梁子平

對(duì)于方程式賽車而言，車身的空氣動(dòng)力學(xué)可以很大程度上影響賽車的操控性能。但由于空氣動(dòng)力學(xué)套件工作時(shí)受到多方面的影響，使得在某些條件下這些套件無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境，極大地降低賽車的性能。本文將以FSC賽車和F1賽車為技術(shù)背景，討論從優(yōu)化邊界層的角度可以為賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能帶來(lái)怎樣的提升。

什么叫邊界層

賽車的前翼、尾翼和擴(kuò)散器，雖然工作原理和各自所處的氣流環(huán)境存在較大差異，但它們卻有一個(gè)共同點(diǎn)：必須利用氣流的持續(xù)附著才能正常工作。一旦引發(fā)氣流失速，這些套件都將失效，無(wú)法為賽車提供足夠的負(fù)升力。一般程度上來(lái)說(shuō)，氣流的分離往往是物面的粘滯作用和逆壓梯度造成的，而這又與邊界層密切相關(guān)。通過(guò)翼面開(kāi)槽、安裝渦流發(fā)生器等措施，可以為翼面下方提供能量，彌補(bǔ)流速損失，進(jìn)而優(yōu)化邊界層，延遲失速的發(fā)生。因此，對(duì)邊界層的處理和優(yōu)化對(duì)于一輛方程式賽車而言至關(guān)重要。

流體流過(guò)物面的過(guò)程中，由于受到粘滯作用的影響程度不同，使得沿壁面法線方向存在相當(dāng)大的速度梯度，我們將緊貼物面、沿物面法線方向速度變化很大的一層流體稱為邊界層。

在離物面較遠(yuǎn)處，粘性力比慣性力小得多，可以把黏性應(yīng)力略去不計(jì)，按無(wú)粘流體處理；而在緊貼物面的一層，粘滯力完全占主導(dǎo)作用，流體的流速為零。因此，可以將邊界層理解為緊貼物面受黏性影響顯著的流體薄層。

通常將邊界層的厚度δ定義為從物面到約等于99%的外部流動(dòng)速度處的垂直距離，而流速達(dá)到0.99v處定義為邊界層的外邊界。在這一邊界之外，可以近似忽略粘性影響。

由于氣流在流動(dòng)過(guò)程中受到黏性影響使得速度有所損耗，因此流動(dòng)越向下游，邊界層越厚。

根據(jù)雷諾數(shù)的大小，邊界層內(nèi)的流動(dòng)有層流與湍流兩種形態(tài)。一般上游為層流邊界層，下游從某處以后轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，且邊界層急劇增厚。層流和湍流之間有一過(guò)渡區(qū)。當(dāng)所繞流的物體被加熱（或冷卻）或高速氣流掠過(guò)物體時(shí)，在鄰近物面的薄層區(qū)域有很大的溫度梯度，這一薄層稱為熱邊界層。

邊界層對(duì)方程式賽車的影響

前文中提到過(guò)，方程式賽車的前翼和尾翼都依靠氣流的持續(xù)附著才能正常工作。

以上述翼型為例，翼片下表面的氣流利用康達(dá)效應(yīng)沿翼片曲率附著流動(dòng)，利用翼面上下的流速差制造負(fù)升力。但如果翼片的曲率過(guò)大，或襟翼的攻角過(guò)大，氣流將與翼面表面發(fā)生分離，引發(fā)失速。下面的翼片迎角繞流實(shí)驗(yàn)很好地說(shuō)明了這一問(wèn)題。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)圖片，我們可以看到，當(dāng)翼片的氣動(dòng)迎角超過(guò)某個(gè)值時(shí)，附著在翼片上的氣流就會(huì)和翼片本身分離，在區(qū)域內(nèi)形成分離渦，這樣一來(lái)，下壓力或升力也就要相對(duì)減小。

對(duì)于方程式賽車，原則上需要用盡可能大的襟翼攻角來(lái)壓榨足夠的負(fù)升力，但是氣流的失速現(xiàn)象明顯限制了這一舉措。而氣流失速在某種程度上又是和邊界層的分離密切相關(guān)的。

氣流流過(guò)物面時(shí)，邊界層內(nèi)的氣流由于黏性作用而消耗了部分動(dòng)能，根據(jù)適用于氣體的伯努利方程P+1/2ρv2=常量，動(dòng)能的損失將導(dǎo)致區(qū)域壓強(qiáng)的升高，而在流向的方向上，壓強(qiáng)是持續(xù)升高的，這部分壓差使得氣流無(wú)法沿著物面流動(dòng)，以至于發(fā)生倒流，使氣流離開(kāi)物面。

邊界層分離的內(nèi)因是因?yàn)榱黧w具有黏性，外因則是物面彎曲而出現(xiàn)的逆壓梯度。

流體的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)分離也有影響。如果在分離點(diǎn)之前邊界層為層流，則稱這種分離為層流分離。如果分離點(diǎn)之前邊界層已經(jīng)變成湍流，則稱這種分離為湍流分離。理論上，湍流分離比層流分離發(fā)生得晚。這是由于湍流邊界層內(nèi)速度分布比層流邊界層內(nèi)速度分布較為“飽滿”，所以在減速區(qū)內(nèi)不易變“瘦”，可以使分離現(xiàn)象推遲發(fā)生。

由于分離后物體背風(fēng)面壓強(qiáng)低于前部壓強(qiáng)，故有一個(gè)壓差阻力存在。實(shí)驗(yàn)表明，邊界層的分離區(qū)越大，壓差阻力也越大；反之，壓差阻力越小。要減小壓差阻力，就要減小氣流分離區(qū)，就是要使邊界層分離點(diǎn)后移。對(duì)于流線型的翼剖面，在小攻角下，這部分壓差阻力相當(dāng)小。隨著攻角增大，壓差阻力將增大，當(dāng)翼型上繞流分離時(shí)，壓差阻力將陡增。因此，推遲邊界層的分離對(duì)于提升賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能具有巨大的實(shí)際意義。（未完待續(xù)）endprint