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F1氣動設計分析:賽車的整體平衡都與哪些空力套件有關?

如此嚴格的2022版F1氣動規則仍然產生了賽車設計的多樣性,真是讓人嘆為觀止。曾經的霧裏看花、水中望月讓車迷感覺新規下,賽車的氣動設計並沒有簡單化,通過兩次冬測和前三站分站賽的比試,圍場裏各支車隊之間孰優孰劣似乎已經通過賽車的氣動設計能夠看出壹些端倪。新賽季,地面效應重新回歸F1,文丘裏底板能夠產生不同於以往、更強大的負壓,而該負壓如何控制勢必將成為賽車是否可以獲得下壓力的關鍵,除此之外,車身表面的氣流和賽車整體的平衡也非常重要。本期內容我們將分析壹下空力套件所產生的正壓和負壓是如何影響賽車整體平衡性的。

考慮到底板入口處的裙柵所產生的渦流及其影響,使得賽車整體的平衡性是下降的,從紅牛的設計可見壹斑。而影響賽車平衡的重點在於三個方面:第壹,裙柵的曲率,裙柵曲率的大小增加了底板入口處下方的負壓強度,同時也增加了底板邊緣排除氣流而形成的渦流強度;第二,底板入口面積,隨著底板入口的截面積增加,底板前端的負壓也會增加;第三,最內層裙柵與底板中心線之間的距離,根據文丘裏效應的原理,距離越小,氣流流速越快,所產生的負壓越強。而對於賽車平衡性來說,賽車前傾力的強度會根據裙柵和底板前端的形狀而變化。

這是梅賽德斯W13的底板,可以看出裙柵的曲率幾乎沒有,排出氣流的位置靠近底板前緣,綠色部分的底板面積較大,這樣的設計使得車隊無法預料底板前端所產生的負壓強度。

哈斯賽車的裙柵曲率很大,底板入口比較大,這使得進入底板下方的氣流會突然變窄,在淡藍色部分氣流流速變快,這壹區域的負壓肯定會陡然增加,這樣壹來,底板前部的下壓力也會隨之提高。

從法拉利的裙柵曲率來看,其底板前部的設計與哈斯如出壹轍。

紅牛賽車的底板前部,如綠色箭頭所指,從底板入口進入的氣流較少,綠色箭頭部分的空間變窄,氣流流速也相對偏低,而RB18在紅色箭頭所指地方增加了壹個凸起,此凸起會對底板下方的氣流進行減速,所以紅牛賽車的負壓區域會更靠近底板的中部。

我之前的視頻詳細介紹過紅牛賽車的底板氣動設計,底板下方的氣流在圖中最右側藍色圓圈凸起部位有過壹次加速,在圖中中間紅色圓圈所指部位則有壹次減速,最後在擴散器前的藍色圓圈所指凸起部位再次進行壹次加速。可以看出阿德裏安.紐維的設計思路是通過拉大底板前後兩個負壓區之間的距離來降低賽車對於重心的敏感度,使得賽車進彎時發生前傾和直道上發生後傾更加容易,法拉利在此處的設計也是如出壹轍,只不過底板前後兩個負壓區之間的距離要比紅牛更近壹些。

我們再來看壹看梅賽德斯的底板。圖中藍色部分底板離地間隙較低的區域較長,從前面壹直延伸到擴散器前方,這會使得賽車在底板的中後部形成過於強大的負壓區域,中後部的負壓區域占賽車整體負壓的壓倒性多數,這使得賽車的平衡性嚴重不足。

如果把底板內部的氣流作為能量體考慮的話,紅牛和法拉利會在底板前方部署40%的負壓,在後方部署60%,而梅賽德斯則是前方20%,後方80%,當賽車剎車或者進彎時,梅賽德斯這樣的負壓配比很難讓賽車前部獲得足夠的下壓力。

接下來我們再來看壹下底板裙柵所形成的渦流和側廂之間的關系對於賽車的平衡性又有哪些影響。底板裙柵排出的氣流可以產生了強大的渦流。所謂的渦流就是流動緩慢、正壓的氣流。在濕地條件下,是最能看出不同賽車底板邊緣所產生渦流的不同之處。

首先來看看邁凱倫MCL36,底板邊緣所產生的的渦流強度很大,同時還有部分渦流重新回到底板的上下兩側,這顯然會對底板上下兩側的高速氣流起到破壞作用。這可能是底板離地間隙過大而導致的。

而梅賽德斯W13也是如出壹轍。

而法拉利F1-75的情況就要好很多,可以看出進入底板下方和側廂底部的渦流很少,這是因為法拉利的底板離地間隙小,以及側廂下方的通道也很小導致的。另外吹向後輪的渦流也較少,使得擴散器的效率也更高。

而紅牛RB18,由於裙柵的曲率較小,使得裙柵所產生的渦流很小,而底板邊緣的波浪形邊條翼又可以起到抑制較強渦流,保留較小渦流的作用,這麽做既避免了較強渦流重新回到底板上下兩側,同時也可以密封底板下方氣流。不過這種渦流會在車身表面產生較大的正壓,隨著速度的提高,賽車的阻力也會增加。

那麽正壓和負壓之間又是如何相互影響的呢?我做了壹個簡單的圖來幫助理解。

賽車空力套件所產生的下壓力會沿著流速快或空氣濃的正壓往速度慢或空氣稀薄的負壓方向遷徙。不是因為氣流碰到阻擋而形成阻力,而是因為產生與前進方向相反的力而變成了阻力,負壓和正壓相互作用形成了賽車的整體平衡性。

接下來以CFD數據為基礎,對三大車隊賽車底板所形成的負壓和正壓區域進行分析。圖中藍色部分代表負壓區域,紅色部分代表正壓區域。

從圖中可以看出,法拉利F1-75是以側廂進氣口下方區域作為正壓的中心點提供下壓力。這個區域的正壓不容易受到周圍的亂流影響,很穩定。法拉利賽車所有正壓區域和負壓區域的分布更加均勻,且略微得靠後,這使得賽車的整體平衡略靠後。這種設計可以使賽車整體的平衡性有著出色的表現,而且在進彎時,賽車前部更容易獲得下壓力。

而紅牛RB18用粗大的底板入口形成正壓,用分布不均的底板入口裙柵和構造較為復雜的底板前部形成負壓,這似乎與法拉利比較類似,而與法拉利賽車不同是可樂瓶區域以及底板後部的正壓區域位於側廂的上方,而法拉利的正壓區域更靠近底板。雖然整體平衡性很好,但是和法拉利相比,側廂進氣口下方缺少正壓區域,使得RB18的整體平衡更加靠近賽車中後部,這種設計會使賽車在進彎時更加容易發生因賽車中前部下壓力缺失而導致的轉向不足。

梅賽德斯高壓區更靠近賽車尾部。因為擴散器後面有大的負壓區域,以及可樂瓶區域更大的正壓區域,W13賽車的整體平衡性更靠近賽車尾部,這樣會導致頭輕腳重的感覺,並且在賽車尾部容易出現過大的阻力,從數據上看,因為W13尾部的下壓力過大,後懸掛更容易被壓縮,所以會在250km/h的速度時就會觸發海豚跳。

在對底板產生的負壓和車身所產生的正壓進行了分析之後,以上這些結論也與三輛賽車在賽道上不同的表現如出壹轍。可以看出,要想讓賽車的平衡性,尤其是在彎內的表現更好的話,側廂進氣口處的正壓和文丘裏底板入口下方的負壓是賽車平衡性的重點。因此,要想產生合理的負壓,側廂的下切設計、底板裙柵的設計以及底板下方文丘裏通道的形狀是至關重要的。

較為彎曲的裙柵設計會使得在底板邊緣排出的渦流強度會增強,如果渦流過於強大則會擾亂車身表面的氣流流動,形成更大的正壓,這種正壓氣流很難被控制,所以會導致賽車的平衡性變差。

而法拉利在底板邊緣采用了邊條翼的設計,正是為了在高速條件下所形成的形變而使渦流分崩離析,我們在以往的視頻中介紹過,渦流的形成存在壹個物理空間條件,就是空間的大小必須大於渦流的直徑,否則渦流會被破壞,而邊條翼的作用就是隨著車速的提高而出現離地間隙變小,從而破壞更強大渦流的產生。

紅牛沒有彎曲的裙柵,本身就可以減少從底板邊緣排出的渦流,而取而代之的是類似於去年的Z字型底板開口的設計思路,以通過Z字型出口處產生較小的渦流強度,不僅避免了較強的渦流導致賽車中後部的不穩定,同時又可以對底板下方氣流起到密封作用。但是,這同時也帶來了賽車前部的負壓不足,以至於賽車整體的負壓也不足而使得賽車的平衡性較差,這可以從RB18在中低速彎裏的平衡性與法拉利相比較弱得知,但在不那麽考驗賽車平衡性的直道上卻有更小的阻力。要知道空氣動力學設計往往存在很多悖論,所以各支車隊都采取了折中的設計思路,從原理上來說,也沒有可能做到取其精華、去其糟粕。

而本賽季糟糕的梅賽德斯W13被強大的尾部負壓所困擾,失去了賽車的整體平衡,可以基本斷定,W13是壹輛設計失敗的賽車。作為成功的典範,F1-75則是根紅苗正,它是圍場裏幾乎可以做到完美平衡的賽車,過彎時賽車平衡靠前,而在直道上,賽車的平衡又比較靠後,這使得法拉利賽車在幾乎所有特性的賽道上都能表現出競爭力。同時,梅賽德斯因為存在更高的賽車尾部阻力,使得賽車在車速較低時就會引發海豚跳,而更低速度的海豚跳對於賽車的平衡性又是災難性的,但要想解決海豚跳,就必須擡高賽車的尾部,這樣就會在賽車尾部造成負壓不足,正壓綽綽有余的惡性循環。