關于Formula 1空氣動力學fluent計算

摘 要：目前的F1空氣動力學高度復雜，關于各個部分不同狀態下F1賽車的空氣動力學情況值得思考。本研究是基于Ferrari F10模型對受力條件進行評估，以便研究各個部位對整體造成的影響。通過使用anasys解決方案進行不同的CFD模擬來解決這個問題。并根據數據結果對當前模型的分析結果進行改進分析。

關鍵詞：Formula 1 外部空氣動力學 CFD仿真模擬

1 介紹

1.1 介紹

說到 FI 賽車車身，最值得一提的便是各種空氣動力學組件。由碳纖維打造的車身和底盤固然是一個亮點，但由于空氣動力學原理在 FI 賽車車身和底盤設計上的廣泛應用，見圖1，使 FI 車隊對于空氣動力學的研究和相應的組件設計達到了其他任何賽車都無法比擬的水平和規模，這正是F1卓爾不群的原因之一。

1.2 計算目的

對于 FI 而言，時間就是金錢，同時時間也需要耗費金錢。據專家統計：目前F1車隊在空氣動力學開發上的花費已占到整個車隊年度預算的15%，現在唯一能超過這筆費用開支的只剩下引擎開發了。新建一個全新的F1風洞至少需要花費4500萬歐元。盡管如此，如今的大多數F1車隊還在幾年前便修建了屬于自己的風洞。

但受到規則與預算限制導致風洞時間有限所以理論計算與數值模擬在F1中更顯得至關重要。

為了更好地理解或是設計賽車部件，本研究以Ferrari F10為原型并進行簡單建模進行仿真。計算流體動力學是流體力學的一個分支，它使用數值方法和算法來解決和分析流體的行為。為了從CFD技術中受益，盡可能多地了解要模擬的實際問題（即流體的物理性質、邊界條件以及其他變量）非常重要。此外，CFD 涉及設計要網格劃分的 CAD 模型，并最終求解其上的數學方程綱要，因為它們是解決數值問題的基本工具。然而，CFD固有的一些缺點包括模型校準（以確保可靠的結果）、復雜的網格劃分和通常強大的CPU要求等。

1.3 模型的處理及簡化

受計算機硬件條件的限制，計算模型不可能完全模擬列出的真實情況，必須抓住主要矛盾對列車某些結構尤其是座艙及前翼進行簡化。本次計算模型實施了以下簡化措施：

（1）去掉進氣格柵、前翼連桿及車底的一些細小設備；

（2）將多組前翼翼片簡化為一片；

（3）運行工況：忽略環境風的影響，假設賽車在原為靜止的空氣中沿平直線路勻速、平穩運行、運行速度在V=80m/s；

（4）忽略輪胎在不同溫度與倍耐力提供不同輪胎配方的工作性能得到模型見下圖2。

2 整體模型在不同速度下的fluent計算

2.1 計算前求解條件的設置

2.1.1 計算前的模型簡化

本次設計中應用的80m/s 的賽車并去除模型中的一些圓角特征下圖為經過簡化處理后的流體域模型。

2.1.2 網格劃分

利用anasys自帶的網格劃分工具劃分20mm的網格。

2.1.3 求解器設置

在完成了網格、計算模型、材料和邊界條件的設置后，原則上就可以讓Fluent開始對賽車模型的外流場進行仿真計算，但為了更好地控制求解過程，需要在求解器中進行設置。

2.2 賽車在40m/s，60 m/s，80 m/s情況下的分析。

3 fluent計算結論分析

根據上文計算結果可以對F1的一些氣動部件進行說明研究。整車的氣動阻力主要來自前輪，后輪，尾翼，如果整車前傾角度過大也會增大氣動阻力。根據實際情況與分析結果車體側箱部分可能可以減少后輪阻力根據有關研究臺階流動是十分有效的氣流控制手段，尤其是前向階梯，經過合理的設計，氣流仍然會在下游重新附著在車體上。圖3-2就論證了在翼片尾部利用前向臺階流增加下壓力的可能，測試數據顯示這可以增加將近20%到30%的下壓力。

3.1 尾翼分析

由于底板的不可見，轉而首先進行尾翼的分析。

Rear Beam Wing 相當于是擴散器的副翼進一步提高擴散器中的氣流上洗，Rear Profiles 為通常講的尾翼，根據數據分析其產生下壓力，同時其上洗效果也利于車底氣流的上洗與擴張，并對車底低壓產生幫助。

尾翼也可以增加車后氣流上洗，幫助擴散器。

尾翼的上方端板，會在尾翼兩側后方產生強渦，將車的尾流產生外洗且向上引導，但會導致對后車的干擾。在F1新規中就禁止了尾翼上方的端板這樣車的尾流將向內收束，并減少 對后車的干擾。如圖8。

Rear Beam Wing也可視為擴散器的二層翼片，提高擴散器內氣流的流速和擴張比例。如下圖9 Rear Beam Wing。

3.2 鼻翼分析

根據模擬數據鼻翼產生下壓力，并在下方產生低壓導致上方氣流內洗。鼻翼的dive（端板外側的斜向上橫條）可以產生渦，并以此稍微減弱前后輪的流動分離。如下圖3-4鼻翼端板分析。

3.3 前后輪附近分析

根據F1技術要求本次仿真使用的原型F1進氣口在車輪內測而出口設置在車輪外側，從而用散熱氣流在車輪外側流出并產生外洗。

3.4 分析總結

下圖10為計算所得阻力隨速度變化曲線。

根據上述分析影響F1賽車最重要的因素就是前鼻翼，這是決定通過車身上方，下方和其他部位如散熱器，后尾翼氣流的比例和方向的關鍵部件，并且除了分流前方的空氣之外，前鼻翼在操作上也扮演重要的角色，那就是產生下列來將前輪壓在地面上。

尾翼是f1賽車外觀上重要的一部分，尾翼的組合被當前的比賽規則限制，通過調整前后翼的設置，車隊可以控制賽車的抓地力來配合不同的賽道特性及底盤本身所產生的定值的下壓力。理論上翼面角度越陡，產生的空氣動力學的拖動阻力越大車速越高時對車輛產生的壓力就越大同時陡峭的翼面設置會降低賽車的速度表現及增加油耗。為了讓賽車在高速時產生的下壓力減小，通常使用單臂梁固定尾翼。

由于賽車高速時底盤過于接近地面而導致氣動下壓力減小，賽車掛架使賽車上升，賽車上升又使氣動下壓力上升，于是賽車又被壓向地面，由于過于接近地面導致氣動下壓力又減少……，就這樣不斷地上下跳動，俗稱賽車的海豚跳。

在高速時的不斷跳動，尾翼采用單臂梁固定尾翼，采用相關特性材料可以使尾翼在高速時產生跳動從而降低尾翼攻角，達到減小整體下壓力的目的。

參考文獻：

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