赛车车轮的空气动力特性

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  前几期为大家介绍了赛车车身的空气动力学方面的知识,这期我们为大家介绍车轮的空气动力特性。以前我们介绍过,赛车分两大类,一类是裸露车轮的赛车,一类是非裸露车轮的赛车,这两种赛车空气动力特性有非常大的差别。产生这种差别的主要原因,就是它们轮胎安装方式的不同。
  简单的看来,裸露车轮暴露在气流之中,肯定对空气动力特性产生巨大的影响,而非裸露车轮的赛车相对来说影响就会小些。
  
  从空气动力学来讲,轮胎可以看成是圆柱体,它的空气动力特性就类似与圆柱绕流的空气动力特性。但是它们之间又有很大的不同:一是圆柱绕流是匀速气流中的对称的流场,而轮胎有旋转,流场不对称;二是圆柱绕流悬于空气中,而轮胎与地面接触,三是轮胎周围气流要同轮胎周围的汽车车体相互干扰作用,裸露车轮的赛车前后车轮之间也会产生相互作用。从图一中非常直观地可以看到这种差别,图中上图是车轮旋转的情况,中图是地面附近的情况,下图是理想流体的绕流问题。
  一些研究表明:滚动车轮的汽车模型所受到的气动升力比静止车轮的汽车模型大30%,而对于车轮完全暴露的赛车,其车轮阻力占汽车总阻力的比例可以高达45%。车轮的旋转速度对车轮气动力系数影响非常地巨大,气动力系数甚至可能成倍增长。
  对于裸露车轮的赛车来说,能够改善前后轮的空气动力特性是非常重要的。即使是F1车队也是在努力探索改善车轮附近流场的方式。F1赛车的前翼两边的小翼、后轮翼等等都是为了疏导赛车车轮附近的气流而设置的。对于裸露车轮的赛车一般后轮都可以得到更好的处理,在前轮的“保护”下,其气动阻力一般小于前轮,约为前轮的一半。
  
  对于非裸露车轮的汽车,由于轮腔的包裹,可以大大地减小气动阻力和升力。轮胎只有接近地面部分才和气流正面碰撞,减小了迎风面积,车轮周围的车身也可以改善车轮周围的气流,因此气动阻力降低。在汽车轮腔内有高速的气流流过,可以对轮腔产生较大的方向向下的负压,减小气动升力。同裸露车轮的赛车一样,非裸露车轮的赛车前轮所受的气动阻力和升力要比后轮大。
  就F1赛车而言,前后翼是关键的空气动力学附加装置,但是前后翼的位置和前后轮非常的接近,这样车轮的干扰对前后翼会产生重大的影响。由于前轮的阻挡,前翼附近的气流速度会降低,由于后轮的干扰,流经赛车尾翼的气流方向会发生倾斜,可以减小尾翼产生负升力的效能。
  无论对于裸露车轮还是非裸露车轮赛车,车轮都是影响空气动力学性能的重要因素。很多车队也一直在研究车轮对赛车空气动力特性的影响,甚至轮胎制造商都要考虑轮胎花纹对赛车气动性能的影响。因此,轮胎空气动力学性能对赛车性能的影响不言而喻。
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