F1气动设计分析：赛车的整体平衡都与哪些空力套件有关？

如此严格的2022版F1气动规则仍然产生了赛车设计的多样性，真是让人叹为观止。曾经的雾里看花、水中望月让车迷感觉新规下，赛车的气动设计并没有简单化，通过两次冬测和前三站分站赛的比试，围场里各支车队之间孰优孰劣似乎已经通过赛车的气动设计能够看出一些端倪。新赛季，地面效应重新回归F1，文丘里底板能够产生不同于以往、更强大的负压，而该负压如何控制势必将成为赛车是否可以获得下压力的关键，除此之外，车身表面的气流和赛车整体的平衡也非常重要。本期内容我们将分析一下空力套件所产生的正压和负压是如何影响赛车整体平衡性的。

考虑到底板入口处的裙栅所产生的涡流及其影响，使得赛车整体的平衡性是下降的，从红牛的设计可见一斑。而影响赛车平衡的重点在于三个方面：第一，裙栅的曲率，裙栅曲率的大小增加了底板入口处下方的负压强度，同时也增加了底板边缘排除气流而形成的涡流强度；第二，底板入口面积，随着底板入口的截面积增加，底板前端的负压也会增加；第三，最内层裙栅与底板中心线之间的距离，根据文丘里效应的原理，距离越小，气流流速越快，所产生的负压越强。而对于赛车平衡性来说，赛车前倾力的强度会根据裙栅和底板前端的形状而变化。

这是梅赛德斯W13的底板，可以看出裙栅的曲率几乎没有，排出气流的位置靠近底板前缘，绿色部分的底板面积较大，这样的设计使得车队无法预料底板前端所产生的负压强度。

哈斯赛车的裙栅曲率很大，底板入口比较大，这使得进入底板下方的气流会突然变窄，在淡蓝色部分气流流速变快，这一区域的负压肯定会陡然增加，这样一来，底板前部的下压力也会随之提高。

从法拉利的裙栅曲率来看，其底板前部的设计与哈斯如出一辙。

红牛赛车的底板前部，如绿色箭头所指，从底板入口进入的气流较少，绿色箭头部分的空间变窄，气流流速也相对偏低，而RB18在红色箭头所指地方增加了一个凸起，此凸起会对底板下方的气流进行减速，所以红牛赛车的负压区域会更靠近底板的中部。

小编之前的视频详细介绍过红牛赛车的底板气动设计，底板下方的气流在图中最右侧蓝色圆圈凸起部位有过一次加速，在图中中间红色圆圈所指部位则有一次减速，最后在扩散器前的蓝色圆圈所指凸起部位再次进行一次加速。可以看出阿德里安.纽维的设计思路是通过拉大底板前后两个负压区之间的距离来降低赛车对于重心的敏感度，使得赛车进弯时发生前倾和直道上发生后倾更加容易，法拉利在此处的设计也是如出一辙，只不过底板前后两个负压区之间的距离要比红牛更近一些。

我们再来看一看梅赛德斯的底板。图中蓝色部分底板离地间隙较低的区域较长，从前面一直延伸到扩散器前方，这会使得赛车在底板的中后部形成过于强大的负压区域，中后部的负压区域占赛车整体负压的压倒性多数，这使得赛车的平衡性严重不足。

如果把底板内部的气流作为能量体考虑的话，红牛和法拉利会在底板前方部署40%的负压，在后方部署60%，而梅赛德斯则是前方20%，后方80%，当赛车刹车或者进弯时，梅赛德斯这样的负压配比很难让赛车前部获得足够的下压力。

接下来我们再来看一下底板裙栅所形成的涡流和侧厢之间的关系对于赛车的平衡性又有哪些影响。底板裙栅排出的气流可以产生了强大的涡流。所谓的涡流就是流动缓慢、正压的气流。在湿地条件下，是最能看出不同赛车底板边缘所产生涡流的不同之处。

首先来看看迈凯伦MCL36，底板边缘所产生的的涡流强度很大，同时还有部分涡流重新回到底板的上下两侧，这显然会对底板上下两侧的高速气流起到破坏作用。这可能是底板离地间隙过大而导致的。

而梅赛德斯W13也是如出一辙。

而法拉利F1-75的情况就要好很多，可以看出进入底板下方和侧厢底部的涡流很少，这是因为法拉利的底板离地间隙小，以及侧厢下方的通道也很小导致的。另外吹向后轮的涡流也较少，使得扩散器的效率也更高。

而红牛RB18，由于裙栅的曲率较小，使得裙栅所产生的涡流很小，而底板边缘的波浪形边条翼又可以起到抑制较强涡流，保留较小涡流的作用，这么做既避免了较强涡流重新回到底板上下两侧，同时也可以密封底板下方气流。不过这种涡流会在车身表面产生较大的正压，随着速度的提高，赛车的阻力也会增加。

那么正压和负压之间又是如何相互影响的呢？我做了一个简单的图来帮助理解。

赛车空力套件所产生的下压力会沿着流速快或空气浓的正压往速度慢或空气稀薄的负压方向迁徙。不是因为气流碰到阻挡而形成阻力，而是因为产生与前进方向相反的力而变成了阻力，负压和正压相互作用形成了赛车的整体平衡性。

接下来以CFD数据为基础，对三大车队赛车底板所形成的负压和正压区域进行分析。图中蓝色部分代表负压区域，红色部分代表正压区域。

从图中可以看出，法拉利F1-75是以侧厢进气口下方区域作为正压的中心点提供下压力。这个区域的正压不容易受到周围的乱流影响，很稳定。法拉利赛车所有正压区域和负压区域的分布更加均匀，且略微得靠后，这使得赛车的整体平衡略靠后。这种设计可以使赛车整体的平衡性有着出色的表现，而且在进弯时，赛车前部更容易获得下压力。

而红牛RB18用粗大的底板入口形成正压，用分布不均的底板入口裙栅和构造较为复杂的底板前部形成负压，这似乎与法拉利比较类似，而与法拉利赛车不同是可乐瓶区域以及底板后部的正压区域位于侧厢的上方，而法拉利的正压区域更靠近底板。虽然整体平衡性很好，但是和法拉利相比，侧厢进气口下方缺少正压区域，使得RB18的整体平衡更加靠近赛车中后部，这种设计会使赛车在进弯时更加容易发生因赛车中前部下压力缺失而导致的转向不足。

梅赛德斯高压区更靠近赛车尾部。因为扩散器后面有大的负压区域，以及可乐瓶区域更大的正压区域，W13赛车的整体平衡性更靠近赛车尾部，这样会导致头轻脚重的感觉，并且在赛车尾部容易出现过大的阻力，从数据上看，因为W13尾部的下压力过大，后悬挂更容易被压缩，所以会在250km/h的速度时就会触发海豚跳。

在对底板产生的负压和车身所产生的正压进行了分析之后，以上这些结论也与三辆赛车在赛道上不同的表现如出一辙。可以看出，要想让赛车的平衡性，尤其是在弯内的表现更好的话，侧厢进气口处的正压和文丘里底板入口下方的负压是赛车平衡性的重点。因此，要想产生合理的负压，侧厢的下切设计、底板裙栅的设计以及底板下方文丘里通道的形状是至关重要的。

较为弯曲的裙栅设计会使得在底板边缘排出的涡流强度会增强，如果涡流过于强大则会扰乱车身表面的气流流动，形成更大的正压，这种正压气流很难被控制，所以会导致赛车的平衡性变差。

而法拉利在底板边缘采用了边条翼的设计，正是为了在高速条件下所形成的形变而使涡流分崩离析，我们在以往的视频中介绍过，涡流的形成存在一个物理空间条件，就是空间的大小必须大于涡流的直径，否则涡流会被破坏，而边条翼的作用就是随着车速的提高而出现离地间隙变小，从而破坏更强大涡流的产生。

红牛没有弯曲的裙栅，本身就可以减少从底板边缘排出的涡流，而取而代之的是类似于去年的Z字型底板开口的设计思路，以通过Z字型出口处产生较小的涡流强度，不仅避免了较强的涡流导致赛车中后部的不稳定，同时又可以对底板下方气流起到密封作用。但是，这同时也带来了赛车前部的负压不足，以至于赛车整体的负压也不足而使得赛车的平衡性较差，这可以从RB18在中低速弯里的平衡性与法拉利相比较弱得知，但在不那么考验赛车平衡性的直道上却有更小的阻力。要知道空气动力学设计往往存在很多悖论，所以各支车队都采取了折中的设计思路，从原理上来说，也没有可能做到取其精华、去其糟粕。

而本赛季糟糕的梅赛德斯W13被强大的尾部负压所困扰，失去了赛车的整体平衡，可以基本断定，W13是一辆设计失败的赛车。作为成功的典范，F1-75则是根红苗正，它是围场里几乎可以做到完美平衡的赛车，过弯时赛车平衡靠前，而在直道上，赛车的平衡又比较靠后，这使得法拉利赛车在几乎所有特性的赛道上都能表现出竞争力。同时，梅赛德斯因为存在更高的赛车尾部阻力，使得赛车在车速较低时就会引发海豚跳，而更低速度的海豚跳对于赛车的平衡性又是灾难性的，但要想解决海豚跳，就必须抬高赛车的尾部，这样就会在赛车尾部造成负压不足，正压绰绰有余的恶性循环。

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