最先介绍尾翼,是因为尾翼的设计是相对而言最简单的。尾翼的工作不涉及地面效应,同时尾翼的尾流对于后方的影响也不需要考虑,因此可以优先进行设计。
第一步是确定翼型。如之前的介绍所述,赛车的翼型与飞机的翼型有着很大的不同。表述流动尺度的参数称为雷诺数(Reynolds Number)。雷诺数是流体中惯性力与黏性力的比值。对于越大的物体,其周围的流体流动雷诺数越大。常见物体的雷诺数见表8-1。注意,雷诺数主要用于定性判断流动,因此一般只关注其数量级,而不关心具体数值。
表8-1 常见物体的雷诺数
由此可见,汽车的雷诺数与飞机的雷诺数有明显差异。一般适用于赛车等的翼型被归类于低雷诺数翼型的情况。而最常见的NACA等翼型,其工作的最佳雷诺数往往较高,不适用于赛车。
在选定了性能优异的翼型之后,注意到单片翼面的最大迎角只有10°左右,因此从产生下压力的角度而言并不理想。多层的翼片可以通过向边界层补充高能量气流的方式延缓失速的发生,大幅提高赛车的极限下压力。多层翼片中每一层的弦长、每一层的迎角以及各层之间的相对位置都是之后的优化设计阶段需要考虑变动的变量,如图8-5所示。
图8-5 AERO赛车的尾翼设计
除尾翼翼片外,尾翼端板的设计也会对尾翼的升力与阻力产生影响。尾翼工作时,其上表面气流静压高,下表面静压低,若没有端板,空气将绕过翼尖从尾翼上表面流至下表面,产生翼尖涡(图8-6)。此现象会减小翼尖附近的上下表面空气压差,即减少下压力。工程上广泛使用端板对该现象加以克服。包括大学生方程式赛车在内,大多数赛车会使用规则所允许的最大尺寸的端板以增强翼片的效果。(www.xing528.com)
赛车尾翼端板上往往也能够发现开槽的设计。端板开槽的思路是利用端板内侧翼片上表面的高压与端板外侧的正常压强之间的压强差,使气流得以在翼片的展向流动(图8-7)。在此过程中,通过特殊的开槽形状使这部分气流上洗,根据作用力与反作用力,产生额外的下压力。尽管开槽可以带来一小部分额外的性能提升,但是由于其特殊的三维外形难以加工,在大学生方程式汽车的比赛中较为少见,在此不加赘述。
图8-6 尾翼涡流原理
图8-7 AERO赛车尾翼端板的内外侧压差和涡流
同时在实际设计的过程中,往往可以发现尾翼占据了整车近1/3的阻力。根据之前对于阻力的介绍,可以看到尾翼的减阻也是很有必要的。而大学生方程式汽车比赛允许类似F1赛车的DRS(Drag Reduction System,可调式尾翼),这对于尾翼减阻而言是巨大的好消息。DRS系统的原理是通过机械系统,人为地改变多层翼结构中各层襟翼的迎角。在DRS系统激活时,襟翼的迎角减小,尾翼无法按照原有的布置继续产生下压力,大量的气流直接流过了襟翼间的巨大空隙,而这也极大地减小了尾翼的阻力。在弯道中,赛车需要关闭DRS以使得尾翼正常工作,产生下压力;而在直道上,赛车需要激活DRS系统以降低阻力(图8-8)。
图8-8 代尔夫特理工大学DUT17(DRS开启)
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