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賽車上的空氣動力學(xué)-F1的“鼻孔”

2018-03-19 22:41:20·  
　
雖然奔馳這次帶來的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。英國蓮花汽車的傳奇設(shè)計師柯林查普曼在上世紀80年代的Lotus 80賽車上使用了這個設(shè)計，以增大賽車的下壓力。
雖然奔馳這次帶來的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。英國蓮花汽車的傳奇設(shè)計師柯林·查普曼在上世紀80年代的Lotus 80賽車上使用了這個設(shè)計，以增大賽車的下壓力。
蓮花Lotus 80賽車
柯林·查普曼通過在賽車鼻錐內(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)，進一步提高賽車下壓力，他還設(shè)計了前翼和鼻錐裙邊，如下圖所示。
柯林·查普曼的設(shè)計（上：前翼；下：鼻錐裙邊）
在幾次試驗后，柯林·查普曼選擇只保留鼻錐裙邊，認為這樣是最好的方案，但蓮花車隊的賽車手卻不這么認為，因為鼻錐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有出口，在鼻錐內(nèi)設(shè)置通氣導(dǎo)管。這種“鼻錐開孔”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，這降低了前翼的效率，并且會在鼻錐下方產(chǎn)生了高壓區(qū)，增加前輪升力。如下圖所示。
法拉利的空氣動力學(xué)團隊通過鼻錐內(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，分成上下兩個出口有助于出口氣流更好的與已經(jīng)流過車身的氣流融合，降低車身周圍湍流度。
鼻錐上方的出氣口
鼻錐下方的進氣口
雖然“鼻錐開孔”對增大賽車下壓力是有利的，但也在一定程度上增加了氣動阻力。
雖然“鼻錐開孔”從原理上來看對增加賽車下壓力非常有利，但從實際安裝情況來看卻有一些缺點。“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，空氣流經(jīng)前翼前，必須找到流向“鼻孔”的方向，如果前翼角度過小，空氣將會沖過“鼻孔”，如果角度過大，空氣又到不了“鼻孔”位置。同時在這兩種情況下，鼻錐開孔的設(shè)計將會導(dǎo)致賽車氣動阻力增加，而賽車的下壓力與鼻錐不開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下壓力要求很高的賽道中使用這一設(shè)計的原因。因為這些賽道上，很小的下壓力差距就可以決定比賽的勝負。
增加的三角斜翼
此后法拉利的空氣動力學(xué)團隊做了一些改善，在鼻錐下方進口的每一邊安裝了三角形的斜翼，增加空氣通道效應(yīng)。翼面有助于推動空氣向上流動，增強底部孔的效率。因此在下壓力上會更好，盡管這增加了氣動阻力。
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，提高前翼表面的來流速度，增加賽車下壓力。
但奔馳S-duct的進氣口設(shè)置在前翼板下方腫塊的正后方，可使得進入進氣口的氣流最大。
奔馳S-duct進氣口和出氣口
奔馳S-duct內(nèi)氣流流動示意
CAERI 視點：
在F1賽場上，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，各大賽車隊也會持續(xù)在F1規(guī)則允許范圍內(nèi)，通過各種空氣動力學(xué)套件提高比賽成績。本期為“汽車空氣動力學(xué)”公眾號推出“賽車上的空氣動力學(xué)”第一期，后續(xù)將會持續(xù)對賽車上的空氣動力學(xué)套件和原理進行解讀分析，敬請期待！  
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