BE A FORMULA ONE ENGINEER: High-Tech

F1 Engine Analysis (thermodynamics approach)

Mon, 12 Mar 2007 02:54:04 GMT

Paulospace复活了！

又是基本四个月没更新，这篇文章早就想写。算是4个月磨一剑吧。现在发现space不popular了，所以接下来的这一个赛季，我争取半个月出一个更新。谢谢大家支持！btw，这次加了水印，可能会造成空间缓慢，表骂-_-!!!

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除了官方给出的数据，经过半个月的数据采集，从一些汽车工程师，赛车工程师（非F1）那里弄到了极少一部分比较合乎常理的推断的数据，用做计算，但是这些"猜"出来的数据也是非常艰难地拼凑在一起的。所以不要再问“哪里可以找到xx的图纸，哪里弄得到???的数据？”。这么问，那就是个典型的noob。

引擎----热力学，预计分三部分写，第一部分是基础原理，第二部分是对于新赛季规则改变而导致的引擎研发影响，第三部分，燃料部分，因为我这方面知识比较浅薄，而且需要很多数据做保证，所以可能完结在第二部分。

鉴于以前碳纤维文章和那个空气动力学的短文直接运用的专业术语太多，造成部分读者接受困难，这里我尽量阐述准确。

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Copyright @ 2007, All rights reseverd

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出道题

有一天跟另外几个co-op stu吃完午饭互相猜谜耗时间，一个问如何构成两两之间距离相等的四个点，这个答案很简单，是tetrahedron（在往下看前大家可以猜一下）。后来我从这个突然想到另外一个问题，好事者可以参与无奖竞答：最多三个点可以在二维空间（平面）内构成两两距离相等（三角形），类推到前面的答案，求证：五点之间两两距离相等存在在四维空间。问题２，６点呢(数学/物理方法证明)？

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任何答对问题（文章中的问题和/或后面给的问题）的blogger，其名字都会登在本blog的醒目处为时两周(除非还能想出别的奖励方法)

Engineers always find something to bug their brain. Now it's time to clean the rust in yours!

General Aerodynamics Technologies applied on F1 racing cars

Wed, 15 Nov 2006 07:36:48 GMT

First, I have some troubles with using the Chinese typing program. I will try another one and translate those on Friday (if time's available).

Just did some reviews for my fluid mechanics course today. Some stuff can be extended to the Aerodynamics which you guys are most interested in.

Plus I haven't introduced any of techs related to Formula One for a very long time.

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Some points highlight here:

Downward Lift: Down force

Why the wings (the aerodynamics components) are short:

Safety concern;

Short wings have less inertia, & make cars highly maneuverable.

But shorter the wings, lower the Lift coefficient, and higher Drag coefficient.

Picture 1. F2005 Partial airfoil on the Front Wing

Picture 2. Toyota TF105

Airfoils (Dimensionally inverse to the ones applied on the aircraft)

Picture 3. The Front Wing of F2004 (CATIA V5 Computer Aided Design)

Swirl air (circulation) passing though the tip and side forms bound vortex and trailing vortices, respectively. Those vortices give the car a downward Lift.

Another downward Lift is generated by the wheels:

As a symmetrical object, a tire, treated as a cylinder shape has Drag only, but it does when it rotates in the CCW (counterclockwise) direction, two stagnation points are located at the fairly upper part on the tire surface, which indicates that the air flow at the upper part has smaller speed than the lower part. Put in another way, the upper part has larger pressure. The downward Lift is proportional to the wheel’s speed.

Picture 4 Effect of Drag Force (same as Resistance shown above) for symmetrical objects

However, after the racing car runs few laps, the tire surface getting rougher. Rough surface can bring more air with the wheel rotating, which increases the circulation around the wheel. Circulations generate an upward Lift to the wheel. But as the wheel contacts to the ground, the circulation cannot be completed.

As a result, high speed rotating wheels generate downward Lift.

Reference:

Picture 1, http://sports.sina.com.cn/f1, Nov. 16th, 2006

Picture 2, http://sports.sina.com.cb/f1, Nov.16th, 2006

Picture 4, http://www.aerospaceweb.org/question/aerodynamics/streamline, Nov 16th, 2006

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Sorry for you guys who feel hard to read.

No time to put on pics.

No time! Go back to study.... @ 2:30 am

How does an engineer who has such a complicated life to make other lives easier?

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Any concerns?

声明：

无意中发现以前写的碳纤维文章遭他人剽窃，没有经过我同意甚至不加文章出处，以ID maided 发布在funshion.com/bbs里。

为了避免这种事情再次发生，以后的技术贴都将用英文。如果谁想copy，先去翻译吧。

很多人跟随潮流标榜"F1车迷"，我替这种车迷感到羞耻。

和F1没有关系的技术

Wed, 14 Jun 2006 03:00:28 GMT

过了一个多月，一个字没写。工作也干了一个月了，这里记上两笔算是交待一下。

总体感觉不错。因为研发小组就三个人，两个教授和我，工作量和时间比较有弹性。具体研发对象是找到一种合适的材料用于风能发电机的风扇叶片上，可以抵御冬天结在上面的冰。这个项目刚开始，很多东西对于我们三个都是比较新鲜的，所以什么都是刚起步，这样我也能很快适应整个研发背景和相关知识。才刚知道，很多大公司（比如西门子，通用电器，GlasFiber等数十个公司）也拿到除冰项目但是没有一个找到合适的解决方法。还好，我进入角色还比较快，boss也比较满意，而且迅速找出一个解决方法，现在正在这个方向研究。

恩，依然增加Space可读性，简述一下背景知识吧

看似很简单，就是风来，大风车吱呀吱呀悠地转，传到发电机把机械能变成电能罢了。呵呵，同学如是说。

首先风能发电机叶片除冰是国际上比较前沿的研发课题，虽然欧洲的技术（芬兰，丹麦，德国）领先北美十多年，不过依旧处在探索阶段。然而除冰效果不是很理想，想想看以上那些国家，两个处在高纬度，德国地势特殊，冬天依旧饱受冰雪侵袭。为什么要把风能发电机建在高纬度的地域呢？原因是纬度高，气候寒冷，空气密度大，发电量越多，而且风速和气温成正比，冬季时间越长强风时间越长。

所以问题出来了，严重的冰、雪附着在叶片上严重影响其空气动力学效应，其二增加叶片重量，消耗风能产生的能量；三是巨大的叶片（半径可达80米）甩出脱落的冰是非常危险的，虽然取决于转动速度和半径大小，但是对于附近的人和过往车辆会造成很大伤害。

现有最简单的解决方法是把叶片涂成黑色，原理很简单，黑色的东西可以完全反射白光，白光包含了所有颜色和频率的可见光和不可见光，这样所吸收的能量是最大的。另一种解决方法是在叶片中嵌入导热电丝，加热局部，或者在其中循环热空气。对于严重冰雪附着情况，结果不是很理想，而且会消耗部分发电。或者学习小型飞机的机翼除冰技术，在叶片上加入气动膨胀膜。还有甚至停下发电机保护叶片，要么把发电机对着太阳。方法零零总总，除了涂黑（仅仅对于较弱的冰雪附着），要么会对叶片造成损毁，要么消耗多余电力。

上面还算是介绍，下面小科技一把

其实多写也特累，之前还把云、雾、冰雹、地形效应、露点、霜点、什么rime，frost，glazing ice统统看了个透，觉得学气象也不容易。这就不细说了。

简单说说冰是怎么形成的。冰－－由水变的（插一个有意思的试验，一杯水，放到密封罩里抽真空，水结冰咯，想想为什么，答对有奖哦），当然气态水也能凝华成冰。地球上最常见的冰是Ih（I代表冰，h是hexagonal的晶体结构，也就是有六个角的柱体，恩，联系到雪花了吧，没错）什么Ic啦（还Ip呢），从I1到I13什么的就太高深了，我也就浅尝辄止。

一摊水，当温度和压力达到要形成固体的条件下，微妙的现象发生：水分子互相连接，小的被称做晶胚（embryo），它们不太稳定，随后会分解成水；大的成为核子，水分子继续包围核子令晶体生长，越长越大最后成了冰，也就是六角形柱体的冰。晶体形成过程中，核子表面积能量下降，体积增大而增加体积能量，但是核子达到一定大小就停止了，所以总能量下降（自然界里物质总是寻找其最低形态）。如果水不纯净，有很细小的杂质，这些杂质就代替了核子，冰更容易形成，或者装水的容器壁也可以成为核子的代替物，因为形成过程中不需要太多的表面能量。

By the way，要知道hexagonal晶体是HCP结构，意思就是分子排列非常紧密，很硬，所以啊，千万不要嚼冰块，要知道那可是H2O的最硬形态。恩，某健康网站也是这么说的。。。

哦哦，正题到了

冬天空气中有很多过冷（supercooled，自然界中，大气压下可以达到零下20多度）的水汽，尤其是大雾中，水汽中的小水滴只要碰触到固体就会迅速结冰，冰就会越变越大。我们把叶片看成容器壁，这些水滴撞到叶片上那就定居下来啦！

所以我们不想让这种事情发生。

水，一氧二氢，有氢键，产生极性，这就是问什么可以看到雨滴附着在窗户上。所以依照上面提到的，我们要把叶片的表面能量（Surface Energy）降到最低，或称做中性，水滴接触角就会很大，那么在物体表面上，水滴就是个球体，那当然容易滑落啦。这种技术叫做Hydrophobility－－憎水性。

对于都在这个领域的研发人员来说，以上提及的都很基础。所以我就到此为止啦，对于我的idea，还是要保密的，哈哈。

哦！！差点忘了，这个好酷的，我拿到了一大块碳纤维和玻璃纤维板儿，呵呵，说是可能用做叶片材料，当然啦，算是个幌子，或者只是流程中的一部分，确切目的仍然要我闭嘴滴～下面的图只是从碳纤维板子上切下来一小部分。那块板我还刻意掰了一下，太硬。

正啊！

绿色的是一种塑料（具体什么玩意不知道，因为看不懂原料盒子上的德文），因为碳纤维灌注的环氧树脂在高温下不稳定，所以要用一种特殊的塑料在常温下冷却形成。那个塑料块只是在手工抛光过程中让手容易拿些。（F1官方开始有卖周边产品了，那个钥匙链什么就是碳纤维做的，跟上面的一模一样）

正好多伦多有一台风力发电机，是世界上惟一一台位于城市中心的，虽然小了点95米450千瓦。上个周末跑去看了看，照了两张，唉，旁边景色真美啊！广阔的安大略湖就像海一样看不到边，水的蓝色错落有致，上面航行着复古的三桅帆船，可惜相机没电了，仅此文字叙述一番。

后来跑到这个风车的总部，Canadian Hydro Co-operation，一个大楼，周末连咨询台都没有，全锁了

顺便贴个downtown的街头艺术，赞，都是用粉笔画的啊，左边超人，中间蜘蛛人，右边正在画蝙蝠侠

多伦多也没什么意思，挺荒凉的。

图片欢迎转载，请注明出处，谢谢！

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叹一口气，看蒙特利尔的F1是希望不大了，极其厌恶F1的官方售票规程！0-0## 算是个教训，大家以后买F1票千万要从赛道售票渠道，不要找官方！I hate hate hate hate hate hate hate hate hate死了！

*部分图片已于06年11月16日删除

直流电动机~ lol~

Sat, 11 Feb 2006 07:49:38 GMT

上星期做的实验，没特别明白。不过这星期猫着跟另外一组又做了一次试验，的确弄明白了点玩意。然后拍了点照片写实验报告。拿出来post。

漂亮的转子，挺沉的，拿的时候差点给摔了。直流电机的转子叫Armature

转子的后面，红色的是绕组（winding）

Armature前面，小的螺旋的那个东东是电刷，收集电流的，有两个。

里面一格格的是Commutator segments，就是转换器，把交流电变成直流电。这个玩意很微妙，因为转子的旋转直流变成了交流电。图像表现为正弦/余弦曲线，但是如果有很多转换器，那么就会有很多交替密集的曲线，曲线的波峰连接起来就是直流了！

这是定子的前面，粗线圈用来连接并连直流电机，细的是串连直流电机。

里面的两块是磁极，实际上上面还有两个。每个磁极由很多磁片组成，中间夹有绝缘材料，这样是为了增加其电阻，让更多的电流流到转子中（并连直流电机）。

定子后面，没啥意思。

桌子上有好多。。

最后接完线的电机，下面中间是直流电机，右下是转矩。上面中间是电压电流表，左上是变阻器。

趁机把上面那个图里电机的盖子打开了，因为电刷错位不在neutral prosition造成了运转时出现电火花。理论上讲，转子产生的交流电的电压在其正弦曲线上没有“按时”达到0，比AC电流的曲线晚交于x轴，所以此时依旧存在电压，产生火花（也难为这个30年悠久历史的电机了）

照片就不加版权了，如果你学到了东西，随便copy吧

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下两周大考，不更新了。

碳纤维 Carbon Fiber 补充

Sat, 14 Jan 2006 21:07:28 GMT

首先感谢：Ikari-Shinji-EVA-01 ，你总是能够发现关键的问题所在。

EVA01在回复中说：我认为“石墨那么软，碳纤维强度怎么会很大呢”这句话是不对的.你不能根据石墨和碳纤维由相同的元素组成而推断碳纤维有石墨的性质。

问题1，笔误，石墨应该是石墨化(Graphitization)，这里用石墨的性质来说明为什么碳纤维强度大是明显错误的！石墨化增加强度的原因即为使碳纤维产生了Graphitelike的晶体。引出问题2。

问题2，课本原句：(During graphitization,...the preferred orientation of the graphitelike crystallites within each fiber is increased) Graphitelike就是石墨状的。就是在石墨化这一步骤，碳纤维内部产生了与碳纤维方向相同的晶体颗粒，从而增加强度。碳纤维的制造和石墨没有任何关系。且慢，没有完。引出问题3（后面完全是在钻牛角尖）。

问题3，性质上，因为石墨含有的Van Der Waals（范德华力）使一块石墨在很小的压力或者作用力下就会变成细小颗粒。碳纤维是由很多碳链组成，一条碳纤维含6000条左右的碳链（一tow）。我不认为碳链之间含有原子力的作用（就是链之间没有任何化学键，抛开链之间的摩擦力和相互吸引力不谈）。但是环氧树脂可以提供碳纤维外部摩擦力，包围和束缚住碳纤维，再一步增加稳定性（见P）。F1赛车受到撞击后，车身的碳纤维环氧树脂材料会立即变成粉末吸收撞击力。这是物力性质体现上的相同点，推断出两种材料在结构上，可能会有相似之处。

P (Good Bonding) (Poor Bonding)

为什么碳纤维灌注环氧树脂材料在受到撞击会成粉末状（前文里，我并没有说清楚这一点）？

与教授约了下个星期五讨论这个问题。。。待解。。。

Reference：
The Sentence，Page 609, William F. Smith, Foundations of Materials Science and Engineering, Third Edition, McGraw-Hi

简述碳纤维 Carbon Fiber

Tue, 03 Jan 2006 08:27:35 GMT

为了增加space的可读性，写点专业点的东东。

喜欢F1的fans都听说过碳纤维这种材料，我也“久仰”其名。上学期材料学有所牵涉，我也算复习一下，如有疑问或不同意见欢迎讨论。（有点长，不过看完了相信能学到一些玩意）

F1，在60年代引入了承载式车身，直到70年代的时候铝用得最多。铝轻，有良好的延展性成为了赛车车身的不二选择。但是后来发现，因为F1赛车越来越快，铝制车身很难提供足够的下压力。于是利用碳纤维材料车身的理念逐渐浮出水面。终于在1981年，麦克拉伦车队首先测试了碳纤维作为底盘和车身材料赛车的性能。赛车在碰撞试验中的表现出色，而且赛季成绩很理想。

ok，上面是intro，现在来具体讲讲碳纤维的构造和一些原理。

对于纤维的使用，最终是作为合成物出现的。纤维是reinforcement，把碳纤维加到一些别的材料（matrix）中，从而优化这种材料的物理性质。

一般有这么几种纤维材料，玻璃纤维（S,E），凯夫拉尔（Kevlar芳香尼龙纤维），碳纤维。从物理性质上讲，玻璃纤维作为添加物的材料可以用于房车赛车，工作原理和碳纤维一样，造价低廉，制造简单，所以适合低成本的比赛，拉伸能力很强，但是承受不了太大的力，模数（Modulus，可以说是硬度的体现）也低。Kevlar居中，防弹衣用这个材料。碳纤维除了拉伸能力比较弱（因为六角碳链的缘故），可以承受3.1-4.5GPa的最大压力（Ultimate Tensile Strength），模数可达193-241Gpa。相比之下，S级玻璃纤维只能承受4.48Gpa的压力的和85.4Gpa的模数。而且碳纤维密度低，只有1.7-2.1克/立方厘米。

碳纤维的最大缺点就是昂贵。所以除了航空航天用的到，剩下的基本就是F1赛车了。

简述一下合成物。碳纤维是均制材料，这就是说，碳纤维材料是有方向性的（包括玻璃纤维）；铜，铝这些材料就是非均制材料，无方向性。一层碳纤维镶板中的碳纤维都是朝向一个方向的。碳纤维一般和环氧树脂（epoxy）构成一种合成物，环氧树脂就是matrix（可以理解成合成物的母体），它的优点在于比较大的温度变化下，不会很大程度上的变形。硬度较高的碳纤维加入进环氧树脂，这种材料就具备了二者的优点。

知道纤维制的合成物是怎么回事，理解其原理就非常简单了。

我们都知道建筑工地上，水泥筑好的柱子里有一跟跟向上伸出来的钢筋（如果不是向上的，原理就大不相同了）。这就可以被看做是一种合成物：水泥是母体，钢筋是纤维。这些柱子将要承受几层楼的压力，但是水泥并不能够提供足够多的承受力。于是加入钢筋，钢筋会分担一部分压力；更重要的是防止水泥柱子过度变形，不过这是机械变形的东东，跟碳纤维没什么关系，就不细说了。

前面说到碳纤维的均制，也就是有方向。一块薄薄的碳纤维环氧树脂镶板里面所含有的碳纤维都是朝着一个方向。这就是说这片镶板在碳纤维方向上所能承受的压力是最大的（isostrain）；但是如果力的方向是垂直于碳纤维的方向，这时是最小的承受力（isostress）。最后形成的碳纤维环氧树脂底盘或者车身部件是很多层镶板叠起来的，因为比赛中撞击可以来自各个方向，也就是说这几层镶板中的碳纤维分别指向不同方向。（见P1）

P1：左边(Unidirectional)是同向的纤维合成物的镶板落起来，右边(Crossplied quasi-isotropic)是非同向的，每一层镶板中的纤维指向不同角度。

下面说说碳纤维环氧树脂的合成物是如何制造的。

碳纤维提炼自PAN基（polyacrylonitrile 聚丙烯腈，，讨厌化学，别问我这是什么）

第一步：稳定？？（Stablization），PAN被拉伸，然后在210°的温度下氧化。

第二步：碳化，干溜（Carbonization），在惰性气体中加热制1000-1500°，去除碳链中氧，氮，氢；这一步增加了碳纤维承受很强的力的能力。然后碳链形成石墨状。

第三步：石墨化（Graphitization），碳链中形成晶体结构，增加了碳纤维的硬度。

这里插一句，石墨那么软，碳纤维强度怎么会很大呢。来注意一下F1赛车出现事故后，比如前鼻翼撞到护墙了，我们找不到鼻锥在哪里，因为鼻锥是完全由碳纤维制成的，在撞击的一霎那产生巨大的impulse（不好意思，真不知道怎么翻译），极短的时间，巨大的撞击力，碳纤维立即成为粉末，尽可能地吸收这些力，从而保护赛车手。这是石墨化的原因。（见P2）

P2：顺便纪念一下米纳尔迪。。。

造就高强度，是因为出现了晶体结构，微观上讲，晶体的grain boundary阻挡了dislocation的移动（具体说就海了去了，dislocation就是形成晶体时原子的一些不规则排列，金属变形就是源于这些dislocation的增长），增加强度。

于是，继续，下面是灌注环氧树脂：

从一张先切好的之前注入的环氧树脂碳纤维制成。纤维薄片被小心地放置在模子的内部。碳纤维薄片的朝向是非常重要的，朝向是事先确定的，这样才能达到期望的强度。总共有5层碳纤维被放置其中，形成成品的外壳（最后达到厚度为1毫米，总共3 －4层碳纤维必须被放置）。

下一步是在一个高压装置中优化碳纤维。把碳纤维暴露在高温高压的循环中，这取决于对材料的精确需求和组成部分的加工处理。经过这种处理，树脂被注入碳纤维流入围绕的纤维，而且它是有活性的。这就是碳纤维的优化。当外壳被优化然后冷却，一个铝制的蜂房状层由树脂薄片被固定在外壳来确保粘度的坚固。底盘镶板回到高压装置中优化。冷却后，再加一层铝制蜂房状层。由大量被灌注好的碳纤维薄片被放置在现有的外壳上，然后最后一次在高压装置中处理。

最后，就完成了。

靠！累死我了！

Reference：P1, Page 615, William F. Smith, Foundations of Materials Science and Engineering, Third Edition, McGraw-Hill

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