空气动力学教程

空气动力学教程

空气动力学简介
　　空气动力学是流体力学的一个分支,是研究空气或其他气体的运动规律,空气或其他气体与飞行器或其他物体发生相对运动时的相互作用和伴随发生的物理化学变化的学科.它是在流体力学基础上随航空航天技术的发展而形成的一门学科.
　　空气动力学的研究内容根据空气与物体的相对速度是否小于约100米／秒(即时速360公里/小时,注,也有根据时速400公里为界来划分的), 可分为低速空气动力学和高速空气动力学,前者主要研究不可压缩流动,后者研究可压缩流动.F1赛车的研究的内容便属于前者.此外,根据是否忽略粘性,还可分为理想空气动力学和粘性空气动力学.
　　F1空气动力学研究的目的与核心手段
　　在F1中,空气动力学研究的核心目的是在保证赛车获得足够下压力的情况下拥有最小的空气阻力,以提高赛车的速度和高速行驶的稳定性,所有为空气动力学服务的部件被称为空气动力学套件.
　　据专家统计,目前F1车队在空气动力学上的花费已占到其整个车队年度预算的15%,是仅次于发动机研发的第二大支出项目.在这一笔巨大花费中,其中相当部分投资于风洞建造和测试.风洞 (Wind Tunnel)是一个大型隧道或管道,在管道的中间,安装有一台巨型电扇,它可产生强劲的力流,经格栅等装置整理减少涡流后送入实验段,吹动放置在其中的实验模型.
　　现代风洞的主要作用是将赛车模型放在内部的钢铁传送带上模拟赛车在路面上的各种情况. 在风洞试验中,巨大碳纤维风扇极限转速可以达到600转/分,驱动引擎的峰值功率更可达到让人咋舌的4000匹马力.如此强大的动力可以在30秒内将静止的空气加速到300公里/小时,此时托起赛车模型的传送带则模拟赛车在比赛中的各种路况和车身姿态,最大限度保证模拟的真实性和有效性.通过对采集到的数据进行综合分析,可以准确地检测到赛车在路面上受到各种因素干扰时的状况.这种模拟可以将赛车空气动力学部件的精度提高30%.如今,领先的F1车队都不惜巨资(一套现代化的F1风洞造价高达4500万美元以上),建设自己专属的风洞,以便及时和准确地研究赛车的气动效果,改进赛车的气动套件,获得克敌制胜的杀手锏.
　　F1空气动力学研究最核心的三个方面
　　在空气动力学实验中,工程师们最关注的主要是三个方面的内容：下压力、阻力和灵敏性(敏感度).巨大的下压力可以提高赛车的过弯极限,但是在理想状态下,下压力的增加不应当带来赛车阻力的增加,但是不可避免的却会牺牲赛车的部分极速.赛车的空气动力学灵敏性(敏感度)则是指赛车的状态性能对于空气动力学环境改变时自身变化的强弱,例如由不平整的赛道路面带来的赛车翼片以及底盘和路面距离之间的频繁变化时,赛车性能所受到的干预强弱.
　　F1空气动力学逆流而上
　　每个赛季,国际汽联都会对空气动力学规则做出修改.2004年,赛车的尾翼被减至两片,2005年,前翼高度抬高5厘米,首次限制扩散器高度；2006年,FIA又要求前轮轴心之后330毫米以内,参考面30毫米以上的区域不得安装任何空气动力学套件.虽然FIA不断为技术发展设置障碍,但是F1赛车速度的提高从来就没有停止过,这正是空气动力学的研究价值.
　　空气动力学
　　Aerodynamics
　　力学分类：低速空气动力学
　　流动类型：不可压缩流动
　　气流流速：小于400Km/h
　　研究内容：下压力与阻力
　　研究方法：模型测试