关于F1赛车地面效应与失速现象的介绍

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  一、地面效应
  严格来讲,地面效应的概念只适用于在高速空气动力学,飞机的翼尖涡流是这一理念被引入的主要原因。当飞机机翼进入高速状态时,其下表面的高压气流往往会越界翻滚到机翼上表面扰乱低压气流,从而形成诱导阻力。降低机翼的升阻比,导致机翼效率大降。而当飞机近地飞行时,由于与地面之前的空间更为有限,机翼下部的气流层便会更加的平稳,从而扰乱翼尖涡流。在没有翼尖涡流的情况下,机翼的攻角能变得更为接近理论水平,因此便使飞机更有效率,这就是地面效应真正的作用。同时,很多只在地效区域飞行的地效飞行器,也是利用这种原理来获得更优质的升力,来提升机翼的效率。
  但是在F1领域中,地面效应被赋予了截然不同的概念。F1工程师通过特别设计的底盘(莲花78,79)或风扇(布拉汉姆车队创造的BT46B型风扇底盘赛车),人为地制造真空以获取强大的吸地效应。
  离地间隙(赛车底部和赛道表面之间的距离)对提高底盘和扩散器之间联系的效用有大的帮助,赛车的底板是最重要的空气动力附加装置。底盘和赛道之间的离地间隙越小,该区域气流运动的速度也就越大,根据伯努利方程,此区域的静压力也就减小,赛车所受的气动负升力也就越大,使得赛车被强烈地"吸附"在赛道上,产生所谓的"地面效应"。地面效应曾被F1车队用来提高车速,但为防止追求更高的转弯速度而引发事故,FIA规定赛车前轮后后缘到后轮前缘部必须平直,限制了地面效应的充分应用。由此FIA规则规定赛车底盘上必须要安装一志10mm厚的木板,若此木板低于9mm,该车会被取消参赛资格。
  独立的底板是安装在每辆赛车底部中间位置(从前到后)的硬木板,通过螺栓与承载式车身下侧相连接,通过比赛对木板的磨损程度的检查可判断车辆底盘是否过低。
  最早运用地面效应在赛车运动中的时间是20世纪70年代,当时考林-查普曼在莲花赛车底部安装一个空气通道,通过前面的部分相对狭窄,但在向车尾延伸的同时不断扩大。由于赛车的底部离地间隙很小,所以通道和地面形成了一个封闭管道。当赛车飞驰时,空气从车头进入,在底盘和地面之间加速,产生非常低的压强,从而产生向下的压力。
  时下赛车底部的设计多趋于部分或完全覆盖-从理论上分析,对于完全由光滑底板覆盖的车底而言,离地高度越低,进入赛车底部前段的气流速度就越快,在车底形成的负压区就越可观。现在F1赛车底盘的形式多采用阶梯型,已经不会产生太多的地面效应,扩散器就变得更加重要。
  当今也存在F1设计师将车底设计成从前向后升高或设置纵向凹槽的形式,地面与车底部的凹槽构成拉伐尔管,亚声速气流在该管收缩段被加速,车身底部与车身上表面的压力差增加,即增加了下压力,拉伐尔管道的横截面形状、管道截面面积沿注射的变化等都影响车身底部的流态。
  为了更好地提高F1赛车的下压力,空气动力学工程师运用拉伐尔管效应在赛车底部的两侧装上整流裙,整流裙刚好接触路面以密封底部气流,使得车身降至20mm,仍然取得了很好的气动效果。
  滑动裙(sliding skirts)是安装在赛车两侧散热箱侧面底部的风翼,它阻止侧面气流通过赛车底部而使赛车底部形成真空,以此将赛车吸附在赛道上并增加赛车在变产中的侧身附着力,成功地运用了地面效应。
  另一辆应用地面效应创造下压力的赛车就是戈登-穆雷开发的布拉汉姆BT46B赛车。然而与前者不同的是,由于BT46使用的阿尔法罗米欧引擎宽度大,并没有足够的空间赛车采用莲花79那样的扩散器设计。穆雷决定,他要通过另外一套工作原理建立起赛车底部的真空效果--在赛车尾部增设一个巨大的风扇装置。在赛车尾部安装了一个由引擎自主驱动的风扇装置。引擎转速越快,这个装置吸引赛车底部传来的空气就越多,由此建立起上述效果。像查普曼的莲花赛车一样,BT46B也安装了侧裙用以维持车下的低压区,但并未对赛车外形造成改变。然而同年内,围场中的众多车队都谴责这一争议设计,称其违反了"不可移动空气动力装置"调理。因此,布拉汉姆车队的所有者伯尼-埃克莱斯顿决定从赛车系列中拿掉BT46B,避免引起其他车队的争议。国际汽联随后将这款赛车的风扇装置视作"可移动空气动力装置",对它施行了永久性禁令。
  二、失速现象
  在流体动力学中,失速是指翼型气动攻角增加到一定程度(达到临界值)时,翼型所产生的升力突然减小的一种状态。翼型气动迎角超过该临界值之前,翼型的升力是随迎角增加而递增的;但是迎角超过该临界值后,翼型的升力将递减。
  简单来说,飞机失速意味着机翼上产生的升力突然减少,从而导致飞机的飞行高度快速降低。注意失速并不意味著引擎停止了工作或是飞机失去了前进的速度。
  通过以上两幅图,我们可以看到,当翼片的气动迎角超过某个值时,附着在翼片上的气流就会和翼片本身分离,在区域内形成分离涡,这样一来,下压力或升力也就要相对减小。
  在F1领域,失速现象被广泛地运用到减阻设计中,但是与航空领域不同的是,F1的翼片不能随意地更改气动攻角,因此,在F1领域创造失速现象的理论出发点就确立了:通过某种手段,阻碍翼片上下气流的会合。即将翼片下方的气流破坏,而最常见的手段就是吹气:通过一股突然介入的气流破坏翼片下方原有的环境,进而影响翼下气流的运动路径,创造失速。
  迈凯伦在其2010年的MP4-25赛车上使用一种以失速现象为基础原理的尾翼,这款尾翼在该赛季取得了巨大的成功,并立即被法拉利、红牛、奔驰、雷诺等队效仿,成为了2010赛季的"争冠必备武器"。
  迈凯伦的工程师们将气流送到了尾翼的下部,这股额外的"不速之客"在尾翼的后方制造了涡流,这样一来便破坏了尾翼下表面的气流,使之无法与上表面的气流汇合,失速现象便由此制造出来。这样一来尾翼所制造的下压力就可以忽略不计,赛车在直道上的阻力就被大幅度降低,这种情况下引擎就可以为赛车提供更大限度的动力输出,赛车就可以获得显著的尾速优势。赛季初期,迈凯伦的两辆赛车在尾速方面连续几站包揽前二,更恐怖的是,MP4-25的极速比排在第二名的车队快了6-10公里,这也是为何各队纷纷效仿迈凯伦的原因了。在此之后,运用失速现象的奔驰,红牛DDRS又使这项技术在F1领域中进入了更加成熟的新阶段。
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