摘要：目前的F1空氣動力學(xué)高度復(fù)雜，關(guān)于各個部分不同狀態(tài)下F1賽車的空氣動力學(xué)情況值得思考。本研究是基于FerrariF10模型對受力條件進(jìn)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(jìn)行不同的CFD模擬來解決這個問題。并根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果對當(dāng)前模型的分析結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)分析。關(guān)鍵詞：Formula1外部空氣動力學(xué)CFD仿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(xué)組件。由碳纖維打造的車身和底盤固然是一個亮點(diǎn)，但由于空氣動力學(xué)原理在FI賽車車身和底盤設(shè)計上的廣泛應(yīng)用，見圖1,使FI車隊(duì)對于空氣動力學(xué)的研究和相應(yīng)的組件設(shè)計達(dá)到了其他任何賽車都無法比擬的水平和規(guī)模，這正是F1卓爾不群的原因之一。對于FI而言，時間就是金錢，同時時間也需要耗費(fèi)金錢。據(jù)專家統(tǒng)計：目前F1車隊(duì)在空氣動力學(xué)開發(fā)上的花費(fèi)已占到整個車隊(duì)年度預(yù)算的15%,現(xiàn)在唯一能超過這筆費(fèi)用開支的只剩下引擎開發(fā)了。新建一個全新的F1風(fēng)洞至少需要花費(fèi)4500萬歐元。盡管如此，如今的大多數(shù)F1車隊(duì)還在幾年前便修建了屬于自己的風(fēng)洞。但受到規(guī)則與預(yù)算限制導(dǎo)致風(fēng)洞時間有限所以理論計算與數(shù)值模擬在F1中更為了更好地理解或是設(shè)計賽車部件，本研究以FerrariF10為原型并進(jìn)行簡單建模進(jìn)行仿真。計算流體動力學(xué)是流體力學(xué)的一個分支，它使用數(shù)值方法和算法來解決和分析流體的行為。為了從CFD技術(shù)中受益，盡可能多地了解要模擬的實(shí)際問題(即流體的物理性質(zhì)、邊界條件以及其他變量)非常重要。此外，CFD涉及設(shè)計要網(wǎng)格劃分的CAD模型，并最終求解其上的數(shù)學(xué)方程綱要，因?yàn)樗鼈兪墙鈫栴}的基本工具。然而，CFD固有的一些缺點(diǎn)包括模型校準(zhǔn)(以確?？煽康慕Y(jié)果)、1.3模型的處理及簡化受計算機(jī)硬件條件的限制，計算模型不可能完全模擬列出的真實(shí)情況，必須抓住主要矛盾對列車某些結(jié)構(gòu)尤其是座艙及前翼進(jìn)行簡化。本次計算模型實(shí)施了以下(1)去掉進(jìn)氣格柵、前翼連桿及車底的一些細(xì)小設(shè)備；(2)將多組前翼翼片簡化為一片；(3)運(yùn)行工況：忽略環(huán)境風(fēng)的影響，假設(shè)賽車在原為靜止的空氣中沿平直線路勻速、平穩(wěn)運(yùn)行、運(yùn)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(shè)置2.1.1計算前的模型簡化本次設(shè)計中應(yīng)用的80m/s的賽車并去除模型中的一些圓角特征下圖為經(jīng)過簡2.1.2網(wǎng)格劃分利用anasys自帶的網(wǎng)格劃分工具劃分20mm的網(wǎng)格。2.1.3求解器設(shè)置在完成了網(wǎng)格、計算模型、材料和邊界條件的設(shè)置后，原則上就可以讓Fluent開始對賽車模型的外流場進(jìn)行仿真計算，但為了更好地控制求解過程，需2.2賽車在40m/s,60m/s,80m/s情況下的分析。3fluent計算結(jié)論分析根據(jù)上文計算結(jié)果可以對F1的一些氣動部件進(jìn)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(jù)實(shí)際情況與分析結(jié)果車體側(cè)箱部分可能可以減少后輪阻力根據(jù)有關(guān)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(jīng)過合理的設(shè)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)而首先進(jìn)行尾翼的分析。RearBeamWing相當(dāng)于是擴(kuò)散器的副翼進(jìn)一步提高擴(kuò)散器中的氣流上洗，RearProfiles為通常講的尾翼，根據(jù)數(shù)據(jù)分析其產(chǎn)生下壓力，同時其上洗效果也利于車底氣流的上洗與擴(kuò)張，并對車底低壓產(chǎn)生幫助。尾翼也可以增加車后氣流上洗，幫助擴(kuò)散器。尾翼的上方端板，會在尾翼兩側(cè)后方產(chǎn)生強(qiáng)渦，將車的尾流產(chǎn)生外洗且向上引導(dǎo)，但會導(dǎo)致對后車的干擾。在F1新規(guī)中就禁止了尾翼上方的端板這樣車的尾流將向內(nèi)收束，并減少對后車的干擾。如圖8。RearBeamWing也可視為擴(kuò)散器的二層翼片，提高擴(kuò)散器內(nèi)氣流的流速和擴(kuò)3.2鼻翼分析根據(jù)模擬數(shù)據(jù)鼻翼產(chǎn)生下壓力，并在下方產(chǎn)生低壓導(dǎo)致上方氣流內(nèi)洗。鼻翼的dive(端板外側(cè)的斜向上橫條)可以產(chǎn)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(jù)F1技術(shù)要求本次仿真使用的原型F1進(jìn)氣口在車輪內(nèi)測而出口設(shè)置在車輪外側(cè)，從而用散熱氣流在車輪外側(cè)流出并產(chǎn)生外洗。3.4分析總結(jié)下圖10為計算所得阻力隨速度變化曲線。根據(jù)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(guān)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(chǎn)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(dāng)前的比賽規(guī)則限制，通過調(diào)整前后翼的設(shè)置，車隊(duì)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(chǎn)生的定值的下壓力。理論上翼面角度越陡，產(chǎn)生的空氣動力學(xué)的拖動阻力越大車速越高時對車輛產(chǎn)生的壓力就越大同時陡峭的翼面設(shè)置會降低賽車的速度表現(xiàn)及增加油耗。為了讓賽車在高速時產(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)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(guān)特性材料可以使尾翼在高速時產(chǎn)生跳動從而降低尾翼攻角，達(dá)到減小整體下壓力的目的。[1]DavidTremayneanalysisoftheanatomyofthemodern[2]AdrianNewey[M].Howto