f12021新赛车(f12021赛车手)

写在前面

兜兜转转终于该写系列专栏的压轴文章,是时候聊一聊那备受关注的文丘里地板了。我从开始准备这个系列专栏文章的时候,就很纠结到底从哪个角度写这部分的分析与前瞻。文丘里地板时隔多年再次被规则所允许,重要性自然不言而喻。甚至可以说,作为规则制定者的布朗与西蒙斯,他们的思路就是围绕着地板规则而展开的。但是吧,假设车队们能做到CFD模型,风洞测试数据,实际测试结果,这三者建立高度的关联性(establish correlation),那么文丘里地板的设计是一个简单直接的优化问题(matter of optimization)。我作为一个资深眼球空气动力学大师,多多少少能凭经验猜出设计师搞的一些奇淫巧技。可惜我的大脑毕竟算力有限,若让我评估哪种优化方案更胜一筹,那是绝对无法胜任的。

*坐标系定义(Article 2)

以下关于具体坐标点的讨论,都是基于一个右手定则三维坐标系。X轴是代表车身长度的坐标轴,车身相对X轴左右对称;Y轴表示车身宽度,Y0处在车身中轴上;Z轴表示车体相对车底木板(Z0)的高度。

XF是前轴的长度方向的位置坐标(longitudinal location);

XR是后轴的长度方向的位置坐标;

地板(Article 3.5)

Article 3总共为地板规定了6个参考体积(RV-Floor Reference Volume)和4个参考面积(RS-Floor Reference Surface), 本文只讨论其中的三个RV-Floor与4个RS-Floor。

  • 下图淡蓝色的体积对应的是文丘里管的参考体积,即RV-Floor-Body。2022规则的地板扩散器的宽度(750mm),比2017-21规则允许的扩散器宽度(1050mm)要窄不少;扩散器末端高度的规则相较而言慷慨了许多,最低高度为200mm,而最高高度是310mm;文丘里管最浅(最靠近地面)处至少要有50mm的高度,换句话说,2022地板两侧有至少五厘米高的侧裙密封气流。扩散器的形状被规则设计成只能向上扩散车底的气流,而不是像以往那样可以往两侧扩散气流。
  • 橙色的体积是地板边缘翼面的参考体积,即RV-Floor-Edge。在该体积内可以设置几个空气动力学装置,用于管理流向扩散器与后轮之间的气流。
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RV-Floor-Body (浅蓝色)
  • 灰色的体积是地板进气栅的参考体积,即RV-Floor-Fence。规则允许在该体积内设置不超过4个的大尺寸涡流发生器(VG);每个VG之间的间距不得小于10mm;每片VG必须由一个连贯的曲面构成,且曲面的任意高度的水平切线与车身中轴的夹角必须为50度。
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RV-Floor-Fence(灰色)
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VG主要用于梳理前轮产生的湍流,并产生密封地板的涡流
  • 下面三张图分别标出了四个参考面积。地板从对应角度的投影面积必须大于参考面积。
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RS-Floor-Plan (红)
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RS-Floor-Mid (蓝绿色)即木板
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RS-Floor-Fence(蓝);RS-Floor-Rear(绿)

需要特别指出的一点是,每支车队关于地板的RV与RS是不相同的,因为RV和RS的定义参照的是赛车的轴距。下图是2022规则的附录 1.5的一部分,给读者感受一下规则文本有多绕。 比如,文本中出现XF=650,那意味着距离前轴向后650mm的点;XR=-350,等于在后轴之前350mm的点。

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按照文本描述逐条在CAD软件里建模,还是能跟得上思路的

这是我画的一个RS-Floor-Plan的草图。简而言之,长轴距的赛车比较短轴距的赛车,图中被我标出的区域的面积会更大,其他部分则一样。

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新规则的关注点——气动平衡

首先,平直地板的下压力系数曲线的形状,一般都长成下图中曲线的样子。平直地板有两个下压力峰值区域,一个在地板的最前沿,另一个则在扩散器的喉部。地板前沿的负压峰值,要大于扩散器喉部的负压峰值。故,2016-2021赛季,几乎所有F1赛车的地板的气动压力中心,都在静态重心之前。这种气动平衡,在中低速弯入弯的时候,会让前轴过载,车身偏向转向过度(oversteer);后轮滑动过多,导致轮胎消耗过快(rear-limited)。工程师对于地板本身是没什么办法的,只能利用前翼/尾翼的负载,车身的俯角(rake angle),悬架的调教,以达到理想的车身动态特性。

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平直地板 压力系数曲线

2022新规则允许工程师改变地板的形状,而工程师终于可以通过文丘里管的形状,直接优化地板的气动平衡。以下图为例:

  • 图中的虚线1 是地板的最低处,虚线2 是扩散器喉部。1与2之间的蓝色区域,可以是平直的(最大化下压力),也可以是倾斜的;1与2之间的距离,可以非常近(甚至重合),也可以非常远。
  • 扩散器喉部(虚线 2),可以布置在虚线b另一侧,最靠后可以在虚线c处。
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2022赛季 文丘里地板
  • 由于尾翼梁翼(BW Beam Wing)的存在,扩散器的末端会有一个负压峰值。与平直地板的下压力系数曲线相比,文丘里地板的下压力系数曲线多了一个峰值;文丘里地板的下压力系数曲线的形状,可以通过修改地板的几何形状进行调整,进而调整整车的气动平衡。
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紫色区域为负压峰值区域

简而言之,2022新赛车的地板下压力中心,比2021赛车的地板下压力中心更靠后。

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红色曲线是文丘里地板的下压力系数曲线(脑测)

更多的,我也想不出了。地板这一部分的设计,一定是被各支车队藏着掖着的核心机密,估计要等到一个月后的赛道实测,是骡子是马,拉出来溜溜才能见分晓。比如,这个所谓的文丘里地板,实际上会不会名不副实:如果追求最大的下压力,那地板两侧也仅仅只有5厘米高的挡板,而这样的挡板的密封效果,能不能比得上旧规则的涡流的密封效果,还是未知数。

尾翼

尾翼实在是让人提不起兴趣。我甚至觉得,官方还不如把除了BW之外的尾翼部件,也都列为统一规格的部件,还能削减一部分开支呢。新规则尾翼最显著的特征,就是水平翼面与竖直尾翼挡板之间连贯且圆润的过渡。这样的造型,让尾翼上表面只剩中间部分可以用于产生下压力。于是,目前有一个争论,那就是DRS还有没有存在的必要。规则中虽然留有了DPS的RV,但是新赛车的尾翼水平翼面所产生的下压力与阻力都十分有限,DRS带来的的收益也不会很显著。

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RV-RW

其实,布朗和西蒙斯设计的这个尾翼,主要的目的是利用流过尾翼-两侧挡板- BW围成的区域内的气流,将流出扩散器的气流向上抽起来,不让赛车的尾流干扰靠近地面的其他赛车。这个精心设计的尾翼整体的形状,会在竖直挡板外侧产生涡流;该涡流与同一侧扩散器流出的涡流的旋转方向一致,都是将气流往上方送。看看下面CFD模拟视频,我也不禁为布朗老狐狸的奇思妙想鼓掌。

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结语

新规则的地板与尾翼过于离经叛道,以至于我没有什么例子可以参考,也没有设计趋势能帮我做出预测。不过话又说回来了,我在收集资料的时候,读了跟多篇关于本世纪初美国Indycar 地效赛车的论文,也算是打开了眼界。正所谓太阳底下无新鲜事,文丘里地板的回归将开启F1的新篇章,未来充满了不确定性,但也不是完全陌生。我会在系列专栏的最后一篇文章中,谈谈我对新赛车的一些看法。希望能赶在二月十号,阿斯顿马丁新车发布之前,把这个系列完结。

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版权声明:网站导航 发表于 2022年8月15日 下午6:30。
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