誕生于1993年，歷史悠久的古德伍德速度節(jié)，是全英國(guó)第二大的汽車文化活動(dòng)，僅次于F1英國(guó)大獎(jiǎng)賽。通常在每年6月的某個(gè)周末在英國(guó)古德伍德小鎮(zhèn)舉辦。相比于其中最重頭的爬山賽，有那么一小撮人的目的則是看誰(shuí)能以最快的速度從山頂沖下來(lái)，他們就是肥皂盒重力賽車手。

肥皂盒重力賽，顧名思義，賽車手要把自己塞到一輛狹小的看起來(lái)像“肥皂盒”一樣的賽車?yán)锩妫瑳](méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)，完全由重力驅(qū)動(dòng)。在這里,使用輕質(zhì)材料車身及低阻力軸承的“肥皂盒”的最大車速能夠超過(guò)105km/h，而想成為一個(gè)優(yōu)秀的“肥皂盒”，關(guān)鍵就在于賽車受到的風(fēng)阻要盡可能的小。換句話說(shuō)，除去賽車手的駕駛水平，這是一項(xiàng)主要考驗(yàn)賽車氣動(dòng)設(shè)計(jì)的賽事。

一輛“肥皂盒”賽車的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，大致可以分為以下階段：

1. 賽道信息獲取

在設(shè)計(jì)的初期，需要使用GPS繪制賽道的地形圖，收集彎道幾何尺寸、起始點(diǎn)之間的海拔落差，用以確定車輛的重心、理論最大速度、路面阻力及風(fēng)阻帶來(lái)的能量損失，等等。

GPS測(cè)繪圖顯示了賽段的地形，圖中的黑色線段即為賽段路線

根據(jù)GPS測(cè)繪的數(shù)據(jù)，結(jié)合官方允許的車輛最大質(zhì)量限值135kg，在不考慮能量損耗的前提下，可以達(dá)到的最大速度接近130km/h，該速度將作為氣動(dòng)設(shè)計(jì)的參考速度。

2. 造型概念設(shè)計(jì)

官方允許的車輛外形只有兩種：“流線型（Streamliner）”和“敞篷型（Roadster）”。流線型的封閉式車體可以給與車手更安全的防護(hù)，同時(shí)更容易進(jìn)行風(fēng)阻的優(yōu)化，缺點(diǎn)是造價(jià)相對(duì)較高；敞篷型造價(jià)低廉，容易制造，對(duì)于車體材料輕量化的要求不高，但開(kāi)放式的駕駛艙對(duì)整車的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，且在事故中欠缺對(duì)于車手的保護(hù)。



敞篷型（Roadster）



流線型（Streamliner）
確定了基本車型后，需要從重心、迎風(fēng)面積、浸濕面積等方面對(duì)多種概念造型進(jìn)行初步篩選，保留其中的一種或幾種進(jìn)行下一步的分析。

3. 骨架及底盤(pán)設(shè)計(jì)

因?yàn)閲?yán)格的重量限制，“肥皂盒”賽車一般不采用懸架等傳統(tǒng)意義上的底盤(pán)設(shè)計(jì)，底盤(pán)和車身骨架融為一體，設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮車手的坐姿帶來(lái)的迎風(fēng)面積和車輛重心的變化、在賽事規(guī)定的車身紅線尺寸范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)者要盡力獲得更小的迎風(fēng)面積和更低的車輛重心。


法規(guī)模型限制區(qū)域

為了更方便地進(jìn)行賽車的合規(guī)性設(shè)計(jì)，通常會(huì)構(gòu)造一個(gè)“法規(guī)模型”，如上圖所示，白色的盒子區(qū)域代表賽車的外廓尺寸，灰色的區(qū)域代表輪軸距的范圍，紅色的平面則是車手視線的最低水平面。設(shè)計(jì)者利用這個(gè)模型，可以很直觀地在法規(guī)允許范圍內(nèi)優(yōu)化車架和底盤(pán)的設(shè)計(jì)。

4. 外造型CFD仿真分析

在前面的概念造型階段篩選下來(lái)的幾種不同的造型，會(huì)在這個(gè)階段里進(jìn)行CFD仿真計(jì)算，對(duì)比不同造型間的氣動(dòng)系數(shù)Cd、CL的差異，對(duì)造型進(jìn)行初步的優(yōu)化。


不同的“流線型”造型組合示例

如果計(jì)算資源有限，則可以考慮使用簡(jiǎn)化計(jì)算（忽略車輪、只計(jì)算半個(gè)車身）等方法更有效率地進(jìn)行此步驟。


車身壓力云圖（一半車身、無(wú)車輪）

5. 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

在這個(gè)階段，會(huì)基于CFD仿真計(jì)算確定的造型制作一個(gè)硬質(zhì)的車輛模型，進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，對(duì)整個(gè)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的外造型方案進(jìn)行最終的驗(yàn)證和調(diào)整。首先要搞定的問(wèn)題是確定車輛模型的縮比尺寸，最理想的肯定是1:1的實(shí)車比例，但如果這是一個(gè)低成本的項(xiàng)目（大部分參賽車隊(duì)的情況），設(shè)計(jì)者可能沒(méi)有在實(shí)車風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)算。這時(shí)候就需要在模型風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，隨之而來(lái)的就是各種問(wèn)題：模型實(shí)驗(yàn)如何保持與實(shí)車實(shí)驗(yàn)相同或相似的雷諾數(shù)？如何控制阻塞比在一個(gè)合理的范圍內(nèi)？模型如何與風(fēng)洞的移動(dòng)地面系統(tǒng)和天平系統(tǒng)進(jìn)行匹配和安裝……以上這些問(wèn)題互為掣肘，設(shè)計(jì)者需要在它們之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。


某模型風(fēng)洞頂置天平安裝方式及不同縮比尺寸的匹配度：
紅（25%）/藍(lán)（40%）/綠（50%）

確定模型的縮比尺寸后，就可以開(kāi)始進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)及制作，由于是氣動(dòng)設(shè)計(jì)的最終驗(yàn)證階段，該模型應(yīng)該體現(xiàn)盡量多的實(shí)車細(xì)節(jié)，如車輪、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等，以保證風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。


設(shè)計(jì)完成的“肥皂盒”賽車風(fēng)洞縮比模型

完成風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)后，整臺(tái)“肥皂盒”賽車的氣動(dòng)設(shè)計(jì)即告一段落，可交由其他團(tuán)隊(duì)進(jìn)行后續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。待實(shí)車制作完成，需進(jìn)行實(shí)際賽道路試，對(duì)整車的氣動(dòng)性能進(jìn)行確認(rèn)。