賽車空動優化的秘密

梁子平

對于方程式賽車而言，車身的空氣動力學可以很大程度上影響賽車的操控性能。但由于空氣動力學套件工作時受到多方面的影響，使得在某些條件下這些套件無法適應復雜的外界環境，極大地降低賽車的性能。本文將以FSC賽車和F1賽車為技術背景，討論從優化邊界層的角度可以為賽車的空氣動力學性能帶來怎樣的提升。

什么叫邊界層

賽車的前翼、尾翼和擴散器，雖然工作原理和各自所處的氣流環境存在較大差異，但它們卻有一個共同點：必須利用氣流的持續附著才能正常工作。一旦引發氣流失速，這些套件都將失效，無法為賽車提供足夠的負升力。一般程度上來說，氣流的分離往往是物面的粘滯作用和逆壓梯度造成的，而這又與邊界層密切相關。通過翼面開槽、安裝渦流發生器等措施，可以為翼面下方提供能量，彌補流速損失，進而優化邊界層，延遲失速的發生。因此，對邊界層的處理和優化對于一輛方程式賽車而言至關重要。

流體流過物面的過程中，由于受到粘滯作用的影響程度不同，使得沿壁面法線方向存在相當大的速度梯度，我們將緊貼物面、沿物面法線方向速度變化很大的一層流體稱為邊界層。

在離物面較遠處，粘性力比慣性力小得多，可以把黏性應力略去不計，按無粘流體處理；而在緊貼物面的一層，粘滯力完全占主導作用，流體的流速為零。因此，可以將邊界層理解為緊貼物面受黏性影響顯著的流體薄層。

通常將邊界層的厚度δ定義為從物面到約等于99%的外部流動速度處的垂直距離，而流速達到0.99v處定義為邊界層的外邊界。在這一邊界之外，可以近似忽略粘性影響。

由于氣流在流動過程中受到黏性影響使得速度有所損耗，因此流動越向下游，邊界層越厚。

根據雷諾數的大小，邊界層內的流動有層流與湍流兩種形態。一般上游為層流邊界層，下游從某處以后轉變為湍流，且邊界層急劇增厚。層流和湍流之間有一過渡區。當所繞流的物體被加熱（或冷卻）或高速氣流掠過物體時，在鄰近物面的薄層區域有很大的溫度梯度，這一薄層稱為熱邊界層。

邊界層對方程式賽車的影響

前文中提到過，方程式賽車的前翼和尾翼都依靠氣流的持續附著才能正常工作。

以上述翼型為例，翼片下表面的氣流利用康達效應沿翼片曲率附著流動，利用翼面上下的流速差制造負升力。但如果翼片的曲率過大，或襟翼的攻角過大，氣流將與翼面表面發生分離，引發失速。下面的翼片迎角繞流實驗很好地說明了這一問題。

通過實驗圖片，我們可以看到，當翼片的氣動迎角超過某個值時，附著在翼片上的氣流就會和翼片本身分離，在區域內形成分離渦，這樣一來，下壓力或升力也就要相對減小。

對于方程式賽車，原則上需要用盡可能大的襟翼攻角來壓榨足夠的負升力，但是氣流的失速現象明顯限制了這一舉措。而氣流失速在某種程度上又是和邊界層的分離密切相關的。

氣流流過物面時，邊界層內的氣流由于黏性作用而消耗了部分動能，根據適用于氣體的伯努利方程P+1/2ρv2=常量，動能的損失將導致區域壓強的升高，而在流向的方向上，壓強是持續升高的，這部分壓差使得氣流無法沿著物面流動，以至于發生倒流，使氣流離開物面。

邊界層分離的內因是因為流體具有黏性，外因則是物面彎曲而出現的逆壓梯度。

流體的流動狀態對分離也有影響。如果在分離點之前邊界層為層流，則稱這種分離為層流分離。如果分離點之前邊界層已經變成湍流，則稱這種分離為湍流分離。理論上，湍流分離比層流分離發生得晚。這是由于湍流邊界層內速度分布比層流邊界層內速度分布較為“飽滿”，所以在減速區內不易變“瘦”，可以使分離現象推遲發生。

由于分離后物體背風面壓強低于前部壓強，故有一個壓差阻力存在。實驗表明，邊界層的分離區越大，壓差阻力也越大；反之，壓差阻力越小。要減小壓差阻力，就要減小氣流分離區，就是要使邊界層分離點后移。對于流線型的翼剖面，在小攻角下，這部分壓差阻力相當小。隨著攻角增大，壓差阻力將增大，當翼型上繞流分離時，壓差阻力將陡增。因此，推遲邊界層的分離對于提升賽車的空氣動力學性能具有巨大的實際意義。（未完待續）endprint