昨天我们聊了让F1赛车“贴地飞行”的空气动力学原理,今天继续聊聊空气动力学如何影响赛车设计。
前翼的下压力和引导气流
首先,来看F1赛车上第一个接触前方气流的前翼。由它直接提供的下压力在整车的比例中虽算不上大,但它的设计直接影响后方部件的空气动力学效率。因此,它是整个赛车空气动力学设计中至关重要的一环。
和飞机的机翼一样,F1赛车的前翼在产生下压力的同时,翼面会产生翼后涡面,翼尖会形成翼尖涡流,同时还会使气流“上洗”(在机翼中对应的是,翼尖涡的作用下,气流向下倾斜,产生“下洗流”),它们一并影响着赛车中后部的气流流场空气动力学性能以及后翼的空气动力学效率。


不论是前翼还是后翼,以及整车的空气动力学设计,目标都是以最小的阻力产生最大的下压力。

高速气流穿过F1赛车的前翼时,如果没有得到很好的引导,它就将直接撞到轮胎并乱作一团,影响到整车中后部的空气动力学性能。

在近距耦合鸭式气动布局的战斗机身上,前部鸭翼产生的脱体涡,流经战斗机机翼上表面,能降低上表面的压力,从而产生涡升力,改善战斗机的升力特性。
所以,F1赛车前翼的一个设计目标就是更好地引导气流,使车头处的高速气流能够流向对赛车最有利的方向,比如通过增加翼尖端板(类似于飞机上的翼尖小翼)来引导气流恰到好处地通过轮胎。
另外,对于采用纵向多片翼面组合的前翼,这几组翼片的攻角越大,产生的下压力越大,但当超过一定幅度,又会导致气流分离(也就是“失速”),下压力不增反降,还会造成前翼的迎风面积大,使空气阻力增加。
对于飞机来说,升力是和飞行速度的平方成正比例的,那么对于F1赛车的“负升力”,即下压力来说也是同理。

当速度在150千米/时左右,F1赛车上产生的下压力与其重量相当。当F1赛车以最大速度行驶的直道冲线时,此时下压力可能是该车重量的三到四倍。
后翼与底板各有所长
而对于F1赛车的后翼来说,车体后部的空气流动已经受到了前翼、前轮、后视镜、车手头盔、侧舱和排气管的影响,这就导致后翼的空气动力学效率低于前翼。但为了平衡赛车的操控性,后翼通常要产生与前翼基本相当(或更大)的下压力。
因此,为了避开赛车前中部某些部件产生的涡流影响,后翼的外形就并不见得一定是平直的,有的是中间凹下,有的是中间凸起,总之工程师会对翼型做专门优化,在密密麻麻的规则框架下,寻求以最优的角度、高度、翼型等来迎接气流,并产生既定的下压力。
前翼的下压力和引导气流
首先,来看F1赛车上第一个接触前方气流的前翼。由它直接提供的下压力在整车的比例中虽算不上大,但它的设计直接影响后方部件的空气动力学效率。因此,它是整个赛车空气动力学设计中至关重要的一环。
和飞机的机翼一样,F1赛车的前翼在产生下压力的同时,翼面会产生翼后涡面,翼尖会形成翼尖涡流,同时还会使气流“上洗”(在机翼中对应的是,翼尖涡的作用下,气流向下倾斜,产生“下洗流”),它们一并影响着赛车中后部的气流流场空气动力学性能以及后翼的空气动力学效率。


不论是前翼还是后翼,以及整车的空气动力学设计,目标都是以最小的阻力产生最大的下压力。

高速气流穿过F1赛车的前翼时,如果没有得到很好的引导,它就将直接撞到轮胎并乱作一团,影响到整车中后部的空气动力学性能。

在近距耦合鸭式气动布局的战斗机身上,前部鸭翼产生的脱体涡,流经战斗机机翼上表面,能降低上表面的压力,从而产生涡升力,改善战斗机的升力特性。
所以,F1赛车前翼的一个设计目标就是更好地引导气流,使车头处的高速气流能够流向对赛车最有利的方向,比如通过增加翼尖端板(类似于飞机上的翼尖小翼)来引导气流恰到好处地通过轮胎。
另外,对于采用纵向多片翼面组合的前翼,这几组翼片的攻角越大,产生的下压力越大,但当超过一定幅度,又会导致气流分离(也就是“失速”),下压力不增反降,还会造成前翼的迎风面积大,使空气阻力增加。
对于飞机来说,升力是和飞行速度的平方成正比例的,那么对于F1赛车的“负升力”,即下压力来说也是同理。

当速度在150千米/时左右,F1赛车上产生的下压力与其重量相当。当F1赛车以最大速度行驶的直道冲线时,此时下压力可能是该车重量的三到四倍。
后翼与底板各有所长
而对于F1赛车的后翼来说,车体后部的空气流动已经受到了前翼、前轮、后视镜、车手头盔、侧舱和排气管的影响,这就导致后翼的空气动力学效率低于前翼。但为了平衡赛车的操控性,后翼通常要产生与前翼基本相当(或更大)的下压力。
因此,为了避开赛车前中部某些部件产生的涡流影响,后翼的外形就并不见得一定是平直的,有的是中间凹下,有的是中间凸起,总之工程师会对翼型做专门优化,在密密麻麻的规则框架下,寻求以最优的角度、高度、翼型等来迎接气流,并产生既定的下压力。