关于Formula 1空气动力学fluent计算

摘 要：目前的F1空气动力学高度复杂，关于各个部分不同状态下F1赛车的空气动力学情况值得思考。本研究是基于Ferrari F10模型对受力条件进行评估，以便研究各个部位对整体造成的影响。通过使用anasys解决方案进行不同的CFD模拟来解决这个问题。并根据数据结果对当前模型的分析结果进行改进分析。

关键词：Formula 1 外部空气动力学 CFD仿真模拟

1 介绍

1.1 介绍

说到 FI 赛车车身，最值得一提的便是各种空气动力学组件。由碳纤维打造的车身和底盘固然是一个亮点，但由于空气动力学原理在 FI 赛车车身和底盘设计上的广泛应用，见图1，使 FI 车队对于空气动力学的研究和相应的组件设计达到了其他任何赛车都无法比拟的水平和规模，这正是F1卓尔不群的原因之一。

1.2 计算目的

对于 FI 而言，时间就是金钱，同时时间也需要耗费金钱。据专家统计：目前F1车队在空气动力学开发上的花费已占到整个车队年度预算的15%，现在唯一能超过这笔费用开支的只剩下引擎开发了。新建一个全新的F1风洞至少需要花费4500万欧元。尽管如此，如今的大多数F1车队还在几年前便修建了属于自己的风洞。

但受到规则与预算限制导致风洞时间有限所以理论计算与数值模拟在F1中更显得至关重要。

为了更好地理解或是设计赛车部件，本研究以Ferrari F10为原型并进行简单建模进行仿真。计算流体动力学是流体力学的一个分支，它使用数值方法和算法来解决和分析流体的行为。为了从CFD技术中受益，尽可能多地了解要模拟的实际问题（即流体的物理性质、边界条件以及其他变量）非常重要。此外，CFD 涉及设计要网格划分的 CAD 模型，并最终求解其上的数学方程纲要，因为它们是解决数值问题的基本工具。然而，CFD固有的一些缺点包括模型校准（以确保可靠的结果）、复杂的网格划分和通常强大的CPU要求等。

1.3 模型的处理及简化

受计算机硬件条件的限制，计算模型不可能完全模拟列出的真实情况，必须抓住主要矛盾对列车某些结构尤其是座舱及前翼进行简化。本次计算模型实施了以下简化措施：

（1）去掉进气格栅、前翼连杆及车底的一些细小设备；

（2）将多组前翼翼片简化为一片；

（3）运行工况：忽略环境风的影响，假设赛车在原为静止的空气中沿平直线路匀速、平稳运行、运行速度在V=80m/s；

（4）忽略轮胎在不同温度与倍耐力提供不同轮胎配方的工作性能得到模型见下图2。

2 整体模型在不同速度下的fluent计算

2.1 计算前求解条件的设置

2.1.1 计算前的模型简化

本次设计中应用的80m/s 的赛车并去除模型中的一些圆角特征下图为经过简化处理后的流体域模型。

2.1.2 网格划分

利用anasys自带的网格划分工具划分20mm的网格。

2.1.3 求解器设置

在完成了网格、计算模型、材料和边界条件的设置后，原则上就可以让Fluent开始对赛车模型的外流场进行仿真计算，但为了更好地控制求解过程，需要在求解器中进行设置。

2.2 赛车在40m/s，60 m/s，80 m/s情况下的分析。

3 fluent计算结论分析

根据上文计算结果可以对F1的一些气动部件进行说明研究。整车的气动阻力主要来自前轮，后轮，尾翼，如果整车前倾角度过大也会增大气动阻力。根据实际情况与分析结果车体侧箱部分可能可以减少后轮阻力根据有关研究台阶流动是十分有效的气流控制手段，尤其是前向阶梯，经过合理的设计，气流仍然会在下游重新附着在车体上。图3-2就论证了在翼片尾部利用前向台阶流增加下压力的可能，测试数据显示这可以增加将近20%到30%的下压力。

3.1 尾翼分析

由于底板的不可见，转而首先进行尾翼的分析。

Rear Beam Wing 相当于是扩散器的副翼进一步提高扩散器中的气流上洗，Rear Profiles 为通常讲的尾翼，根据数据分析其产生下压力，同时其上洗效果也利于车底气流的上洗与扩张，并对车底低压产生帮助。

尾翼也可以增加车后气流上洗，帮助扩散器。

尾翼的上方端板，会在尾翼两侧后方产生强涡，将车的尾流产生外洗且向上引导，但会导致对后车的干扰。在F1新规中就禁止了尾翼上方的端板这样车的尾流将向内收束，并减少 对后车的干扰。如图8。

Rear Beam Wing也可视为扩散器的二层翼片，提高扩散器内气流的流速和扩张比例。如下图9 Rear Beam Wing。

3.2 鼻翼分析

根据模拟数据鼻翼产生下压力，并在下方产生低压导致上方气流内洗。鼻翼的dive（端板外侧的斜向上横条）可以产生涡，并以此稍微减弱前后轮的流动分离。如下图3-4鼻翼端板分析。

3.3 前后轮附近分析

根据F1技术要求本次仿真使用的原型F1进气口在车轮内测而出口设置在车轮外侧，从而用散热气流在车轮外侧流出并产生外洗。

3.4 分析总结

下图10为计算所得阻力随速度变化曲线。

根据上述分析影响F1赛车最重要的因素就是前鼻翼，这是决定通过车身上方，下方和其他部位如散热器，后尾翼气流的比例和方向的关键部件，并且除了分流前方的空气之外，前鼻翼在操作上也扮演重要的角色，那就是产生下列来将前轮压在地面上。

尾翼是f1赛车外观上重要的一部分，尾翼的组合被当前的比赛规则限制，通过调整前后翼的设置，车队可以控制赛车的抓地力来配合不同的赛道特性及底盘本身所产生的定值的下压力。理论上翼面角度越陡，产生的空气动力学的拖动阻力越大车速越高时对车辆产生的压力就越大同时陡峭的翼面设置会降低赛车的速度表现及增加油耗。为了让赛车在高速时产生的下压力减小，通常使用单臂梁固定尾翼。

由于赛车高速时底盘过于接近地面而导致气动下压力减小，赛车挂架使赛车上升，赛车上升又使气动下压力上升，于是赛车又被压向地面，由于过于接近地面导致气动下压力又减少……，就这样不断地上下跳动，俗称赛车的海豚跳。

在高速时的不断跳动，尾翼采用单臂梁固定尾翼，采用相关特性材料可以使尾翼在高速时产生跳动从而降低尾翼攻角，达到减小整体下压力的目的。

参考文献：

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