Формула 1

Вихри «грязные» крутя

Кое-что из области аэродинамики

Взяли с одного из английских форумов для перевода заметку про аэродинамику. К сожалению, авторы представлены лишь «никами» Vyssion и jjn9128. Кто за ними скрывается, нам пока что не ведомо. Есть подозрение, что один из них – Крейг Скарборо недавно лишившийся работы на «Моторспорте» из-за закрытия ТВ канала и ухода проекта в платный сегмент.

Итак, что такое «вихрь» (vortex)? Вихрь – область жидкости (а воздух – сильно разреженная жидкость), вращающаяся вокруг ядра с низким давлением. Вихри – побочный «продукт» генерации подъемной силы крылом (прижимной - антикрылом).

Далее авторы приводят формулу «циркуляции» (Г), что, отметим для себя, возможно, и годится для попытки описать, что происходит с крылом, но никак не годится для рассмотрения случая с диффузором или сходом потоков вдоль кузова.

где Fz - подъемная (прижимная) сила, Ρ - плотность жидкости (воздуха), U∞ - скорость свободного потока, b - размах крыла (антикрыла).

Авторы делают примечание: выгодно представить себе «циркуляцию» в связке с эффектом Магнуса. Эффект этот объясняет, почему на вращающийся вокруг оси симметрии цилиндр в набегающем потоке действует подъемная сила. На стороне, которая вращается навстречу воздуху, происходит торможение потока и рост давления, а на стороне, которая вращается в ту же сторону, что набегающий воздух, поток дополнительно ускоряется, что приводит к падению давления. Вихрь при некотором приближении можно уподобить такому вращающемуся цилиндру, что приводит к заключению о том, что при взаимодействии с набегающим потоком в таком вихре-цилиндре генерируются определенные силы.

Образование вихрей – источник значительного сопротивления, известного, как индуктивное сопротивление (induced drag). Оно обратно пропорционально соотношению сторон крыла:

где Сxi - коэффициент индуктивного сопротивления, Cz - коэффициент подъемной (прижимной) силы, AR - соотношение сторон (aspect ratio)

где b – размах, с – хорда крыла.

В Формуле-1 AR = 2,7 (в 2019 году чуть возрастет до 3). Для ЛМП значение гораздо выше и составляет 7,2, у ГТ AR = 6. И все равно этим значениям очень далеко до авиации. Чем выше AR, тем «эффективнее» прижимная сила – создается меньшее индуктивное сопротивление. У гоночных машин Формулы-1 все наоборот. Из-за малой ширины антикрыла именно индуктивное сопротивление дает значительную часть потерь, а вихри с законцовок антикрыла вносят огромный вклад в образование «аэродинамического следа» (aerodynamic wake) за машиной.

В авиации ранее для борьбы с торцевыми вихрями применяли эллиптические крылья – что было особенно характерно для истребителей с малым размахом крыла. Первоначально подобную идею попытались реализовать и в Формуле-1. Знаменитый «столик» - переднее антикрыло на «Марче» 711 создавалось именно из этих соображений.

Добавим от себя, что в книге Майка Лоуренса «Марч. История взлета и падения гоночной легенды» говорится, что форма была действительно подсмотрена у «Спитфайера», и решение оказалось эффективным. Однако уже тогда стало понятно, что куда больший эффект дает «поддонная» аэродинамика, а кузов 711 все еще отличался заметной сигарообразностью. Были у той машины и другие проблемы (конструкторы не сообразили вовремя воспользоваться серой областью регламента и не установили верхний воздухозаборник, за что потом себя корили), но это уже тема иной заметки.

На эллиптической кромке вихри попросту не успевают набрать силу и, кроме того, сходят под углом к направлению потока. Но за все нужно платить, так как приемы генерации подъемной силы на обычном крыле не работают с эллиптическим вариантом. С учетом нынешних правил, ограничивающих размеры, использовать такой элемент попросту не возможно.

Для борьбы с вихрями в итоге начали применять торцевые пластины, которые препятствуют активному перетеканию воздуха из области с высоким давлением (над антикрылом) в область низкого давления (под антикрылом).

Впрочем, и тут не все так просто. На боковой стенке торцевой пластины давление почти равно атмосферному. С одной стороны, это хорошо, так как образующийся на верхнем торце торцевой (уйти от повтора без ущерба для наглядности невозможно) пластины вихрь не так силен. Однако наличие зоны разряжения у нижнего торца заставляет образовываться другой вихрь, который проникает в зону пониженного давления, где генерируется прижимная сила, и несколько вредит происходящим там процессам.

На трассах, не требовательных к уровню прижимной силы, команды Формулы-1 часто применяют так называемые ложкообразные задние антикрылья, когда центральная часть имеет значительно более «выраженную» хорду. Такое уподобление эллиптическому крылу вместе с тем фактом, что нижние края антикрыла поднимаются вверх и располагаются значительно дальше от нижнего торца торцевой пластины, помогает понизить эффект индуктивного сопротивления.      

Интересно, что торцевые вихри могут даже генерировать прижимную силу, хороший пример чему так называемые «дельта-крылья». Несмотря на название, «крыло» не имеет аэродинамического профиля – оно плоское. Но из-за треугольной формы (отсюда и название из-за схожести с греческой буквой) при высоком угле атаки та самая сердцевина с низким давлением переходит под «крыло», создавая определенный прижим.

Око вихря

Очередная связь с авиацией – инверсионный след. Примерно так же визуализируется «работа» вихрей на гоночной машине. Ранее, в 70-х, дождливая погода была настоящим подарком для инженеров по аэродинамике – невооруженным глазом можно разглядеть все особенности обтекания воздухом (об этом мы когда-нибудь поговорим в заметке про интереснейшую машину МАДИ-0213). При низком атмосферном давлении и малой температуре воздуха набегающий поток в середине вихря успевает конденсироваться, что позволяет без каких-либо усилий увидеть, как именно закручивается спираль. Порой это помогает увидеть и «сгоревшие» мотор или КПП благодаря обильному выбросу дыма.  

В средствах вычислительной гидродинамики (CFD) наглядно изобразить поведение вихря в реальном времени на снимках довольно трудно. Обычно используют набор сечений с поперечными разрезами вихря. Так хотя бы видно распределение давлений в областях. Продольные разрезы выполнять нет смысла, так как, несмотря на преобладающие направления вдоль машины, вихри часто меняют «поперечные» координаты, взаимодействуя с окружающими потоками. Так ведет себя знаменитый вихрь У250, управлять которым научились в 2009 году.

Оседлать вихрь

Подчинить Природу себе – давняя мечта человека. Поэтому даже негативный эффект он, при должном усердии, может обратить на пользу себе. Яркий пример – тот самый У250 (вихрь образуется на торцах закрылков переднего антикрыла, которые, по правилам, располагаются на удалении в 250 мм от центральной оси, а У, как в школе, обозначает ось ординат, ширину). Этот мощный вихрь, взаимодействуя с элементами кузова, увлекает за собой «грязный» воздух от передних колес, уводя его подальше от лазеек под машину, чтобы в диффузору подходил «причесанный» и максимально «заряженный» поток. Влияние вихря У250 настолько велико, что неправильное им управление может привести к его попаданию (с заметным ухудшением эффективности работы) в зону «бутылочного горлышка» или даже самого диффузора.

В том же диффузоре (и под передним антикрылом) вихри генерируются при помощи гребней (strake). Чаще всего у таких элементов, расположенных в диффузоре, AR меньше единицы, то есть, создаются специальные условия для генерации вихря.

Так как размеры диффузора существенно ограничены, конструкторам приходится «агрессивно» его расширять, то есть канал с изначально малым сечением очень быстро увеличивается – при малой протяженности достигается очень большая кривизна поверхности. Однако это может привести к закупорке диффузора, так как падение давление окажется слишком большим, поток потеряет энергию и быстро открепится от внутренних стенок диффузора. Для дополнительной подзарядки основного потока и устанавливаются гребни, которые помогают удерживать этот самый поток в рабочем состоянии за счет генерации вихрей.

В большинстве случаев гребни представляют собой частный случай «дельта-крыла», но на автомобилях Формулы-1, да и на других гоночных машинах, они имеют форму трапеции, да еще и с аэродинамическим профилем в сечении.

Гребни, немного иной формы, можно увидеть на боковых понтонах. Они обычно расположены на передней их части. Так конструкторы пытаются удержать поток, проходящий вдоль понтона, - сейчас, когда форма этих поверхностей весьма сложна, очень трудно заставить воздух держаться вдоль всего пути следования к «бутылочному горлышку».

В целом можно заметить, что дефлекторы (bargeboard) и установленные на них выросты в виде частокола вертикальных гребней – все это и многое другое либо генерирует полезные вихри, либо управляет их движением вдоль кузова.

Напоследок, от себя, заметим, что вихри, создаваемые на торцевых пластинах, создают интересный эффект для машины преследователя. Так как вихри, в отличии от воздуха, выходящего из диффузора, имеют довольно упорядоченную структуру вдоль направления движения машины, они создают чуть ли не «чистую» зону разряжения, которая помогает затягивать автомобиль преследователя в аэродинамический мешок. Дальше, правда, этот самый автомобиль попадает уже в зону действия «грязного» воздуха из диффузора, и управлять машиной становится очень трудно. Как мы уже знаем из заметки про Гран-при России, порой такая «чистая» зона разряжения равносильна прибавке 60 л.с. у моторов Формулы-1. Но это уже тема для другого разговора.