f1空氣動力學介紹（空氣動力學和流體力學）

2023-04-21 09:42:45

我們將進一步討論流體力學和空氣動力學的重要概念，如層流/湍流、邊界層、不同方向的流動和不同的壓力定義。

層流與湍流

層流和湍流等術語在F1中很常見，尤其是湍流或擾流。飛機飛行時也經常聽到顛簸聲，飛行員和機組人員可能會警告乘客「在飛行中遇到顛簸」，這意味著乘客可能會看到機艙受到一些衝擊和震動。

層流是一種低速流，其中流線具有均勻且「適當」的布局，採用由其周圍壁的幾何形狀定義的形狀。與層流相反，湍流是非常量、混沌、三維和不可預測的。湍流中沒有一點具有可預測的流體特性，儘管通過實驗數據收集，一些不穩定性（隨時間變化）可以平均出來。

奧斯本·雷諾（Osborne Reynolds）首次公布了實驗結果，揭示了不同速度下流體流動的不同性質。他還確定，這種現象還有其他因素，但也有一個無量綱數，可以作為確定流動具體性質的有用指南。這個數字後來被稱為雷諾數。雷諾數定義為流體中慣性力和粘性力的比率：

式中，u為相對流體速度，L為特徵線性尺寸（翼弦、球體直徑、管道內徑等），ν為運動粘度。

從這個意義上講，雷諾數給出了流動從層流過渡到湍流的條件值，該條件取決於壁面幾何形狀、流體壓力、溫度等。

層流可以在自由大氣中轉變為湍流（即流體體積中沒有壁），如圖6所示。這種轉變也可以發生在壁附近，即邊界層。這意味著靠近壁面（例如機翼上）的流體在某一點從層流轉變為湍流。

邊界層

邊界層與流體粘度有關，本文第一部分對此進行了討論。它是一層流體，其中粘度的影響非常顯著，有許多不同類型的流體，如層流、湍流、熱等。

當我們討論F1空氣動力學時，最感興趣的是由流體速度定義的邊界層。邊界層高度隨流體-壁面相互作用長度的增加而增加，這與邊界層內流體速度的變化有關。在壁面上，流體是靜態的，因此速度為0。在邊界層邊緣，速度定義為自由流速度的99%——即無粘流的表面速度。

如果流體在與壁面接觸之前是層流的，則會形成層流邊界層，反之亦然。然而，層流和湍流之間的過渡幾乎可以保證在某一點上發生在壁面上（在F1賽車上——它發生在任何地方，因為所有表面都足夠長，車速和表面上的壓力梯度也是如此）。

非常重要的是要注意，湍流邊界層與自由流湍流不同，並不總是壞事。例如，與層流相比，它可以保持附著在具有相對強的反向壓力梯度的曲面上。它有一個表面阻力懲罰，但差別是最小的——以高爾夫球酒窩為例，通過遍布整個球的湍流邊界層保持流動更長時間，以減少形狀/壓力阻力比減少表面阻力更重要。

當湍流邊界層分離時，也會形成完全的湍流，下遊的一切都可能（並且經常）受到影響。這種情況的一個例子是在汽車的焦炭瓶區域發生分離，在這裡存在強烈的壓力梯度，很容易發生流動分離——如圖8所示。

一維、二維和三維流動

在科學研究和將自然規律轉化為數學方程式的過程中，簡化的內容非常豐富。這也是所謂的一維和二維流動的情況，即沿直線流動和平面流動。無需解釋這只是一個語義問題，每個流體流實際上都是一個體積中的流，即三維流。

一般來說，F1賽車外部空氣動力學中不存在1D和2D氣流（從簡化的角度來看）。即使是通過S型風管的流動也不能真正觀察到一維，因為三維流動會產生顯著的影響。然而，F1賽車的某些區域可以局部觀察到一維流和二維流。

如本文第一部分所述，機翼上的會聚槽（以及現在汽車的幾乎所有其他部分）用於為邊界層通電和加速機翼下側的流動，同時降低底部的壓力並增加機翼頂部的壓力。局部情況下，當進行橫截面切割時，槽可以觀察為1D流，因為該區域中有一個入口和一個出口。

當涉及液壓流槽管道或空氣流時，1D流量計算更為重要。流體動力學的這一領域對於噴嘴的計算也很重要，特別是當馬赫數大於1時。風洞橫截面也在很大程度上由一維流動計算確定。

當每個點的流速平行於一個固定平面時，可以說這是一個二維流。由於F1賽車上形成了大量非常強的漩渦，因此實際上賽車上沒有二維流動的平面，即使理論上在對稱平面上也是如此。從另一個角度來看，有關二維流動的研究非常重要——機翼設計為二維曲線，在強制二維條件下的風洞中進行測試，也在二維CFD模擬中進行測試。為了更好地理解如何從分析的角度看待機翼，提及不同類型的二維流動是很有用的。

線源是流體在垂直於線的平面上出現和流出的線。同樣的情況也適用於管線水槽——流體流向與之垂直的水槽。這基本上是CFD模擬中的二維入口/出口。

均勻源流是從公共點向外定向的徑向對稱流場。同樣的敵人是均勻的下沉流。一個均勻的源流最好被描繪成一顆向各個方向發光的恆星，而匯則是一個黑洞——從各個方向吸進一切。

無旋旋渦是一種旋渦，在該旋渦中，每一點處的流動都使得放置在那裡的小顆粒經歷純平移而不旋轉。沒有徑向流動，所以在中心速度為零。這種渦旋的一個重要特徵是環流（Γ），它是繞速度場閉合曲線的線積分。換句話說，環流是圍繞閉合曲線的速度通量，即垂直於該曲線所包圍的表面。

繞機翼的流動可以表示為繞其圓周的循環。不用說，這只在首先繞著機翼本身流動時才成立，所以它圓周上的切向速度與自由流速度相加。順時針循環提供升力，導致機翼上表面的速度增加，下表面的速度減少——事實就是如此。這被稱為庫塔-朱可夫斯基定理，馬格納斯效應是環流和升力產生之間相關性的最好例子之一。

偶極子是最後一種應該提到的2D流，它是一個類似於電偶極子和磁偶極子（電動力學）的概念。它可以被描述為一個均勻的源流和匯流，相距無窮小。所有其他類型的2D流可以數學表示為這六種基本流類型的組合，因此可以通過分析確定流參數。同樣，二維流動非常罕見，這些分析在流體力學的早期非常重要。

總壓力、靜態壓力和動態壓力

壓力（p或p）最常用的定義是「壓力是每單位面積垂直於物體表面施加的力的大小」。因為我們可以將氣動力定義為壓力和表面積的乘積，所以流體壓力的定義應該不同——流體內某點的壓應力。

為什麼只有壓縮？當壓力作用於物體表面時，它自身無法拉動該物體——必須存在壓力差才能移動該表面和/或該物體。這個壓差乘以表面積就是計算空氣動力的方法。

現在，我們這裡說的到底是什麼壓力？空氣動力是由物體通過空氣的運動（或物體周圍空氣的運動）產生的，因此，應首先提及動態壓力這一術語。在這樣做時，我們可以將動態壓力定義為由於流體運動而導致的超過靜態壓力的增加。動態壓力通常表示為q或q，定義如下：

該方程類似於動能方程，並應與其關聯——因為運動壓力隨速度平方而升高。

如前所述，動態壓力是相對於靜態壓力的增加，實際上，作用在物體上的是靜態壓力。因此，與動態壓力不同，靜態壓力可以在表面上測量。F1賽車上的靜壓差來自賽車上的氣流速度差。動態壓力在汽車上發生局部變化，因為它與局部空氣速度有關。這就是術語「總壓力」的作用。總壓力是靜態和動態壓力以及重力壓力的總和：

當兩個觀測點之間的測地高度差非常小且可以忽略時，停滯壓力一詞通常與總壓力混淆。停滯壓力是動態壓力和靜態壓力的總和，是流體速度為零的點（例如機翼前緣）處的壓力。

總壓力表示物體周圍空氣運動的總能量，對賽車的整體空氣動力學性能非常重要。空氣中的能量損失會導致空氣動力性能的損失（因為在這種情況下，相等的動態壓差會產生較小的靜態壓差），並且很容易發生損失。一種損失能量的方法是槽邊界層，在槽邊界層中，粘性力會造成損失，邊界層越厚，損失的能量越多。另一種損失能量的方式是通過湍流尾跡，這就是為什麼現代F1賽車設計的重點是保持（前）輪胎湍流尾跡儘快遠離賽車。

空氣中的能量損失不僅僅表現為較小的靜壓差；它還影響潛在的流動分離，這意味著當總壓較低時，分離更容易發生。這就是為什麼良好的擴散器性能很難提取的原因——在它前面有一個很厚的邊界層的長地板，在這個區域的任何湍流尾跡（來自前輪胎或後輪胎）的吸入都會嚴重傷害它。

團隊使用各種解決方案來應對這些問題。增加表面上的槽數有助於將邊界層厚度保持在最小值，同時還可以通過收斂通道為流動提供能量。這些狹縫還有助於對抗總壓損失的另一種方法——誘導渦流，用於創建流動結構，幫助將空氣引導到設計師想要的地方。湍流的前輪胎尾流通過眾所周知的Y250渦被強迫向外，側吊艙上方的氣流被強迫向下流向底板，破風板區域和側吊艙進口周圍產生各種渦流。