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F1赛车的尾流研究
2018-04-09 13:03:44· 来源：AutoAero
F1赛车是世界上最具观赏性的汽车竞赛之一，其中的一个关键的能够提高赛车在赛场表现的方法是改善赛车车身的空气动力特性。在F1比赛中，赛车需要保持足够的抓地力，提高作用在赛车后桥的下压力是为了提高赛车行驶的稳定性，提高作用在赛车前桥的下压力是为了保证赛车的转向性能。在比赛中，随着车速的不断变化，下压力的中心与赛车重心的相对位置是不断变化的。
F1赛车是世界上最具观赏性的汽车竞赛之一，其中的一个关键的能够提高赛车在赛场表现的方法是改善赛车车身的空气动力特性。在F1比赛中，赛车需要保持足够的抓地力，提高作用在赛车后桥的下压力是为了提高赛车行驶的稳定性，提高作用在赛车前桥的下压力是为了保证赛车的转向性能。在比赛中，随着车速的不断变化，下压力的中心与赛车重心的相对位置是不断变化的。这里我们采用一个数值来描述赛车的空气动力稳定性（Aerodynamic balance）。即前桥的升力系数比整车的升力系数乘以100。
目前35%-45%的Aero balance值被认为是最佳的稳定性的数值。
在F1比赛中，后方跟随的车辆往往会受到前车行驶尾流的影响，造成后车跟车行驶时的下压力不足和操纵失稳等情况。
如上图所示，赛车的最主要的增大下压力的部件有前翼、尾翼和下车体位置的扩散器装置。本文采用试验与仿真对照的方法，研究前车尾流对于后车的具体影响效果和影响因素。
风洞试验在Durham University 2m wind tunnel进行，选用25%赛车比例模型。在该研究试验中需要用到前车来产生尾流并作用到后车上，即用到两台赛车。然而由于风洞尺寸的限制，作者设计了一个尾流发生器用来模仿前车的尾流，具体的造型如下图所示。
在CFD数值仿真方面，使用PowerFlow进行，湍流模型在网格中执行。仿真中采用了LBM兼容的大涡模拟的方法。同样采用25%比例的几何模型，网格数量为1.6×10⁷，最小网格尺寸为1.5mm。
首先来看独立赛车的风洞试验。由于要研究受到尾流影响的赛车表面压力及流场状况，先选取独立赛车进行风洞试验和仿真作为参照。下图为在不同的俯冲角状态下，下压力和稳定性随底盘高度的变化曲线。由图可以看出，在各个俯冲角度下，随着底盘高度的升高，车身下压力是不断降低的。由试验数据的综合，最佳的空气动力方案为2mm的底盘高度，俯冲角度为零。在这样的条件下，赛车会拥有1.21的压力系数和41.5%平衡性能，在之后的研究中也将采用这种车身姿态和底盘高度。
下图为独立赛车仿真的压力云图，可以看出，在前翼的下表面、底盘边缘和扩散器的位置会产生低压区，高压区主要分布在车轮的正面。
在对独立赛车进行了简要分析之后，进入到尾流影响的研究阶段。下面的表格展示了几种不同研究方法的相对偏差，可以看出偏差量并不可观，风洞和仿真的对比研究的可信度较高。
如上图所示，作者对在尾流条件下行驶的赛车各部分所受到的影响进行了分块的研究。研究参数分别为气动阻力系数和下压力系数。首先来看尾流对于气动阻力系数的影响，整体来看尾流的存在会使赛车各部分的气动阻力系数产生或多或少的降低，可以很明显地看出车轮是气动阻力系数占比最高的一个部分，然而却并不是产生数值变化最多的一个部分。可以看到，跟车行驶时，尾翼位置的气动阻力系数是衰减最明显的一个部分，这一点对于跟车行驶是非常有利的，低的气动阻力系数可以使后车具有更好的加速能力。然而，在下压力影响对比图中，我们也可以看到，尾流对于后车跟车行驶时的下压力的影响也是十分巨大的，其中，尾翼位置会产生最多的下压力损失，前翼的下压力损失也是可观的。总体来看能够看出，尾流中行驶的赛车虽然可以面对更小的气动阻力，但与此同时下压力不足带来的操纵稳定性问题同样不可忽视。
上图为赛车在跟车行驶时的压力云图，相比于上面展示的独立赛车的压力云图，我们能够看到很大的变化。首先，之前的低压区的压力在跟车行驶的状态下会有一定的升高，相反，之前高压区的压力会有一定的降低。另外，虽然前翼上和底盘前缘的压力相差不多，但底盘的面积更大，因此底盘位置的压力损失也就更值得关注。
接下来对尾流影响的显著特点进行研究。前文曾提到，前翼下压力在尾流行驶情况下有着很大的衰减。通过对尾流形态的分析可以知道，上翻涡旋和流体速度缺损（velocity deficit）是尾流对于后车影响的主要方式。如下图所示，图中显示了由上翻涡流和速度缺损产生的下压力影响的曲线，可以观察到，速度缺损曲线与风洞测量总值曲线更加吻合，说明速度缺损对于前翼位置下压力衰减的影响是相对较大的。
另外需要研究的是尾流的存在对于压力分布的影响，下图展示出中心线压力值和1/4偏移截面压力值。通过对图线的分析可以得到结论：气动压力的影响是后车下压力降低的主要原因。
在本次研究的CFD模拟环节当中，尾流是利用非统一边界条件来设置入口边界的，因此可以很方便地改变尾流形态来进一步研究尾流的影响。下表展示了各种尾流形式下，阻力系数和下压力系数的变化以及变化率百分比的值。可以看出，对于前三项，即全尺寸前车、定常入口和时变入口来说，其阻力系数和下压力系数值的变化并不明显。当从尾流中取消x方向的缺损即车身纵向速度缺损时，阻力系数进而下压力系数的降低得到了缓解，这也进一步验证了尾流中纵向的速度缺损的巨大影响。表格中的第五项研究了二次流对于跟车行驶的影响，可以看到，在取消二次流方向上的尾流时，阻力系数和下压力系数的衰减有重新回到前三项的量级上，这就意味着，在二次流方向上的尾流对于后车的影响与纵向尾流所对跟车行驶产生的影响效果是刚好相反的。
为了进一步研究在二次流方向上尾流的影响，分别取y方向和z方向进行单独分析，分析的方法是在入口边界条件设置y方向和z方向尾流±5%和±10%的增减量，然后对结果进行分析。模拟结果如下图所示，可以明显看出，除了阻力系数之外，升力系数与二次流的存在也有着线性关系。
F1比赛一直都是以极强的观赏性著称，但由于官方出于安全考虑而对赛车性能进行的限制，导致车身在加速能力和抓地力方面的性能不能够完全的得以发挥。这时，跟车行驶时对于尾流优势的利用和对于尾流带来风险的规避就变得更加重要了。
F1赛车尾翼产生的下压力会使尾流产生上翻的效果，这个效果会使尾流中的低速气流向上运动并超过后车的高度。相反，底盘位置在尾流中产生的低压区会抑制up-wash，会使气流保持原来的位置。由上文分析可知，dynamic pressure deficit是造成后车表面压力变化的主要原因，也是对后车负面影响的主要方面。将来的规定的目的是要通过减少这个deficit来增强后车跟车行驶的稳定性和超车能力。
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