F1方程式赛车的空气动力学课件.doc

f1空气动力学f1空气动力学F-1赛车风驰电掣的速度，能在5秒之内瞬间加速到200km/h以上，最大过弯侧向加速可达4个G，极速最高超过350km/h，这样高的速度与过弯能力，除了需要优异的悬吊设置来让轮带尽可能的保持与跑道路面接触之外，也需要足够的下压力来产生足够的摩擦力，否则空有强大的马力，在过弯时将无从发挥，因此空气动力学设计的优劣已成为今日F 1决胜的关键之一。

空气动力学的工程师们在风洞中实现他们的空力艺术，由功能强大的设计计算机所产生的3D模拟，并在大型的风洞中不断的测试。

F1车队每年都会花上300万美元到1500万美元不等的风洞操作经费来验证空气动力学组件的效率。

空气动力学效率就是下压力和空气拖放阻力的比例。

目标就是要获得最大的抓地力，和最小的拖放阻力。

下压力是空气动力学上垂直方向的向下压力总合，这些力量是由前鼻翼和后尾翼所产生，用来把赛车压在地面上，下压力越大，赛车在跑道上的抓地力就越大。

理论上，由前后翼产生的可怕力量，可以让一部F-1赛车抵抗地心引力，让600公斤重的F1赛车在隧道的天花板上倒吊著跑，因为赛车可以产生超过车身重量数倍的下压力。

要让F-1赛车那样高速的过弯，那么必须把车底、车顶以及车身周围的气流引导到完美的境界！关键的前后翼影响F1赛车空力稳定性的最重要因素是前鼻翼，这是决定通过车身上方、下方和其他如散热器、后尾翼气流的比例和方向的关键性组件。

除了分流前方的空气之外，前鼻翼在操控上也扮演重要的角色，那就是产生下压力来将前轮压在地面上。

尾翼是F-1赛车外观上重要的一部份，尾翼的组合被当前的比赛规则限制在只能有三片。

透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放阻力越大，车速提高时对车辆产生的下压力越大。

同时，陡峭的翼面设置会降低赛车的速度表现以及增加油耗。

F-1赛车空气力学的最高境界就是『平衡』。

【知识贴】揭秘F1赛车科技（三）：空气动力学及TC系统1楼一、空气动力学现代F1赛车就像是一架贴地飞行的战斗机，只不过它的“机翼”产生的力是向下的。

随着技术的完善，空气动力学已经成为车队最后可以竞争的领域之一，这也是为什么各支车队每年要花费几百万到数千万美元在空气动力学套件的研发上，所以空气动力学可谓是赛事制胜的法宝。

简单的空气动力模型虽然空气动力学是非常复杂的工程，但是工程师们考虑的问题其实只有两个：一、增加下压力，让赛车紧抓地面，这样可以以更高的速度过弯；二、减小阻力，通过减小气流扰动产生的阻力以提高赛车在直道的速度。

因为增加下压力的同时会产生风阻，所以两个看似矛盾方向的平衡点，正是制胜的关键。

F1车队开始研究空气动力学始于上世纪60年代末期，但是它的原理早在莱特兄弟的飞机上天之前就已经由伯努利发现了。

当气流以不同的速度通过一个机翼的上下表面，就会产生压强差，为了平衡这种压强差，机翼就会向压强小的一面运动。

我们只要让气流通过的两个翼面的长度不一样，就可以产生速度差，进而产生我们需要的升力，或者对于F1来说的下压力。

F1就像是倒过来的机翼，现代F1赛车可以产生3.5倍于自身重量的下压力，简单的说，就是只要达到一定的速度，这些赛车都可以贴在天花板上开而不掉下来。

理论上说合适的设计可以产生非常高的下压力，但是过高的下压力所带来的高速会让车手的身体无法承受，而导致一些事故的发生，从七十年代开始，定风翼的位置、大小、角度等逐步被限制，从而限制车速的提高。

但是F1车队的工程师很快找到了产生下压力的新方法，那就是七十年代莲花车队曾在Brabham BT46B赛车上使用的地效应底盘，这种底盘就是在车后安装一个巨大的风扇，然后把车底部的空气全部抽走产生几乎真空的环境，让大气压把赛车紧紧压在地面上。

这辆赛车只参加过一站比赛，它的巨大优势让国际汽联马上禁止了这种设计。

地效应底盘的莲花F1赛车现在的F1赛车底盘主要靠车底的侧裙和后部的扩散器来达到相似的效果：底盘周围的侧裙对空气扰流可以产生气坝，气坝阻止了周围的空气进入底盘下部，而扩散器可以加速车底的空气离开，等于抽走了车底的空气而在底盘与地面之间生成了一个超低压区，由此可以产生巨大的下压力。

F1赛车的空气动力学原理怎样运用空气动力学的原理使F1赛车的速度发挥到极致的水平如何才能设计一个简单的风洞有哪些简单模型可以测试下压力与阻力虽然一级方程式赛车是一种高速汽车，但在机械概念上却较接近喷射机，而非家庭房车。

它们巨大的双翼不但具用商业广告牌的作用，同时还可以产生至关重要的「下压力」。

这种空气动力会使流经汽车上方的气流将车身向下压，使车子紧贴在车道上。

相反地，飞机则是利用巨大的双翼产生「上升力」。

将车身压在车道上可使轮胎获得更大的抓地力，进而在弯道时产生更快的加速度。

由于一般普通房车没有下压力，因此甚至无法产生1G(一个重力单位)转弯力。

一级方程式赛车能产生4个G的转弯力。

在时速230公里时的状况下，F1赛车上方气流产生的下压力足以使它在隧道里沿着隧道的顶部行走。

在设计当今一级方程式赛车的过程中，扮演重要角色的空气动力学家正面临着一个基本的挑战：如何在产生下压力的同时不增加空气阻力。

这正是汽车必须克服的问题。

在汽车空气动力设计的过程中，风洞扮演着重要的角色。

进行风洞实验时，通常先制作一半体积的模型，而风洞就像一个巨大的吹风机，将空气吹向静止的模型。

虽然这个吹风机的价格非常昂贵，但美洲虎车队仍然编列四千九百万美元的预算，将在该车队新建的银石(Silverstone)工厂建造一个风洞。

空气动力可以根据不同赛车场的特征而调整。

较直的跑道需要较低的下压力设定值，如此可减少阻力，并且有助于赛车提高极速。

较曲折的车道需要较高的下压力设定值，如此可令赛车的极速降低。

例如，在曲折的霍根海姆车道上，赛车很难达到300km/h的速度，但在蒙扎车道上，车速可以超过350km/h。

部现代的F1赛车与一架飞机有许多共通之处，就如它与一辆普通汽车的相通处一样多。

空气动力学已成这项运动成功的关键所在，因此各个车队每年要在这个环节的研发上花费几千万美圆。

空气动力学设计师有两个基本的任务：一是如何获得下压力，来帮助是赛车轮胎抓住赛道并提升转向力；二是把因气流和启动引起的使赛车减慢的阻力减到最小。

AerodynamicsA modern Formula One car has almost as much in common with a jet fighter as it does with an ordinary road car. Aerodynamics have become key to success in the sport and teams spend tens of millions of dollars on research and development in the field each year.The aerodynamic designer has two primary concerns: the creation of downforce, to help push the car's tyres onto the track and improve cornering forces; and minimising the drag that gets caused by turbulence and acts to slow the car down.Several teams started to experiment with the now familiar wings in the late 1960s. Race car wings operate on exactly the same principle as aircraft wings, only in reverse. Air flows at different speeds over the two sides of the wing (by having to travel different distances over its contours) and this creates a difference in pressure, a physical rule known as Bernoulli's Principle. As this pressure tries to balance, the wing tries to move in the direction of the low pressure. Planes use their wings to create lift, race cars use theirs to create downforce. A modern Formula One car is capable of developing 3.5 g lateral cornering force (three and a half times its own weight) thanks to aerodynamic downforce. That means that, theoretically, at high speeds they could drive upside down.Early experiments with movable wings and high mountings led to some spectacular accidents, and for the 1970 season regulations were introduced to limit the size and location of wings. Evolved over time, those rules still hold largely true today.By the mid 1970s 'ground effect' downforce had been discovered. Lotus engineers found out that the entire car could be made to actlike a wing by the creation of a giant wing onits underside which would help to suck it to theroad. The ultimate example of this thinkingwas the Brabham BT46B, designed by GordonMurray, which actually used a cooling fan to extract air from the skirted area under the car,creating enormous downforce. After technical challenges from other teams it was withdrawnafter a single race. And rule changes followed to limit the benefits of 'ground effects' - firstly aban on the skirts used to contain the lowpressure area, later a requirement for a'stepped floor'.Despite the full-sized wind tunnels and vast computing power used by the aerodynamic departments of most teams, the fundamental principles of Formula One aerodynamics still apply: to create the maximum amount ofdownforce for the minimal amount of drag.The primary wings mounted front and rear are fitted with different profiles depending on thedownforce requirements of a particular track.Tight, slow circuits like Monaco require veryaggressive wing profiles - you will see thatcars run two separate 'blades' of 'elements' onthe rear wings (two is the maximumpermitted). In contrast, high-speed circuits likeMonza see the cars stripped of as much wingas possible, to reduce drag and increasespeed on the long straights.Every single surface of a modern FormulaOne car, from the shape of the suspensionlinks to that of the driver's helmet - has itsaerodynamic effects considered. Disrupted air,where the flow 'separates' from the body,creates turbulence which creates drag - whichslows the car down. Look at a recent car andyou will see that almost as much effort hasbeen spent reducing drag as increasingdownforce - from the vertical end-plates fittedto wings to prevent vortices forming to thediffuser plates mounted low at the back, whichhelp to re-equalise pressure of the faster-flowing air that has passed under the car andwould otherwise create a low-pressure'balloon' dragging at the back. Despite this, designers can't make their cars too 'slippery', as a good supply of airflow has to be ensured to help dissipate the vast amounts of heat produced by a modern Formula One engine. In recent years most Formula One teams have tried to emulate Ferrari's 'narrow waist' design, where the rear of the car is made as narrow and low as possible. This reduces drag and maximises the amount of air available to the rear wing. The 'barge boards' fitted to the sides of cars also helped to shape the flow of the air and minimise the amount of turbulence. Revised regulations introduced in 2005 forced the aerodynamicists to be even more ingenious. In a bid to cut speeds, the FIA robbed the cars of a chunk of downforce by raising the front wing, bringing the rear wing forward and modifying the rear diffuser profile. The designers quickly clawed back much of the loss, with a variety of intricate and novel solutions such as the ‘horn’ winglets first seen on the McLaren MP4-20.Most of those innovations have been effectively outlawed under the even more stringent aerodynamic regulations imposed by the FIA for 2009. The changes are designed to promote overtaking by making it easier for a car to closely follow another. The new rules take the cars into another new era, with lower and wider front wings, taller and narrower rear wings, and generally much ‘cleaner’ bodywork. Perhaps the most interesting change, however, is the introduction of ‘moveable aerodynamics’, with the driver now able to make limited adjustments to the front wing from the cockpit during a race.All this will make the cars slower initially, but as ever Formula One’s best brains will be working flat out to make up the performance shortfall as quickly as possible.。

【最新整理，下载后即可编辑】F1方程式赛车的空气动力学班级：学号：姓名:年月号引言空气动力学在F1领域中扮演着重要的角色。

在引擎的研发相对稳定的下，空气动力学几乎主宰着一辆赛车的全部性能。

从上纪六十年代F1赛车第一次使用尾翼，到七十年代地面效应的引进，再到近些年双层扩散器、废气驱动扩散器等设计的提出，空气动力学在短短的几十年时间里取得了长足的进步，几乎可以与航空工业并驾齐驱，甚至有超越后者的势头。

空气动力学是流体力学的一个重要分支，主要研究空气或其它气体的运动规律、空气或其它气体与飞行器或其他物体相对运动时的相互作用和伴随产生的物理变化。

F1的空气动力学主要研究下压力，阻力和灵敏度三个方面，其中，提高压力是提升弯中表现的有效手段，降低阻力是获得高尾速输出的必要手段，灵敏性又称敏感度，主要研究空气动力学环境改变而导致的自身变化的强度。

确切地说，就是研究由路况差异而导致的气动翼片与底盘间距的变化对赛车性能的干预强弱。

前翼前翼是安装在车体最前端的气动附加装置，它不仅负责制造赛车前部的下压力，还影响向后流动的气流的走向。

F1赛车的前翼的工作受到多种因素的影响，首先，作用在翼面上的气流并不是理想状态的，风速，风向都时刻变化，且不确定，此外，赛车在弯道中行驶时，作用在翼面上的气流会发生横向的偏转和移动，形成不稳定的流场，这不仅降低了前翼产生的气动负升力的效率，还影响到了前翼后部的气流环境，不利于气流的正常传输。

人类在流体力学的研究过程中一直在发展，进步，在可以产生气动负升力的翼形的研究中更是如此，先后出现了伯努利，牛顿等不同时期的翼形，这些翼形在气动性能上也不断提升，今天F1赛车所采用的主襟翼结合的翼形就是人类经过长期探索换来的智慧结晶，这种翼形不仅成熟，而且有效。

F1赛车在高速行驶时，流过前翼所在区域的气流被前前翼分割为两部分：一部分从翼片的上表面流过，另一部分则流过翼片的下表面，这两股气流依附在翼片上流动，最后在前翼后方的某一区域重新汇聚，两股的气流的区别在于，由于襟翼与主翼呈一个很大的倾角，因此襟翼拥有较大的迎风面积，在气体的流动过程中，翼片上表面的气流在流动中受到了阻碍，流速有所降低，而翼片下表面的气流则可以在无阻碍的状态下顺利通过，结合前，上翼面文提到过的运用在气体领域的伯努利方程p+1/2ρv2=P的气流流速低，压强大，下翼面的气流流速高，压强小，两者作差，即产生了我们所需的气动负升力。

F1赛车与空气动力学速度与激情F1—世界一级方程式锦标赛一些令人窒息的数字F1: FIA Formula 1 World Championship（世界一级方程式锦标赛）由FIA（国际汽车运动联合会）举办世界三大体育盛事之一加速性：2.5s内从0加速到100km/h，5s内加速到200km/h 制动性：1.9s内从200km/h减速到0，刹车距离55m赛道急速记录：372.6km/h弯道过载：4个G左右F1赛车组成赛车必备部件：引擎、底盘、悬挂系统、轮胎、刹车系统、车身、方向盘四大要素：引擎、车手、空气动力学、轮胎 空气动力学部件：前翼、后翼、扩散器、鼻锥、导流板作用：产生赛车前部的下压力组成：主翼、端板、级联翼片、中段翼 影响气流向后的走向与车身中后部下压力平衡增加翼面积增加翼型弯度推迟流动分离，增加失速迎角 显著增大下压力系数减小气流上洗较小诱导阻力引导气流离开轮胎级联翼片产生附加下压力引导气流绕过前轮，减小气动阻力中段翼翼型上下对称 不产生下压力尾翼作用：产生赛车后部的下压力 与车身前部下压力平衡组成：上层尾翼、端板、翼梁、失速尾翼、DRS减阻系统上层尾翼增加翼面积增加翼型弯度推迟流动分离，增加失速迎角 显著增大增大下压力系数连接结构减小诱导阻力获取下压力翼梁接近扩散器，提高扩散器的效率失速尾翼直道加速超车弯道、直道性能可兼得DRS系统（减阻系统）利用液压系统将襟翼放平，减小下压力和阻力扩散器扩散器是底盘末端的一段上翘结构扩散器给底盘下方被压缩的气流提供了一个释放的出口，进而诱导底盘下方的气流加速作用：疏导气流，提高空气动力学的效能发生碰撞时吸收撞击能量，保护车手安全阶梯鼻锥：使更多的气流流入车底，提高扩散器的工作效率，提高下压力“吸尘器”、“食蚁兽”、“剑齿虎”、……曾经另类的F1赛车F1是高科技、团队精神、车手智慧与勇气的集合体，代表着人类最高的汽车设计制造水平，引领着汽车产业的技术发展方向，是先进民用汽车技术的实验场和发源地。