F1知识科普空气动力学和流体力学（一）

　　空气动力学只是整体流体力学的一个单一领域，为了了解F1空气动力学以及车队用来以最佳方式塑造赛车的工具，小编为大家准备了科技软文，介绍流体力学的基础知识，那些喜欢空气动力学的人应该会发现这篇文章很有用。
　　一般流体性质
　　首先，流体包括液体和气体（甚至是等离子体-电离气体）。
　　为了研究流体运动，从理论上讲，流体被划分为流体块——流体体积小到内部流体的所有物理性质都相同，且大到可以被视为连续介质。这一定义对于模拟之前的CFD网格划分非常重要，将在后面的文章中介绍。
　　流体的物理性质包括密度、压缩比、粘度、导热性和毛细性。除了毛细作用，空气作为流体的所有特性在赛车运动中都非常重要。
　　密度很简单，它给定流体的质量除以它所占的体积。密度通常是压力和温度的函数。流体的可压缩性与其密度直接相关。一般来说，气体是可压缩的，而液体不是。当然，液体在现实中是可压缩的，但其条件是极端的。对于空气，在大约400-450km/h的空气速度下，它被认为是不可压缩的，但从这一点开始，压缩性效应（突然和指数阻力增加）是最小的，直到空气速度接近声速（大约80%以上）。
　　粘度是流体的一个非常重要的特性，因为它与表面摩擦和阻力直接相关——粘度越高，阻力越大。简单地说，粘度是流体的粘性，即流体粘附在其接触表面上的特性。例如，花生酱与水相比具有高粘性，而水与空气相比具有高粘性。粘度不应与毛细作用混淆，即使这两种性质有时有相似的结果。
　　导热性是流体或固体的一个非常明显的特性。该特性对于冷却系统中的热传递非常重要。相对于其他材料和流体而言，空气是一种很好的隔热材料，因此根本不利于冷却。但这是一个丰富的自然散热器，因此是合乎逻辑的选择，因此赛车需要大型散热器来冷却动力传动系部件，而制动器需要大型制动导管为其提供带走热空气。水（有时是油）被用作赛车空气和热源之间散热器的介质。
　　流体力学-静力学、运动学和动力学
　　流体力学是一般力学的理论领域，旨在理解流体的运动。它进一步区分为流体静力学、运动学和动力学。
　　流体静力学是最简单的领域，它决定了静止流体的力、压力和其他性质。由于我们周围的空气静止不动（此时不考虑风），汽车通过，空气静力学对我们来说并不那么有趣。
　　有趣的是国际标准大气，一组大气温度和压力的平均值，从海拔0米开始。温度和压力决定了其他空气特性（密度和粘度），在海拔0米处，我们有
　　T=288.15K（15℃），
　　p=101325Pa，这给我们提供了空气密度
　　rho=1.225kg/m3。
　　这些当然是理论值，但对于初始CFD设置非常重要。事实上，每一场比赛，每一天，甚至每一小时，这些都略有不同，但对于一场比赛中的所有赛车来说，当然是相同的。
　　流体运动学研究流体的运动，而不需要知道该运动的原因（或效果）。这种运动称为流动，有时称为水流（例如气流、水流）。流体运动学中最重要的术语之一是流线。流线定义速度场的矢量线，该矢量线连接速度方向与流线相切的所有不同流体地块。换句话说，流线是空气粒子在运动过程中所走的一条线。
　　另一个重要且经常听到的术语是涡度。涡度是一个（伪）矢量场，描述围绕某一点的局部旋转运动，在我们的例子中，它是流体的旋转运动。旋转运动通常存在于流体运动中，尤其是F1赛车周围——无论是涡流还是涡流（在关于湍流的章节中定义）。漩涡是流体的一个区域，流体在该区域绕轴线旋转，无论是直线还是曲线。通常，这些轴线平行于非旋转流的流线。
　　涡度对于理解环流也很重要。（速度矢量的）循环在空气动力学中非常重要，是创造（和理解）物体周围升力的前兆。它描述了流体围绕闭合轮廓的旋转运动，这对于马格纳斯效应至关重要——垂直于流体流动的旋转圆柱体将产生升力。在实践中，它往往被忽视，因为了解F1或赛车空气动力学是如何工作的，没有它也很容易解释。
　　流体动力学是流体力学的最大领域，因为它研究流体运动对周围环境的原因和影响，以及由此产生的相互作用和影响在流体动力学中，理论上理想流体和实际流体之间存在很大差异，因此它们之间存在多个层次的流体简化——引入这些简化是为了更好地理解实际流体不同性质的不同影响。当然，我们将直接讨论真实流体的最重要方面，因为赛车通过空气而不是理想的双分子气体。
　　一些控制方程式
　　尽管最常提到的流体力学方程是Navier-Stokes方程，但它远远不是唯一的方程，了解科学是如何达到能够预测流体行为的程度是很重要的。
　　首先，我们有理想气体定律–pV=nRT。这向我们展示了压力、体积和气体温度之间的相关性。在同一体积中，压力将随温度升高而升高，反之亦然。在相同的压力下，体积会随着温度升高而膨胀，反之亦然。例如，这对于理解轮胎压力与轮胎过热的关系是基本的，但对于理解通过散热器芯的空气对内部空气动力学的影响也是重要的。
　　从一般质量守恒定律（在封闭系统中，其质量必须始终保持不变）得出流体的连续性方程。在其一般（积分）形式中，该方程根据流体密度为许多情况留出了空间。在我们的例子中，空气被认为实际上是不可压缩的，因此可以将其简化为一种简单的形式——空气的质量流量在单个流管（一束流线）中是恒定的，并且等于局部横截面上的空气速度乘以其表面。
　　这是理解机翼上缝隙基本原理的一个重要方程式——通过具有可变高度的单个横截面的空气速度将与缝隙高度成反比变化。换言之，收敛缝将加速流动，发散缝将使其减速。
　　另一个著名的方程是伯努利方程，它给出了封闭系统多个横截面中流体速度、压力和测地线高度之间的关系。由于所有赛车在一场比赛中都以相同的测地高度运行，并且所有赛车只有一米高，因此在理解整体流动结构时，可以忽略这种影响。这使得我们将空气速度、压力和温度作为汽车周围气流结构的主要控制因素。
　　简而言之，伯努利方程告诉我们，在一个封闭的系统中，高速降低压力，低速增加压力。结合连续性方程，这给了我们一个机翼槽的基本原理，例如，在收敛槽前面，机翼顶部的压力会增加，而在槽后面，机翼底部的压力会减少。这相当于赛车机翼上的一般压力分布（当然是飞机机翼的反面），因此槽在赛车空气动力套件中自然被大量使用——最近除了机翼之外，槽的使用越来越多。插槽的缺点是阻力增加（当然，随着下压力的增加而增加），所以对于不同的应用程序，插槽的使用非常谨慎，而且方式也不同。
　　牛顿第二定律也适用于流体力学，也适用于连续体中的能量守恒定律。流体流动中的动量变化等于作用在流体上的所有力的总和。例如，这解释了从汽车尾翼上流出的空气向上流动——在空气的参考系中，机翼以下压力作用在其上，因此空气的反应是向上运动。这些方程考虑了流体中的粘性应力，称为Navier方程。
　　斯托克斯提出了流体切向应力与其粘度之间存在相关性的假设。结合Navier方程，我们得到了描述流体运动的Navier-Stokes方程。Navier-Stokes方程考虑了真实流体的所有影响和特性，包括真实系统中的能量耗散（进入热量、声音等）。这就是为什么它们不是典型的守恒方程。一般来说，它们可以描述为：
　　惯性力=质量力+压力+粘性力
　　计算流体动力学（CFD）软件在模型几何网格的每个单元中迭代求解这些方程，迭代次数为几十次，与不同的湍流模型耦合。由于一辆F1赛车的仿真网格单元数量可能高达2亿个，因此很明显，仅计算一个模拟就需要如此长的时间和如此多的资源。尽管如此，团队每周进行50-200次模拟——当然，并非所有模拟都是全车模拟。
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　　F1知识科普：空气动力学和流体力学（二）