空气动力学在F1赛车上的运用

宋涛 胡瑞

（天津大学内燃机研究所天津300072）

空气动力学在F1赛车上的运用

宋涛 胡瑞

（天津大学内燃机研究所天津300072）

在F1赛车的研究中，空气动力学研究的核心目的是在保证赛车获得足够压力的情况下拥有最小的空气阻力，以提高赛车的速度和高速行驶的稳定性。在空气动力学实验中，工程师们最关注的主要是3个方面的内容：下压力、阻力和灵敏性（敏感度）。巨大的下压力可以提高赛车的过弯极限，但是在理想状态下，下压力的增加不应当带来赛车阻力的增加，但是不可避免的却会牺牲赛车的部分极速。赛车的空气动力学灵敏性（敏感度）则是指赛车的状态性能对于空气动力学环境改变时自身变化的强弱，例如由不平整的赛道路面带来的赛车翼片以及底盘和路面距离之间的频繁变化时，赛车性能所受到的干预强弱。

空气动力学F1方程式赛车操稳性

引言

空气动力学是流体力学的一个分支，是研究空气或其他气体的运动规律，空气或其他气体与飞行器或其他物体发生相对运动时的相互作用和伴随发生的物理化学变化的学科。它是在流体力学基础上随航空航天技术的发展而形成的一门学科。

空气动力学的研究内容根据空气与物体的相对速度是否小于约100 m/s（即时速360 km/h，也有根据时速400 km/h为界来划分的）[1]，可分为低速空气动力学和高速空气动力学，前者主要研究不可压缩流动，后者研究可压缩流动。F1赛车的研究内容便属于前者。

1 F1赛车与风洞试验

说到F1赛车车身，最值得一提的便是各种空气动力学组件。由碳纤维打造的车身和底盘固然是一个亮点，但由于空气动力学原理在F1赛车车身和底盘设计上的广泛应用，见图1，使F1车队对于空气动力学的研究和相应的组件设计达到了其他任何赛车都无法比拟的水平和规模，这正是F1卓尔不群的原因之一。

图1 法拉利F10

对于F1而言，时间就是金钱，同时时间也需要耗费金钱。据专家统计：目前F1车队在空气动力学开发上的花费已占到整个车队年度预算的15%，现在唯一能超过这笔费用开支的只剩下引擎开发了。新建一个全新的F1风洞至少需要花费4500万欧元。但尽管如此，如今的大多数F1车队还是在几年前便修建了属于自己的风洞。

F1风洞最引人瞩目的可能就是其巨大的碳纤维风扇了，它的极限转速可以达到6000r/min，其驱动引擎的峰值功率更是可以达到令人汗颜的3MW，即4000匹马力左右，这相当于4台主战坦克所提供的动力之和。如此强大的动力其带来的实际效果将是怎样的呢？答案是能在30s内将静止的空气加速到300km/h。此时托起赛车模型的传送带的作用则是模拟赛车在比赛中的各种路况和车身姿态，最大限度保证模拟的真实性和有效性。

当进行空气动力学测试时，技师们的视点将放在3个方面：下压力、阻力和灵敏性（敏感度）。巨大的下压力可以提高赛车的过弯极限，但是在理想状态下，下压力的增加不应当带来赛车阻力的增加，但是不可避免地却会牺牲赛车的部分极速。赛车的空气动力学灵敏性（敏感度）则是指赛车的状态性能对于空气动力学环境改变时自身变化的强弱，例如由不平整的赛道路面带来的赛车翼片以及底盘和路面距离之间的频繁变化时，赛车性能所受到的干预强弱。

2 影响赛车速度的几种阻力

空气动力学看起来是一个很让人伤脑筋的名字：空气也能产生动力？其实，这里说的空气动力并不是要把空气变成赛车的动力，而是让空气在赛车高速行驶过程中的高速流动而产生的气压变成对赛车有利的力量。首先我们来分析一下，在赛车的运动过程中，哪些力量构成对赛车的阻力。

首先，所有的液体和气体都是由可滑动的粒子组成的。当液体或气体通过一个表面时，最靠近表面的粒子层会附着在表面上。而这一层之上的粒子运动会因为物体表面相对静止不动的粒子层而减慢。同样，这一层以上的粒子的运动也会受到影响，导致滑动速度的减慢，只是减少量减小了。离物体表面越远，粒子层受的影响越小，直到它们以自由粒子移动。那一段导致粒子滑行速度减慢的层，称之为临界层。它出现在物体的表面，形成表面摩擦力。

力需要改变分子的运动方向，于是形成了第二种力，称之为形状应力。在空气动力学中，尺寸也是因素。赛车的前鼻（当你正面看到赛车的那一部分）越小，分子改变方向的面积越小，也越容易通过。少量的引擎动力被流动的空气所吸收，绝大多数都转化为在赛道上疾驶的动力。在规定的引擎作用下，赛车就能跑得更快。

然而事情并不是那么简单，物体的形状也很重要，它决定了分子移动的难易。空气习惯附着于物体表面，所以在气流中拉动一个光滑表面的盘子要比拉一个类似前鼻的弧线状碗困难得多。气流会在碗状表面上翻转，但是却会黏着在光滑的盘子表面。空气动力学的研究发现，泪珠状形体最易于通过气流。圆头在前，尖端在后，大多数人可能觉得很奇怪。

当气流沿着曲线运动（或是改变方向），只要是薄薄的，它的运动不会发生改变。然而，当曲线有一定的形状，或者方向突然变化（就像遇到尖的物体），气流会在物体表面一分为二，而没有足够的能量来通过表面。这种情况是需要避免的，因为临界层是很厚的，前面的气流就会减慢，并像固体表面一样阻挡了后面的气流。所以尖的物体通过气流只能产生更大的阻力[2]。

当然，也不是说圆形物体就是更为理想的形状。当一个球在空气中运动，一开始气流会随着球的弧线而变化，然而，当它通过球体半径最大处后，气流仍会追寻球的弧线，但这时球面已急剧趋向减少。对于气流运动来说这是最困难的，所以当气流通过半径点后，就不再依附于球体表面，而变得散乱无章。散乱的气流会无序地旋转，比起自由运动的气流产生的压力较小，所以会产生吸引力来阻碍球体的运动，减慢其运动速度。而前面所提及的泪珠状物体，当气流通过类似球体的弧线后到达临界破坏点时，泪珠状形体会有一个倾斜面来支撑气流的运动。物体得以干净利落地以最小的阻力从气流中通过。举个简单的例子：一个自由下落的悬垂液滴必定是泪珠状，因为这样的空气阻力最小，如果只是简单的球面，只会造成更大的阻力。

最后一种应力是诱导应力，它是下压力不可避免的产物，表现形式是气流漩涡，这种漩涡可以在下雨天流经赛车尾翼的水汽中看得清清楚楚。

3 翼板等关键性空气动力学部件的设计灵感：从流动的空气中获得下压力

对空气动力学在赛车设计上应用的研究工作是近20年才兴起的。20世纪60年代，F1车队认识到在车身不同地方加装翼板等扰流部件能够有效提高赛车在弯道上的速度。但由于当时缺乏理论体系指导，对这些翼板该加装在什么地方，翼板的面积应该多大，角度如何，车队并没有一个成形的概念，大家都在不断摸索和尝试中。再加上当时的加工工艺并不成熟，翼板在比赛中脱落造成伤亡的例子比比皆是，于是，在赛车上加装空气动力学部件一度被禁止。然而，随着空气动力学理论体系的发展，加上计算机科技的兴起，使车队深入研究空气动力学对赛车影响的想法变为可能[3]。

按照上述理论，F1赛车外形应该做成完全的泪滴形状，以最大限度的减小阻力。但是，在实际的F1赛车车身设计中，车身的设计师最先考虑的问题是获得足够的下压力从而使轮胎有足够的抓着力紧贴地面，其次才是阻力。这是由于：1）赛车经常需要急促地加速、减速，这时候必须保证足够的地面抓着力；2）赛车在行驶中变换方向的时候很容易受到离心力的作用，这时候单凭车身的重量很难维持赛车轮胎对地面的抓着力，容易造成失控，而抓着力越高，赛车在过弯时的速度就可以提高；3）F1赛车引擎能够输出足够的动力，让赛车在相当大的阻力下依然能获得高速度。在这三点因素共同作用下，抓着力成为了第一要素。所以，如何从流动的空气中获得下压力是车身设计时的考虑重点。

这一点，借助飞机机翼工作原理来理解。在空气动力学中，机翼的作用是在空气流动的时候产生升力，其原理是：当空气流过机翼的时候，一部分从翼板上方流过，一部分则从下方，而最后这两部分空气在翼板后方重新结合起来。飞机的机翼设计让机翼的上表面比下表面更长，从而使机翼上面的空气流速要比机翼下方流速快。按照贝努力方程原理，空气流速越快，则其密度越小，气压相应减小，这样，飞机机翼上方的气压就比下方的气压小，从而产生升力。

同理，如果将该理论应用在赛车上的话，只要我们把机翼的形状倒过来，就可产生下压力。

通常，车辆在行驶时会产生升力，车体会因此而发飘，一旦如此，轮胎的抓地力会减小，车辆的转弯性能和操纵性能显著下降。

赛车必须要尽可能的提高转弯性能，确保高速时的安全和稳定性，因此一定要防止产生升力，甚至要产生逆升力。

为了产生逆升力，设计师在车上安装前导流罩或者边锋装置、后边锋装置等空气动力学的部件，希望以此来产生逆升力，这些都是利用车体上方的空气流；目前，为了利用车体下方的空气流，以便获得更大的逆升力，在车辆侧面，加装侧面裙部装置，侧面边锋装置等。

09年之前的赛车几乎布满了翼片，见图2，在赛车的若干个平面上都可以产生逆升力。然而在09年以后，FIA废除了车身上的大部分翼片，因此目前这部分组件的研发正在不断定向并细化。

图2 法拉利F2007的侧箱导流板

首先，来看一下侧箱底部的前导流板，08年之前这个组件拥有巨大的体积，因此其工作时可将可观体积的气流送到需要的地方。但是09年之后这个组件的大小被大幅度缩水了，因此车队迫切需要提升导流板的传输效率，一方面选择符合需求的气动外形，另一方面则在该组件上进行细化处理，例如在组件上安装若干个锯齿边缘，通过产生小的涡流来加速气流的下洗。

图3为座舱和侧箱区域的翼片，这部分部件是在2012年之后才开始发展起来的，用于搭配康达效应的侧箱，在这些小翼片中，有纵置的引导气流走向、制造涡流提高能量的导流片，（比如迈凯伦和威廉姆斯的侧箱上安装了3－4组这样的翼片），也有用于梳理气流，创造气流下旋的横向翼片，（比如索伯的横向肩翼和红牛、莲花采用的翼片），这些翼片都会优化侧箱上表面的气流环境，搭配康达排气来提升赛车的气动性能。

图3 威廉姆斯的侧箱纵向导流片和红牛座舱旁边的气流梳理条

特别是，在方程式赛车上，与规则相关，为了保护车辆的燃油箱，车辆会安装吸收冲击材料，这样车体下方的面积增加，为了防止由此而导致的从车体侧面卷入的空气带来的升力增加，采用安装侧裙部装置的方法，由此开始关注车体下方的空气气流的影响。

此后，也进行了一系列实验，例如使用风扇吸收车体下方的空气，强制制造负压环境，从而获得逆升力等，但是，现在多采用在车体侧面安装羽翼状构造，使其与地面间形成文丘里形状，提升下部气流流速，使下方产生负压的方法是最佳的解决方法。

该种型式，利用了前后轮胎间的部分，较之以往的安装前边锋装置、后边锋装置型式可以有效增大面积，而且其逆升力的效果很好，逆升力的中心也接近车辆重心位置，对车辆冲击的影响较小。

在赛车和地面的距离如此之贴近的情况下，类似的原理越靠近地面越能得到充分发挥，80年代初的莲花赛车便拥有这个形状的底盘，这样的底盘当时被称为“地面效应”底盘，成绩斐然，后来由于赛会禁止才没有进一步发展下去。

每个赛季，国际汽联都会对空气动力学规则做出修改。2004年，赛车的尾翼被减至两片，2005年，前翼高度抬高5 cm，首次限制扩散器高度；2006年，FIA又要求前轮轴心之后330 mm以内，参考面30 mm以上的区域不得安装任何空气动力学套件。虽然FIA不断为技术发展设置障碍，但是F1赛车速度的提高从来就没有停止过，这正是空气动力学的研究价值[4]。

4 总结

综上所述，影响赛车速度发挥的阻力包括：表面摩擦力、形状应力、诱导应力。设计师考虑的核心问题是在保证操控稳定性前提下，获得更高的速度，而制约操稳性的主要因素——逆升力。在赛车上，上述两种力——阻力和逆升力是对立的影响因素。因此，设计师在进行车身设计时，会更多地关注车身外形、尺寸，在减小阻力的同时又要通过加装各种翼板等手段来获得更大的逆升力，从而提升操稳性，进而获得更高的转弯车速，来使车辆在比赛中脱颖而出。

1郭军朝.理想车身气动造型研究与F1赛车气动特性初探[D].长沙：湖南大学，2007

2龙人.F1赛车底盘下的空气动力学[J].赛车世界，2003（31）：36～37

3马勇，郑伟涛，韩久瑞.计算流体力学在F1赛车运动中的应用[J].武汉体育学院学报，2005（3）：52～54

4潘小卫.赛车CFD仿真及风洞试验研究[D].长沙：湖南大学，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）

宋涛（1981-），女，工程师，主要研究方向为摩托车排放。