f1空气动力学介绍（空气动力学和流体力学）

我们将进一步讨论流体力学和空气动力学的重要概念，如层流/湍流、边界层、不同方向的流动和不同的压力定义。

层流与湍流

层流和湍流等术语在F1中很常见，尤其是湍流或扰流。飞机飞行时也经常听到颠簸声，飞行员和机组人员可能会警告乘客“在飞行中遇到颠簸”，这意味着乘客可能会看到机舱受到一些冲击和震动。

层流是一种低速流，其中流线具有均匀且“适当”的布局，采用由其周围壁的几何形状定义的形状。与层流相反，湍流是非常量、混沌、三维和不可预测的。湍流中没有一点具有可预测的流体特性，尽管通过实验数据收集，一些不稳定性（随时间变化）可以平均出来。

奥斯本·雷诺（Osborne Reynolds）首次公布了实验结果，揭示了不同速度下流体流动的不同性质。他还确定，这种现象还有其他因素，但也有一个无量纲数，可以作为确定流动具体性质的有用指南。这个数字后来被称为雷诺数。雷诺数定义为流体中惯性力和粘性力的比率：

式中，u为相对流体速度，L为特征线性尺寸（翼弦、球体直径、管道内径等），ν为运动粘度。

从这个意义上讲，雷诺数给出了流动从层流过渡到湍流的条件值，该条件取决于壁面几何形状、流体压力、温度等。

层流可以在自由大气中转变为湍流（即流体体积中没有壁），如图6所示。这种转变也可以发生在壁附近，即边界层。这意味着靠近壁面（例如机翼上）的流体在某一点从层流转变为湍流。

边界层

边界层与流体粘度有关，本文第一部分对此进行了讨论。它是一层流体，其中粘度的影响非常显著，有许多不同类型的流体，如层流、湍流、热等。

当我们讨论F1空气动力学时，最感兴趣的是由流体速度定义的边界层。边界层高度随流体-壁面相互作用长度的增加而增加，这与边界层内流体速度的变化有关。在壁面上，流体是静态的，因此速度为0。在边界层边缘，速度定义为自由流速度的99%——即无粘流的表面速度。

如果流体在与壁面接触之前是层流的，则会形成层流边界层，反之亦然。然而，层流和湍流之间的过渡几乎可以保证在某一点上发生在壁面上（在F1赛车上——它发生在任何地方，因为所有表面都足够长，车速和表面上的压力梯度也是如此）。

非常重要的是要注意，湍流边界层与自由流湍流不同，并不总是坏事。例如，与层流相比，它可以保持附着在具有相对强的反向压力梯度的曲面上。它有一个表面阻力惩罚，但差别是最小的——以高尔夫球酒窝为例，通过遍布整个球的湍流边界层保持流动更长时间，以减少形状/压力阻力比减少表面阻力更重要。

当湍流边界层分离时，也会形成完全的湍流，下游的一切都可能（并且经常）受到影响。这种情况的一个例子是在汽车的焦炭瓶区域发生分离，在这里存在强烈的压力梯度，很容易发生流动分离——如图8所示。

一维、二维和三维流动

在科学研究和将自然规律转化为数学方程式的过程中，简化的内容非常丰富。这也是所谓的一维和二维流动的情况，即沿直线流动和平面流动。无需解释这只是一个语义问题，每个流体流实际上都是一个体积中的流，即三维流。

一般来说，F1赛车外部空气动力学中不存在1D和2D气流（从简化的角度来看）。即使是通过S型风管的流动也不能真正观察到一维，因为三维流动会产生显著的影响。然而，F1赛车的某些区域可以局部观察到一维流和二维流。

如本文第一部分所述，机翼上的会聚槽（以及现在汽车的几乎所有其他部分）用于为边界层通电和加速机翼下侧的流动，同时降低底部的压力并增加机翼顶部的压力。局部情况下，当进行横截面切割时，槽可以观察为1D流，因为该区域中有一个入口和一个出口。

当涉及液压流槽管道或空气流时，1D流量计算更为重要。流体动力学的这一领域对于喷嘴的计算也很重要，特别是当马赫数大于1时。风洞横截面也在很大程度上由一维流动计算确定。

当每个点的流速平行于一个固定平面时，可以说这是一个二维流。由于F1赛车上形成了大量非常强的漩涡，因此实际上赛车上没有二维流动的平面，即使理论上在对称平面上也是如此。从另一个角度来看，有关二维流动的研究非常重要——机翼设计为二维曲线，在强制二维条件下的风洞中进行测试，也在二维CFD模拟中进行测试。为了更好地理解如何从分析的角度看待机翼，提及不同类型的二维流动是很有用的。

线源是流体在垂直于线的平面上出现和流出的线。同样的情况也适用于管线水槽——流体流向与之垂直的水槽。这基本上是CFD模拟中的二维入口/出口。

均匀源流是从公共点向外定向的径向对称流场。同样的敌人是均匀的下沉流。一个均匀的源流最好被描绘成一颗向各个方向发光的恒星，而汇则是一个黑洞——从各个方向吸进一切。

无旋旋涡是一种旋涡，在该旋涡中，每一点处的流动都使得放置在那里的小颗粒经历纯平移而不旋转。没有径向流动，所以在中心速度为零。这种涡旋的一个重要特征是环流（Γ），它是绕速度场闭合曲线的线积分。换句话说，环流是围绕闭合曲线的速度通量，即垂直于该曲线所包围的表面。

绕机翼的流动可以表示为绕其圆周的循环。不用说，这只在首先绕着机翼本身流动时才成立，所以它圆周上的切向速度与自由流速度相加。顺时针循环提供升力，导致机翼上表面的速度增加，下表面的速度减少——事实就是如此。这被称为库塔-朱可夫斯基定理，马格纳斯效应是环流和升力产生之间相关性的最好例子之一。

偶极子是最后一种应该提到的2D流，它是一个类似于电偶极子和磁偶极子（电动力学）的概念。它可以被描述为一个均匀的源流和汇流，相距无穷小。所有其他类型的2D流可以数学表示为这六种基本流类型的组合，因此可以通过分析确定流参数。同样，二维流动非常罕见，这些分析在流体力学的早期非常重要。

总压力、静态压力和动态压力

压力（p或p）最常用的定义是“压力是每单位面积垂直于物体表面施加的力的大小”。因为我们可以将气动力定义为压力和表面积的乘积，所以流体压力的定义应该不同——流体内某点的压应力。

为什么只有压缩？当压力作用于物体表面时，它自身无法拉动该物体——必须存在压力差才能移动该表面和/或该物体。这个压差乘以表面积就是计算空气动力的方法。

现在，我们这里说的到底是什么压力？空气动力是由物体通过空气的运动（或物体周围空气的运动）产生的，因此，应首先提及动态压力这一术语。在这样做时，我们可以将动态压力定义为由于流体运动而导致的超过静态压力的增加。动态压力通常表示为q或q，定义如下：

该方程类似于动能方程，并应与其关联——因为运动压力随速度平方而升高。

如前所述，动态压力是相对于静态压力的增加，实际上，作用在物体上的是静态压力。因此，与动态压力不同，静态压力可以在表面上测量。F1赛车上的静压差来自赛车上的气流速度差。动态压力在汽车上发生局部变化，因为它与局部空气速度有关。这就是术语“总压力”的作用。总压力是静态和动态压力以及重力压力的总和：

当两个观测点之间的测地高度差非常小且可以忽略时，停滞压力一词通常与总压力混淆。停滞压力是动态压力和静态压力的总和，是流体速度为零的点（例如机翼前缘）处的压力。

总压力表示物体周围空气运动的总能量，对赛车的整体空气动力学性能非常重要。空气中的能量损失会导致空气动力性能的损失（因为在这种情况下，相等的动态压差会产生较小的静态压差），并且很容易发生损失。一种损失能量的方法是槽边界层，在槽边界层中，粘性力会造成损失，边界层越厚，损失的能量越多。另一种损失能量的方式是通过湍流尾迹，这就是为什么现代F1赛车设计的重点是保持（前）轮胎湍流尾迹尽快远离赛车。

空气中的能量损失不仅仅表现为较小的静压差；它还影响潜在的流动分离，这意味着当总压较低时，分离更容易发生。这就是为什么良好的扩散器性能很难提取的原因——在它前面有一个很厚的边界层的长地板，在这个区域的任何湍流尾迹（来自前轮胎或后轮胎）的吸入都会严重伤害它。

团队使用各种解决方案来应对这些问题。增加表面上的槽数有助于将边界层厚度保持在最小值，同时还可以通过收敛通道为流动提供能量。这些狭缝还有助于对抗总压损失的另一种方法——诱导涡流，用于创建流动结构，帮助将空气引导到设计师想要的地方。湍流的前轮胎尾流通过众所周知的Y250涡被强迫向外，侧吊舱上方的气流被强迫向下流向底板，破风板区域和侧吊舱进口周围产生各种涡流。

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