探究F1中的失速尾翼

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1、探究F1中的失速尾翼作者：张鹏物理学院Pb11203160F1赛车是世界上最昂贵、速度最快、科技含量最高的运动，是商业价值最高，魅力最大，最吸引人观看的体育赛事。包含了以空气动力学为主，加上无线电通讯、电气工程等世界上最先进的技术。很多新的科技都是在F1上得以最初的实践的。对于一部F1赛车而言，尾翼能够贡献全车约1/3的下压力。但高速状态下尾翼产生的阻力也是相当惊人的。任何能够降低尾翼阻力的方法都能直接提升赛车的极速。具体到一种非线性方式为：较低速度下依靠高下压力/阻力设定提升加速能力，缩短赛车达到极速的时间，然后在进入直道不再需要下压力的某个速度下表现为较小的阻力，如此一来在单圈速度上便

2、会取得立竿见影的效果。来自Renault的CFD数据图显示气流流经多片式尾翼时的情况观察尾翼的形状，可以发现，和飞机的机翼相反。飞机的机翼时靠特殊形状产生环流的，机翼与水平线之间的夹角是可以调节的，空气相对机翼流动时由于机翼的上下两边不对称，气流经过机翼上方时气流的路程长，受到的黏滞力的影响大一些因而流动较慢。而气流从机翼的下方流过时所经过的路程短，受到黏滞力影响较小故其流速大。当机翼上下两方的气流在机翼尾部会合时，在机翼尾部形成涡流，此涡流脱离机翼而飘向下游，对机翼不起作用。在飞机运动开始前机翼与周围气体的角动量均为零。由于角动量守恒，当机翼尾部出现涡流后，周围流体另一部分必定沿反方向流

3、动，形成绕机翼的环流，机翼上方的环流与气流的方向一致，叠加后使机翼上方的流速增大，机翼下方的环流与气流的速度相反，两者叠加后使机翼下方的流速减小，这样机翼的上下两面出现压力差，形成对机翼的升力。升力大小计算如下：设环流速度为u，机翼远前方气流的速度和压强可视为常数，与位置无关，分别设为v和p，机012p翼上部的压强为p，下部的压强为p，根据伯努利方程v+gz+=常量，122ρ1212p+ρv=p1+ρ(v+u)0221212p+ρv=p2+ρ(v-u)0221212就此得到p−p=ρ(vu+)−ρ(vu−)=2ρuv2122设机翼宽为d，长为l，则升力为F=ldp(−p)=2ρuvld□2

4、1•对于F1赛车来说，需要的是在转弯时的抓地力，所以设计得正好与机翼相反，但又需要在直线时加速，因此需要设计特殊的尾翼。翼片迎角较大时,气流将出现分离现象(圆圈)翼片在气流分离后,翼片下表面四散而开的气流会导致失速现象流经翼片表面的气流会表现出减速以及从翼片上分离的趋势。尤以翼片下方为甚，相比翼片表面此处气压更低。在气流被彻底打散发生失速前，气流分离会增加翼片阻力，降低空气动力学效率。当尾翼失速时，翼片在阻力大幅降低的同时也将失去大部分的下压力。翼片迎角越大，发生气流分离的可能性就越大。为了减少这种情况空气动力学家需要提高流经翼片下表面的气流流速，为此他们将翼片一分为二，这样两块翼片之间会

5、出现一条缝隙。翼片上方的高压气流从此缝隙穿过，加速翼片下方的气流。这种缝隙的数量越多，翼片迎角就能调得越大。90年代F1赛车尾翼在翼片数目上没有限制。随后FIA开始考虑降低尾翼制造下压力的潜力，于是他们决定降低翼片数量（规则将此处定义为“封闭区域”），最初的限制为4片，然后是3片，现在降至两片。现代F1的尾翼由主翼(相对靠前的下层翼板)和副翼(相对靠后的上层翼板)两块翼板组成。如此一来尾翼只有一条缝隙，能够增加翼片下方气流流速的位置亦只此一处。但规则总会存在盲区——翼片中央15cm的一小块区域不在限制之列，几年前开始就有车队在此区域增加开槽。开槽在翼片前后方的尺寸相同，因此在规则框架内不存

6、在违规嫌疑，这种尾翼格式被大多数F1车队所采用。应用吹气式尾翼(BlownRearWing)后,额外的入风口/出风口将制造出合法的第二道开槽所以就有车队试图通过制造翼片失速(减小阻力)的方式提升极速。高速下通过可变形翼片的移动缩小主副翼之间的缝隙，使翼片失速。FIA方面则通过尾翼负荷测试以及引入分隔片来防止某些车队利用灰色地带获得额外的性能优势。如今FIA要求F1赛车的尾翼强制安装分隔片，这是一块安装于主副翼板间的垂直端板，意在防止高速下弹性翼板发生相对移动。这里以McLarenF-duct系统为例分析失速尾翼的工作原理McLaren赛车鼻锥后方的入风口和尾翼之间的确存在某种形式的连接，这

7、套系统通过鼻锥处的入风口为尾翼上层端板（副翼）的开槽喂食气流，由车手人工控制，在需要时制造尾翼失速，提升直道极速。McLarenF-duct系统(车队内部的正式代号为RW80)鼻锥位置的入风口鼻锥后方的入风口与车手脚部位置的导管相连，将气流引向下方，大概就在踏板的位置，可能性最大的方案是让导管沿刹车踏板/搁脚板逐渐下降，以避开座舱内强制安装的保护衬垫。导管上的开口同时还可为车手“降温”。至此导管还将继续向后延伸，绕过油箱