世界一级方程式锦标赛(FIA Formula 1 World Championship),简称F1,是由国际汽车运动联合会(FIA)举办的最高等级的年度系列场地赛车比赛,是当今世界最高水平的赛车比赛。随着赛事的不断发展和计算机仿真技术的不断进步,在引擎的研发逐渐趋于相对稳定的情况下,各参赛队伍逐渐将优化转向赛车车身小的改变,如加装一片翼型,会对整车空气动力学特性,如升力系数、俯仰力矩等造成很大变化,进而对加速水平和行驶稳定性造成巨大的改变,这使得F1研发团队对赛车的空气动力学越来越重视,投入的研发成本和人员也越来越多,因为赛车与量产车外形的区别较大(如前者为开轮式),使得其空气动力学研发优化的重点不同,如F1赛车研发团队最为重视赛车的整车升力,而影响升力的主要部件是前翼、后翼及底部扩散器等,这就使得研发团队对这些部件的研发优化会投入更多的精力,而量产车则更重视减阻。国内目前对于F1赛车的研究主要是针对其车身姿态保持不变的情况下,分析其静态的气动特性,而对赛车车身保持运动的研究较少,国外相关赛车团队的研究较为详细深入,但因涉及到保密性,关于赛车空气动力学的研究数据公布的较少。本文对某F1方程式赛车的常见运动工况如匀速运动和受侧风影响的运动进行仿真分析,保持其车身不断运动,同时通过建立悬架系统将车身与旋转车轮结合起来,更加真实的模拟赛车运动,并分析几种工况下其车身姿态与气动特性。本文将F1赛车划分为三大部件:车身(前翼、后翼、底部扩散器、车身主体)、悬架、车轮,通过锁定三个自由度限制车身运动,使车身仅保持俯仰、侧倾和垂向的平移运动,同时赋予车轮相同速度的旋转运动。通过仿真计算,获得赛车在匀速运动,受侧风运动的工况下,周围流场数据、整车车身姿态数据及各主要部件的气动力参数,如周围压力场、速度场、车身离地高度、整车升力、俯仰角度、各部件阻力等,并对这些瞬态计算获得的数据进行对比分析。得出在F1赛车和大学生方程式赛车等开轮式赛车在对各部件进行下压力优化时,应重点考虑优化升力波动频率,尤其是降低前轮的升力波动频率,同时后轮位置处兼顾其旋转运动的流动改善,是下压力优化中的一个主要难点,前后翼作为提供下压力最大的部件也是下压力波动幅度最大的部件,也是赛车设计的重中之重。赛车减阻优化方面也应重点关注车轮,但需要通过其他部件的优化来改善流经车轮的流场,扩散器部件优化可以做到减阻与增加下压力共存。车身姿态方面,整车下压力较大的时刻对应车身姿态更低,俯仰角更大,前翼离地间隙更小。侧风下赛车升力的表现为整车下压力减小,而升力波动频率却逐渐增大(尤其是扩散器),因此设计也应考虑侧风的影响,减阻方面,也应重点关注车轮,同时侧风存在造成底部扩散器流场的改变及后翼攻角的变化是下压力产生较大变化的主要原因。