、燃油經(jīng)濟(jì)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(cè)向力、側(cè)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?yàn)楝F(xiàn)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(shù)是對F1空氣動力性能進(jìn)行衡量最基礎(chǔ)的參數(shù)，研究F1空氣動力學(xué)最主要的內(nèi)容為采取有效方法將F1空氣阻力系數(shù)降低。通過多年的試驗(yàn)研究，已經(jīng)可以在很大程度上降低氣動阻力系數(shù)，特別是賽車氣動阻力更加接近0.15。在這樣的情況下，在設(shè)計(jì)F1外形過程中，應(yīng)該深入的研究F1空氣動力學(xué)。

2.2空氣噪聲

設(shè)計(jì)師們運(yùn)用較為簡單的計(jì)算流體力學(xué)模擬模型，開展風(fēng)洞試驗(yàn)，對F1中幾個噪聲源產(chǎn)生的空氣噪聲進(jìn)行研究。噪聲的主要來源有A型門柱產(chǎn)生的渦流、后車軸上產(chǎn)生的分離氣流、側(cè)車窗中產(chǎn)生的分離氣流。這三類空氣流動有著比較復(fù)雜的情況，主要是來評估噪聲。單一的應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)來計(jì)算，會產(chǎn)生較大的工作量，并且會浪費(fèi)很多時間。實(shí)際上，這三個值能夠運(yùn)用風(fēng)洞試驗(yàn)來獲取。然而，在風(fēng)洞試驗(yàn)中這些值不能夠直接進(jìn)行測量，只能夠處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)來提取。相較于風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算流體力學(xué)簡化后將不會具備良好的計(jì)算數(shù)據(jù)精度，但通過網(wǎng)格關(guān)聯(lián)的方法，能夠較為方便的來處理計(jì)算數(shù)據(jù)。在實(shí)際中，可以有效結(jié)合使用這兩種方法，充分發(fā)揮出兩種方法的優(yōu)勢，使計(jì)算精度更高。

2.3底部流場F1空氣動力特征的關(guān)鍵影響

在行駛F1賽車時會出現(xiàn)三道氣流，這三道氣流來自不同方向，怎樣進(jìn)行處理，怎樣處理更加方便有效，是F1空氣力學(xué)研究專家們很重視的課題。F1賽車在行駛情況下，先會出現(xiàn)一道經(jīng)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(cè)方運(yùn)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(jī)，從而應(yīng)該在散熱器進(jìn)氣口進(jìn)行導(dǎo)入，接著由車體排氣口導(dǎo)出，并且不應(yīng)和車體上方流經(jīng)的氣流互相干擾，防止由此出現(xiàn)的亂流對車體行駛穩(wěn)定性造成影響。除去車體側(cè)方以及上方外，經(jīng)過底盤的氣流非常重要，由于這一氣流是主要構(gòu)成下壓力的條件，同時其占據(jù)車體側(cè)方以及上方總體氣流量45%以上。在這樣的理由之下，良好設(shè)計(jì)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(dǎo)流板，使其成為關(guān)鍵的空氣動力套件。在設(shè)計(jì)車體底部的過程中，車底中央底板將按照賽會規(guī)則進(jìn)行，從而各隊(duì)賽車不會存在太大的差異性。在運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)的計(jì)算得知，因?yàn)榈孛嬉约败囕喰D(zhuǎn)等效應(yīng)的影響，F(xiàn)1底部流動復(fù)雜將會嚴(yán)重影響整個車的外部結(jié)構(gòu)以及空氣動力性能。在這樣的基礎(chǔ)之上，模擬數(shù)值與實(shí)車試驗(yàn)應(yīng)該更加細(xì)致深入的展開，對F1底部流動復(fù)雜特征加一張我，進(jìn)而優(yōu)化F1空氣動力性能。

2.4進(jìn)、排氣道

運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)開展“數(shù)值試驗(yàn)”，能夠?qū)⒃囼?yàn)研究的工作量大幅減少，在選擇以及評價各種設(shè)計(jì)方案方面更加方便。F1發(fā)動機(jī)中進(jìn)、排氣道屬于比較重要的部分，其設(shè)計(jì)質(zhì)量會對發(fā)動機(jī)性能產(chǎn)生直接影響。模擬氣道內(nèi)氣的體流動數(shù)值，能夠獲取氣道內(nèi)流速以及壓力等參數(shù)空間上的分布，同時構(gòu)建安裝位置、氣道形狀、流動規(guī)律、特征的關(guān)系，以便于更好的設(shè)計(jì)和優(yōu)化F1發(fā)動機(jī)的進(jìn)、排氣道。

3 結(jié)語

運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)能夠優(yōu)化設(shè)計(jì)F1賽車外形，進(jìn)而將其空氣動力學(xué)特征提高，加強(qiáng)F1賽車性能。本文主要通過對計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行研究，探討其應(yīng)用在F1賽車運(yùn)動中的作用，以及其具體應(yīng)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(guān)系、空氣噪聲以及排、進(jìn)氣道等內(nèi)容，以供參考。

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