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F1賽車如何運用空氣動力學？
2018-04-08 17:16:37· 來源：極速沖動
空氣動力學在F1賽車上的運用其實是個很寬泛的概念，知乎的Ying Vader用圖文為我們做了較為簡潔的描述，主要涉及基本原理部分加舉例，不寫公式也不放各種壓力曲線……
首先向兩部車致以崇高的敬意，1965年Chaparral 2C和1968年蓮花49B賽車，沒有這些先驅(qū)者，我們可能還要在荒蠻之地掙扎許久。
進入正題，F(xiàn)1賽車產(chǎn)生下壓力的部分可以基本上歸納為如下幾點：
1.前定風翼；
2.后定風翼；
3.底盤。
當然，影響賽車空氣動力設計的還牽涉到幾乎所有外露部分和引擎進氣散熱等內(nèi)部流場。
首先，說到定風翼的問題都無法避開翼型的設計，所謂翼型即一個平行于機翼對稱面的截面，這是一個決定整個翼片所產(chǎn)生空氣動力的效率的設計，涉及幾何構(gòu)型例如彎度，厚度和弦長。當然光有翼型是不一定能產(chǎn)生下壓力的，還需要一個迎角，也就是真正產(chǎn)生下壓力的來源。當迎角過大時，流動會從翼面上分離，即流動分離，此時翼型失速（Stall），這會大大減小升力以及增加阻力。
前定風翼是賽車所有部分中首先接觸到來流的，所以對于后面的氣動布局非常關鍵，包括產(chǎn)生三分之一的下壓力，前后壓力的配平以及引導氣流。現(xiàn)代F1賽車的前翼大致包括以下布局。簡而言之產(chǎn)生升力的部分包括Mainplane和后方的Wing Elements，上方的Cascade Wing。
主升力面用于產(chǎn)生大量的下壓力，并與車身中后部平衡。為了增加升力（以下不區(qū)分升力，負升力和下壓力），普遍的辦法包括增加翼面積，增加翼型彎度和增加最大升力系數(shù)（也可以理解為增加失速迎角）。當然其他的方式也包括使用環(huán)流控制，即增加繞翼環(huán)量。
最普遍的方法為升力面的開槽。如上圖，其中主升力面中有多處開槽，這是因為相對于單片結(jié)構(gòu)的翼片而言，增加翼片單元的數(shù)量可以有效地推遲流動分離的發(fā)生以及顯著的增大最大升力系數(shù)，此外，如果將上翼面的氣流導入下翼面，可以產(chǎn)生一個類似吹氣襟翼的效果，延緩分離。
CascadeWing在前翼中的作用已經(jīng)被大幅的開發(fā)了，除了產(chǎn)生附加的下壓力以外，一個更重要的作用是利用Outwash誘導氣流離開前輪，從而減小氣動阻力，如上圖。
當今F1的設計中，翼片的開槽同樣用于在端部產(chǎn)生一個翼尖渦，這一渦流發(fā)生在Y軸中心左右250mm處，稱為Y250渦，這一渦流可以梳理側(cè)箱進氣口前氣流，并將氣流導入擴散器以及側(cè)箱底切，有利于下壓力的增大。
此外還需要了解一個概念即誘導阻力……我們都知道有限展弦比下的機翼會產(chǎn)生一個下洗的過程，即高壓區(qū)的流動翻卷至低壓區(qū)，從而減小有效迎角，進而使得有效升力和垂直于來流方向產(chǎn)生夾角，誘導出阻力分量。
這一現(xiàn)象在前定風翼中也會發(fā)生，因此我們使用Endplate即端板來遏制這一流動的干擾，從而使得翼尖的大漩渦轉(zhuǎn)變成了翼尖部分一個小漩渦。在減小阻力的同時，展向的壓力梯度所導致的三維流動也一定程度上被遏制，因此增加升力線斜率，這一處理的方式類似于增大翼片的展弦比。除此之外，端板承擔的另一個任務是把氣流推離輪胎，左圖為09年F60，右圖為08年F2008，隨著定風翼寬度加寬，端板的導流形式也從Inwash變成了Outwash，有效避開輪胎的干擾。
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GurneyFlap是固定在翼片后緣的垂直片，這一部件由著名車手Dan Gurney發(fā)明，并應用于航空器（自豪臉）。Gurney應用庫塔茹科夫斯基后緣條件，作用與增加翼型彎度類似，可以增大最大升力系數(shù)，同時在合理范圍內(nèi)增阻。Gurney Flap起作用的范圍較小，一般與弦長有關，在5%弦長內(nèi)都可以起作用，F(xiàn)1中一般不超過20mm。
另一個重要的概念即渦發(fā)生器，即使用小展弦比的翼片產(chǎn)生翼尖渦，利用翼尖渦的動量摻混邊界層，從而延緩分離，使得定風翼可以做成更大的彎度以及設定成更高的迎角。
底部的Turning Vane可以被視作一個渦發(fā)生器，當然，另一作用是起到類似翼刀的功效，導流的同時控制三維流動，防止外翼失速。
F1.08（帥炸了）
前定風翼一般都會在規(guī)則允許下被盡可能低的安置，這涉及到地面效應，即翼尖渦被地面的存在所阻礙，使得誘導阻力減小，從而增大有效迎角，提高升力。但是這一效應對高度極敏感，一旦離地間隙瞬間擴大，下壓力也會瞬間減小，由此引發(fā)過不少事故……例如
當然，也存在中間高兩邊底的設計，如圖F399，這種設計考慮到的是向尾部擴散器輸送氣流，提高擴散器工作效率。
擴散器類似于半個Venturis管，但與文丘里管壓縮流體不同，擴散器使用一個擴散段來減速氣流。由于擴散器瞬間擴大了流管，且此時的流體依然為不可壓流，因此更多的氣流將從底盤或四周被吸入擴散器中，造成底盤的流速增大，壓強降低。這一壓強差被用于產(chǎn)生大量的下壓力。
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擴散器造成的低壓區(qū)分布在整個底盤處，其中在擴散器入口處壓強最小，而當氣流進入擴散器后流速減慢，壓強隨之增大，因此擴散器本身并不產(chǎn)生下壓力，而是誘導產(chǎn)生下壓力的工具。
擴散器的角度，擴張曲線和離地間隙都經(jīng)過嚴格的論證，以獲得最大的升力系數(shù)和升阻比，同時防止流動在擴張通道中發(fā)生顯著分離。為了減小底盤中存在的橫向流動，擴散器中往往安裝了導流片，此外為了提高擴散器工作效率，很多的擴散器出口都安裝了Gurney或者襟翼，即利用造低壓區(qū)來提高擴散器的抽吸效率?；蛘呦馬90一樣把bi-plane尾翼的下層放到擴散器出口，尾翼下方低壓區(qū)域可以大幅提高擴散器的效率。
舉兩個例子，RB8的Coanda效應排氣管和BGP001的雙層擴散器
Coanda效應排氣管其實來自廢驅(qū)擴散器的禁用，F(xiàn)IA為了避免對尾氣加以使用將排氣管設置成了斜向上的排氣方式，但這并沒有阻礙紐維大神的腦洞大開。
RB8的初始設計如圖，紅色尾氣依然通過Coanda效應的曲面被送到后輪和擴散器之間，起到密封擴散器防止后輪橫向流動進入的作用，而藍色氣流則來自側(cè)箱底切，這部分氣流通過側(cè)箱底部開口的通道被送到擴散器中央，從而形成向擴散器內(nèi)部啟動開口吹氣的效果，大大增加流量。之后RB8推出了類似雙底板的設計，主要修改了底切開口的形式和流向。
類似的設計包括邁凱輪MP4-2的立交橋，但此時尾氣完全依靠Coanda流動偏轉(zhuǎn)到底板上，巧妙的避開了和側(cè)箱氣流的干擾。
雙層擴散器同樣道理，是不斷挑戰(zhàn)規(guī)則的產(chǎn)物。DDD為BGP001拓展出了一條全新的氣流通道，擴大了擴散器的容積。與眾不同的是它在可樂瓶區(qū)域繼續(xù)挖掘氣流，并輸送到底盤，這股氣流和底盤氣流混合后進入擴散器，起到增加質(zhì)量流量的效果。
與前翼類似，尾翼同樣涉及到翼片，端板，同時還有近五年出現(xiàn)的失速尾翼和DRS系統(tǒng)。
尾翼的迎角大小可以極大地影響賽車的行駛特性。例如在摩納哥尾翼的迎角極大，而在蒙扎尾翼幾乎不存在迎角，幾乎完全放平。這是由于高速賽道下的調(diào)教要求低阻，低下壓力，摩納哥反之。
下圖為F1-87/88，注意上兩層尾翼。
對于這類相近安置的尾翼+梁翼組合，還涉及到biplane效應，升力線模型告訴我們可以將直勻流中機翼簡化為附著渦加自由渦。這兩個模型相近放置時會產(chǎn)生相互作用，若豎直接近放置，兩者都會對對方產(chǎn)生下洗，減小負升力，因此需要考慮安裝位置的合理性。這一結(jié)構(gòu)往往出現(xiàn)在下翼接近擴散器時，用于誘導擴散器的效率。
尾翼端板有顯著的上下兩處百葉窗結(jié)構(gòu)，上方百葉窗減小壓力差誘導的渦流，從而減阻，下方格柵則和有效處理擴散器氣流或排氣管尾氣有關。
DRS是現(xiàn)在非常常用的直道提速裝置。原理和上述蒙扎的尾翼調(diào)教類似。當尾翼角度變化使得阻力接近零升阻力時翼片所受阻力最小，下壓力也最小，以此提升直道尾速。
失速尾翼是通過直道上減阻減升力來達到增大尾速的效果的，即F-duct。F-duct得名于首創(chuàng)這一技術的邁凱輪車隊將氣流進口放在Vodafone標志的f 字母處。在這里區(qū)分幾個概念，即有限展弦比機翼在低速自由來流中所產(chǎn)生的阻力包括寄生阻力和誘導阻力，誘導阻力在此時的賽車運動中占非常大的比例，由于誘導阻力產(chǎn)生自翼片的升力，因此如果我們試圖使機翼部分失速，在不大大增加壓差阻力的情況下減小誘導阻力。
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