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F1賽車風(fēng)洞測試技術(shù)

2018-02-26 12:31:24·  
　
在F1賽車研發(fā)過程中，空氣動力學(xué)向來占有舉足輕重的地位，賽場上分毫的差距，更是反映了各車隊在空氣動力學(xué)調(diào)校方面的技術(shù)水平，在這其中，風(fēng)洞試驗扮演了重要的作用。本期曾老師講賽車系列，曾老師將給大家介紹F1賽車風(fēng)洞的相關(guān)技術(shù)。與乘用車不同，相對于氣動阻力，F(xiàn)1賽車更加注重考慮高速下的氣動升力，因此，F(xiàn)1賽車的空
在F1賽車研發(fā)過程中，空氣動力學(xué)向來占有舉足輕重的地位，賽場上分毫的差距，更是反映了各車隊在空氣動力學(xué)調(diào)校方面的技術(shù)水平，在這其中，風(fēng)洞試驗扮演了重要的作用。本期“曾老師講賽車”系列，曾老師將給大家介紹F1賽車風(fēng)洞的相關(guān)技術(shù)。
 
與乘用車不同，相對于氣動阻力，F(xiàn)1賽車更加注重考慮高速下的氣動升力，因此，F(xiàn)1賽車的空氣動力學(xué)性能必須妥善權(quán)衡下壓力與氣動阻力之間的關(guān)系。近年來受限于賽事規(guī)則和車隊運行經(jīng)費，相對于計算機仿真和賽道路試，F(xiàn)1賽車空氣動力學(xué)研究的大部分資金和精力都花在比例模型的風(fēng)洞試驗中。
一、F1賽事空氣動力學(xué)測試規(guī)則
若干年前，國際汽聯(lián)還允許F1賽車在全尺寸風(fēng)洞或特制的賽道上進行空氣動力學(xué)測試，測試時間也沒有任何限制。在此期間擁有風(fēng)洞的車隊一般24小時都在進行著風(fēng)洞測試，且風(fēng)速高達350km/h。甚至某些車隊有兩座以上風(fēng)洞和專用的測試賽道，如當(dāng)時的豐田汽車在歐洲就有2座專用的賽車風(fēng)洞。
豐田賽車風(fēng)洞
但是由于風(fēng)洞測試成本過高，除法拉利等土豪車隊外，多數(shù)車隊并沒有能力擔(dān)負(fù)高昂的測試成本，這導(dǎo)致每年有足夠資金開展風(fēng)洞測試的大車隊的平均圈速可以比小車隊快3-4秒，使得比賽的觀賞性下降，因此在2007年國際汽聯(lián)首次針對賽車的風(fēng)洞測試修改了賽事規(guī)則，全尺寸風(fēng)洞測試被完全禁止。
已經(jīng)消失的F1全尺寸風(fēng)洞測試
搭載傳感器陣列的賽車在賽道上進行測試
2016年國際汽聯(lián)針對F1賽車風(fēng)洞測試的規(guī)定為：每支車隊每年只能注冊使用一座風(fēng)洞進行測試，風(fēng)洞測試時間不得多于每周60小時，被測模型尺寸不得大于原車尺寸的60%，風(fēng)速不得大于180km/h，同時測試必須在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進行，在測試過程中只允許同時使用一個模型。每年針對全新空氣動力學(xué)套件的賽道測試僅限于國際汽聯(lián)統(tǒng)一組織的測試賽或自由練習(xí)賽。
測試工程師正在調(diào)整被測模型
極其嚴(yán)苛的風(fēng)洞測試規(guī)則限制了車隊的空氣動力學(xué)研發(fā)，導(dǎo)致不同車隊賽車之間的氣動性能差距更小，提高了比賽的觀賞性。
二、F1賽車風(fēng)洞
目前大多數(shù)F1車隊都有其自己專用的F1賽車風(fēng)洞，每個賽車風(fēng)洞的造價在六千萬至一億美元之間。相比乘用車風(fēng)洞，F(xiàn)1賽車風(fēng)洞有一些特別的地方。
法拉利F1車隊的賽車風(fēng)洞
豐田位于德國科隆的賽車風(fēng)洞
寶馬F1賽車風(fēng)洞
與乘用車風(fēng)洞相同的是，F(xiàn)1賽車風(fēng)洞一般也是回流式風(fēng)洞，安裝有邊界層抽吸系統(tǒng)、移動路面系統(tǒng)、測力天平、流場顯示設(shè)備、測壓設(shè)備等。
安裝在風(fēng)洞測試段內(nèi)的F1賽車模型
此圖有亮點
與乘用車風(fēng)洞最常見的五帶式地面模擬系統(tǒng)不同的是，F(xiàn)1賽車風(fēng)洞的地面模擬多為單帶系統(tǒng)（某些風(fēng)洞采用三帶系統(tǒng)），這是因為F1賽車更加注重地面邊界層帶來的影響。
F1賽車風(fēng)洞單帶式地面模擬系統(tǒng)
乘用車風(fēng)洞五帶式地面模擬系統(tǒng)
此外由于采用了單帶系統(tǒng)，其測試模型大多通過連桿懸掛在風(fēng)洞頂部，其氣動力天平也一般安裝在模型內(nèi)部，而不是像乘用車風(fēng)洞是通過地板下的裙邊約束系統(tǒng)固定的。
F1賽車風(fēng)洞頂部連桿式支撐機構(gòu)
F1賽車風(fēng)洞可視化試驗
三、風(fēng)洞測試模型
F1賽車的風(fēng)洞測試模型一般使用樹脂、碳纖維、航空鋁材等材料制成，其對細節(jié)的模擬程度很高，比如輪胎、剎車盤、翼片的形狀和安裝角度等。
馬諾車隊MNR1賽車用于風(fēng)洞測試的60% 縮比模型
F1賽車風(fēng)洞測試模型
F1賽車模型的翼片
由于F1賽車采用開放式駕駛室，賽車行駛過程中賽車手頭部和部分肩部是外露在氣流中，因此，相對于乘用車風(fēng)洞測試模型，F(xiàn)1賽車風(fēng)洞測試模型還需要安裝賽車手頭部模型，以更好的獲得實際賽車氣動特性。
用于F1風(fēng)洞測試的賽車手頭部模型
此外在F1賽車風(fēng)洞測試過程中，輪胎一般不會與實際賽車行駛時一樣緊緊的貼合在路面上，這將無法精確模擬輪胎變形對賽車氣動特性的影響，在一定程度上帶來了測量誤差。這主要是由于每支車隊每年用于測試的輪胎模型數(shù)量只有12套（由由賽車輪胎供應(yīng)商倍耐力提供），這也可以看做是國際汽聯(lián)對F1賽車風(fēng)洞測試的一種限制吧。
測試工程師正在進行模型車輪的更換工作
唉，規(guī)則年年變，不知道今年會不會白忙活了！
CAERI 視點
F1各車隊為了在有限的風(fēng)洞測試資源和測試時間中壓榨出更多的技術(shù)升級可謂是絞盡腦汁。盡管如今CFD仿真分析技術(shù)日趨發(fā)達，但是F1車隊的人力財力資源還是更多地向風(fēng)洞測試方面傾斜。
在F1賽場內(nèi)，由于車隊運營成本和技術(shù)差距等原因，雖然完全禁止F1風(fēng)洞測試的呼聲有愈演愈烈的趨勢，但仍然不能阻止某些財大氣粗的車隊繼續(xù)升級、擴建、甚至重建其F1賽車專用風(fēng)洞，這也可見風(fēng)洞測試在F1賽車研發(fā)中的地位。
本文作者：重慶中國汽研曾弈  
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