F1赛车不同俯仰角度下的空气动力学特性研究

空气动力学是F1赛车设计中的一个重要因素，是赛车比赛取胜的关键。由于F1赛车的结构要求与一般汽车不同，使得其气动特性与一般的乘用车相比存在较大差异，赛车经常处于高速行驶，常常因为路面起伏而使车身俯仰角度发生变化，因此造成车身气动特性的变化将直接影响赛车的操纵稳定性，甚至危及赛车和车手安全。本文针对某F1赛车模型进行不同车身俯仰角度下的气动特性研究，从气动力学特性到流场分析，全面分析流动产生的气动性能的变化，图1为某F1方程式赛车的仿真数字模型。



图1：F1方程式赛车数字模型

1 数值模拟设置
对于不同车身俯仰角度的研究，采用了俯仰模型法，如图2所示，在计算域中，选取分割前后轴的中心平面与计算域底面交线为旋转轴，即图中Y轴，令赛车车身（不包括车轮及悬架）绕Y轴旋转β角（顺时针为正），并将β角定义为本文中的车身俯仰角度。对于俯仰角β的选取，本文分别选选取了β=0°、0.5°、1°、1.5°、2°，图3为不同旋转角度下车身姿态示意图。



图2：车身旋转示意图



图3（a）:俯仰角β=0°



图3（b）:俯仰角β=0.5°



图3（c）:俯仰角β=1°



图3（d）:俯仰角β=1.5°



图3（e）:俯仰角β=2°

本文数值模拟的计算域为长方体，如图4所示，其中计算域长为12倍车长，宽为9倍车宽，高为5倍车高，并对模型周围进行了加密。



赛车坐标系规定：以空气动力学参考点（即车辆纵向对称面与地面交线上，前后轴的中点处），将赛车前进方向的反向定为X轴正向，垂直向上为Z轴正向，由右手螺旋定则确定Y轴正向。

使用商用CFD软件PowerFlow，边界条件的设定如下表所示：



2 结果分析
2.1 力系数分布

图5、图6为不同俯仰角度下的阻力系数（CD）、升力系数（CL）的分布，从图中可以看出，随着俯仰角的增大，赛车的阻力系数逐渐减小，而赛车总的气动升力则随俯仰角度的增大而逐渐增大。



图5：不同俯仰角度下阻力系数变化曲线



图6：不同俯仰角度下升力系数变化曲线

图7为对车身各组成部件进行划分，主要分为前翼、后翼、车轮、车身以及底板五个部分，表2不同俯仰角度下车身各组成部件的阻力系数（CD），图8为不同俯仰角度下车身各组成部件的阻力系数（CD）的折线图，表3为，图9为不同俯仰角度下车身各组成部件的升力系数（CD）和不同俯仰角度下车身各组成部件的阻力系数（CD）的贡献柱状图，从图中可以看出，负升力贡献值主要来自于底板、后翼、前翼，而车轮和车身则主要提供升力，值得注意的是，在俯仰角度为2°时，底板贡献升力。




表2：不同俯仰角度下车身整体及各组成部件的阻力系数



a）前翼



b）后翼



c）车轮



d）车身

图8：不同俯仰角度下车身整体及各组成部件的阻力系数


图9：不同俯仰角度下车身整体及各组成部件的升力系数



图10和图11为车身前后轴升力系数随车身俯仰角度变化而变化的折线图，从图中也可以看出，前轴升力系数随车身俯仰角度的增大而逐渐增大，逐渐趋于正值，当车身俯仰角度达到2°时，前轴升力系数已经为正值，即前轴已经受向上的升力，同时，后轴的升力系数也随着俯仰角度的增大而增大，且也为逐渐趋于正值，即车身后轴所受下压力也逐渐减小，这也表明车身所受升力逐渐增大，而下压力逐渐减小。



图10：不同俯仰角度下车身前轴升力系数



图11：不同俯仰角度下车身后轴升力系数

2.2 压力分布
图12为各俯仰角车身表面的压力分布俯视图，从图中可以看出，气流在流经车身时会在前翼、车头部和后翼上产生高压区，且赛车左右两侧压力成对称分布，侧向力系数接近于0；前翼、后翼及车身主体上表面压力逐渐减小，从而所能提供的负升力也逐渐减弱，导致赛车升力系数随着俯仰角增大而增大。



图12：各俯仰角车身表面压力分布俯视图

图13各俯仰角下车身表面的压力分布仰视图，从图中也可以看出，前翼、后翼及车身主体上表面压力逐渐增大，从而所能提供的升力也逐渐增大，车身底板压力明显增大，增势明显，这也符合底板的升力系数贡献值的显著增大趋势。又由图12知，车身表面上部压力均逐渐减小，而车身表面下部即车身底面压力逐渐增大，从而上下表面压力差逐渐减小，下压力逐渐减小，升力逐渐增大，导致赛车升力系数随着俯仰角增大而增大。



a）: 俯仰角β=0°



b）: 俯仰角β=0.5°



c）: 俯仰角β=1°



d）: 俯仰角β=1.5°



e）: 俯仰角β=2°

图15是不同俯仰角的中心对称平面的速度分布。 从图中可以看出，在汽车底部，前翼附近的气流速度随着俯仰角的增加而增加。 前部的离地间隙变大，后部的离地间隙变小。 流向底部的空气流量增加，而流出速率减小，并且随着俯仰角度的增加，底板升力系数的贡献急剧增加，这也与在图14中车身底部压力增加的趋势一致。



a): β=0°



b): β=0.5°



c): β=1°



d): β=1.5°



e): β=2°



图15：不同俯仰角下中心对称平面的速度分布

3 结论

1）随着俯仰角的增大，阻力系数逐渐减小，变化原因主要是随着车身俯仰角度的增大，前翼所产生的湍流向后发展的过程中受车轮的影响越来越小，向后部逐渐发展越来越顺利，使得尾部湍流及涡量均逐渐减小，从而阻力系数逐渐减小。
2）赛车的负升力主要由前翼、后翼以及底板（底部扰流板）提供，所提供的下压力均随横摆角的增大而减小，其中底板在俯仰角度为2°时所贡献的升力系数变化极为明显，主要原因是随车身俯仰角度的增大，车身离地间隙逐渐增大，车身底部气流流量也逐渐增大，又因车身底部的垂向气流流速逐渐增大，从而使得底部表面压力增大趋势明显，进而升力系数增大趋势明显；车轮和车身部件均贡献升力，且变化均同为升力增大趋势。