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賽車上的空氣動(dòng)力學(xué)-F1的“鼻孔”

2018-03-19 22:41:20·  
　
雖然奔馳這次帶來(lái)的S-duct鼻錐引起了人們的關(guān)注，但在賽車鼻錐內(nèi)設(shè)置通氣導(dǎo)管并不是什么新的想法。英國(guó)蓮花汽車的傳奇設(shè)計(jì)師柯林查普曼在上世紀(jì)80年代的Lotus 80賽車上使用了這個(gè)設(shè)計(jì)，以增大賽車的下壓力。
雖然奔馳這次帶來(lái)的S-duct鼻錐引起了人們的關(guān)注，但在賽車鼻錐內(nèi)設(shè)置通氣導(dǎo)管并不是什么新的想法。英國(guó)蓮花汽車的傳奇設(shè)計(jì)師柯林·查普曼在上世紀(jì)80年代的Lotus 80賽車上使用了這個(gè)設(shè)計(jì)，以增大賽車的下壓力。
蓮花Lotus 80賽車
柯林·查普曼通過(guò)在賽車鼻錐內(nèi)設(shè)置通氣管道，誘導(dǎo)鼻錐下方的氣流，以便在鼻錐下方產(chǎn)生低壓區(qū)。另外為了增大地面效應(yīng)，進(jìn)一步提高賽車下壓力，他還設(shè)計(jì)了前翼和鼻錐裙邊，如下圖所示。
柯林·查普曼的設(shè)計(jì)（上：前翼；下：鼻錐裙邊）
在幾次試驗(yàn)后，柯林·查普曼選擇只保留鼻錐裙邊，認(rèn)為這樣是最好的方案，但蓮花車隊(duì)的賽車手卻不這么認(rèn)為，因?yàn)楸清F裙邊很容易與地面失去接觸，導(dǎo)致前輪失去下壓力。
蓮花Lotus 80賽車
法拉利 F2008賽車
2008年，當(dāng)時(shí)法拉利推出了全新的F1概念車F2008，這款車在鼻錐上方和下方開(kāi)有出口，在鼻錐內(nèi)設(shè)置通氣導(dǎo)管。這種“鼻錐開(kāi)孔”的方式旨在將前翼和鼻錐底部的高壓氣流誘導(dǎo)到鼻錐上方。
法拉利發(fā)現(xiàn)正常情況下鼻錐阻礙了前翼表面氣流的流動(dòng)，這降低了前翼的效率，并且會(huì)在鼻錐下方產(chǎn)生了高壓區(qū)，增加前輪升力。如下圖所示。
法拉利的空氣動(dòng)力學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)鼻錐內(nèi)的S型導(dǎo)管將鼻錐底部的高壓氣流導(dǎo)向鼻錐上方，這既減小了鼻錐下方的高壓區(qū)，也增大了前翼表面氣流速度，進(jìn)一步提高了賽車下壓力。并且這也給后翼創(chuàng)造了更均勻的來(lái)流，提高后翼的效率和行駛穩(wěn)定性。
從下圖可看到法拉利“鼻孔”的出口，分成上下兩個(gè)出口有助于出口氣流更好的與已經(jīng)流過(guò)車身的氣流融合，降低車身周圍湍流度。
鼻錐上方的出氣口
鼻錐下方的進(jìn)氣口
雖然“鼻錐開(kāi)孔”對(duì)增大賽車下壓力是有利的，但也在一定程度上增加了氣動(dòng)阻力。
雖然“鼻錐開(kāi)孔”從原理上來(lái)看對(duì)增加賽車下壓力非常有利，但從實(shí)際安裝情況來(lái)看卻有一些缺點(diǎn)。“入口”的位置必須精確的與前翼和襟翼的角度相匹配。換句話說(shuō)，空氣流經(jīng)前翼前，必須找到流向“鼻孔”的方向，如果前翼角度過(guò)小，空氣將會(huì)沖過(guò)“鼻孔”，如果角度過(guò)大，空氣又到不了“鼻孔”位置。同時(shí)在這兩種情況下，鼻錐開(kāi)孔的設(shè)計(jì)將會(huì)導(dǎo)致賽車氣動(dòng)阻力增加，而賽車的下壓力與鼻錐不開(kāi)孔的情況幾乎是一樣的。
這就是為什么法拉利決定只在那些對(duì)下壓力要求很高的賽道中使用這一設(shè)計(jì)的原因。因?yàn)檫@些賽道上，很小的下壓力差距就可以決定比賽的勝負(fù)。
增加的三角斜翼
此后法拉利的空氣動(dòng)力學(xué)團(tuán)隊(duì)做了一些改善，在鼻錐下方進(jìn)口的每一邊安裝了三角形的斜翼，增加空氣通道效應(yīng)。翼面有助于推動(dòng)空氣向上流動(dòng)，增強(qiáng)底部孔的效率。因此在下壓力上會(huì)更好，盡管這增加了氣動(dòng)阻力。
奔馳W07賽車
奔馳在今年推出的W07賽車上的S-duct設(shè)計(jì)思路與法拉利F2008賽車的相類似，都是減小鼻錐下方的區(qū)域，提高前翼表面的來(lái)流速度，增加賽車下壓力。
但奔馳S-duct的進(jìn)氣口設(shè)置在前翼板下方腫塊的正后方，可使得進(jìn)入進(jìn)氣口的氣流最大。
奔馳S-duct進(jìn)氣口和出氣口
奔馳S-duct內(nèi)氣流流動(dòng)示意
CAERI 視點(diǎn)：
在F1賽場(chǎng)上，增加賽車下壓力，提高彎道速度和高速下的穩(wěn)定性始終是比賽制勝的法寶，各大賽車隊(duì)也會(huì)持續(xù)在F1規(guī)則允許范圍內(nèi)，通過(guò)各種空氣動(dòng)力學(xué)套件提高比賽成績(jī)。本期為“汽車空氣動(dòng)力學(xué)”公眾號(hào)推出“賽車上的空氣動(dòng)力學(xué)”第一期，后續(xù)將會(huì)持續(xù)對(duì)賽車上的空氣動(dòng)力學(xué)套件和原理進(jìn)行解讀分析，敬請(qǐng)期待！  
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