计算流体力学在F1赛车运动中的应用

摘 要：运用计算流体力学的方法能够对F1赛车外形的设计进行优化，从而将空气动力学特征改善。通过结果可以知道，运用流体力学方法可以在短时间里实现模拟计算多种设计方案，获得赛车外形和气动阻力等空气动力学特征定量的关系，还可以研究F1赛车操纵稳定性，噪声以及排、进气道等。

关键词：计算流体力学；F1赛车；空气动力学

引言：计算机技术在近些年发展速度加快，在F1空气动力学中计算流体力学应用比较广泛。对F1行驶进行研究的过程中，其和空气是相对运动，F1附近空气流动状况与空气作用给F1的力、F1各类外部形状影响空气流动以及空气动力。除此之外，F1中空气的作用还展现在清洁F1车身外表面、车身覆盖件振动以及气流噪声等。

1 计算流体力学在F1赛车运动中应用的作用

计算流体力学与风洞试验相比，没有其精度高，但计算流体力学的构建是基于经典力学、计算机技术以及数值计算方法，其优点是成本低以及有较短周期，在某种意义上数值模拟相较于理论和实验，对于流体运动过有着更加深刻、细致的认识，不只能够对运动结果进行了解，并且能够对整体和局部产生的细小扰动加以掌握。计算技术在近几十年里高速发展，计算流体力学能够通过数值对F1外场流态进行模拟，进而获取需要的F1空气动力学特征参数意义十分重大。现阶段，该方法受到了很大程度上的关注，在F1中能够将自身优势充分发挥出来，成为设计F1中先进、有效的现代方法。

2 流体力学在F1赛车中的具体应用

2.1空气动力学的应用

设计F1的车身外形依据的主要是人机工程学、机械工程学以及空气动力学，前两项能够决定F1的基本骨架，在内部控制F1车身外形，而F1的外部限制条件则为空气动力学。空气动力特征会对F1的稳定特征、驱动特征、操作特征、噪声特征、燃油经济问题以及加速性能等有直接影响，甚至一些会对行驶安全造成影响。行驶F1时受到的空气作用力能够分解成6个分量，分别是升力、阻力、侧向力、侧倾气动力矩、纵倾气动力矩与横摆气动力矩。在这些分量中，因为现阶段F1空气阻力动力的消耗与策动摩擦相差无几，因此在长期发展中空气阻力系数是对F1空气动力性能进行衡量最基础的参数，研究F1空气动力学最主要的内容为采取有效方法将F1空气阻力系数降低。通过多年的试验研究，已经可以在很大程度上降低气动阻力系数，特别是赛车气动阻力更加接近0.15。在这样的情况下，在设计F1外形过程中，应该深入的研究F1空气动力学。

2.2空气噪声

设计师们运用较为简单的计算流体力学模拟模型，开展风洞试验，对F1中几个噪声源产生的空气噪声进行研究。噪声的主要来源有A型门柱产生的涡流、后车轴上产生的分离气流、侧车窗中产生的分离气流。这三类空气流动有着比较复杂的情况，主要是来评估噪声。单一的应用计算流体力学来计算，会产生较大的工作量，并且会浪费很多时间。实际上，这三个值能够运用风洞试验来获取。然而，在风洞试验中这些值不能够直接进行测量，只能够处理试验数据来提取。相较于风洞试验数据，计算流体力学简化后将不会具备良好的计算数据精度，但通过网格关联的方法，能够较为方便的来处理计算数据。在实际中，可以有效结合使用这两种方法，充分发挥出两种方法的优势，使计算精度更高。

2.3底部流场F1空气动力特征的关键影响

在行驶F1赛车时会出现三道气流，这三道气流来自不同方向，怎样进行处理，怎样处理更加方便有效，是F1空气力学研究专家们很重视的课题。F1赛车在行驶情况下，先会出现一道经过车体和尾翼上方的气流。这一气流能够决定车体纵向荷重。与此同时，在侧方运用散热器气流的作用也十分重要，由于这一气流可用来冷却发动机，从而应该在散热器进气口进行导入，接着由车体排气口导出，并且不应和车体上方流经的气流互相干扰，防止由此出现的乱流对车体行驶稳定性造成影响。除去车体侧方以及上方外，经过底盘的气流非常重要，由于这一气流是主要构成下压力的条件，同时其占据车体侧方以及上方总体气流量45%以上。在这样的理由之下，良好设计F1赛车底部的战略具有非常重要的意义。为将车体底部空气动力性能有效提升，可在车尾下方安装导流板，使其成为关键的空气动力套件。在设计车体底部的过程中，车底中央底板将按照赛会规则进行，从而各队赛车不会存在太大的差异性。在运用计算流体力学的计算得知，因为地面以及车轮旋转等效应的影响，F1底部流动复杂将会严重影响整个车的外部结构以及空气动力性能。在这样的基础之上，模拟数值与实车试验应该更加细致深入的展开，对F1底部流动复杂特征加一张我，进而优化F1空气动力性能。

2.4进、排气道

运用计算流体力学开展“数值试验”，能够将试验研究的工作量大幅减少，在选择以及评价各种设计方案方面更加方便。F1发动机中进、排气道属于比较重要的部分，其设计质量会对发动机性能产生直接影响。模拟气道内气的体流动数值，能够获取气道内流速以及压力等参数空间上的分布，同时构建安装位置、气道形状、流动规律、特征的关系，以便于更好的设计和优化F1发动机的进、排气道。

3 结语

运用计算流体力学能够优化设计F1赛车外形，进而将其空气动力学特征提高，加强F1赛车性能。本文主要通过对计算流体力学进行研究，探讨其应用在F1赛车运动中的作用，以及其具体应用，主要是在F1赛车操纵稳定性、底部流场与空气动力特征关系、空气噪声以及排、进气道等内容，以供参考。

参考文献：

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