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2021年F1空气动力学预测分析

2019-05-11 00:25:41·  来源:中国汽研汽车风洞技术  
 
4月14日,2019F1中国大奖赛正赛在上海国际赛车场落幕。在这场精彩的比赛中,法拉利SF90的表现相对欠佳。前世界冠军尼科罗斯伯格在和法拉利车队成员交流后评论说
4月14日,2019F1中国大奖赛正赛在上海国际赛车场落幕。在这场精彩的比赛中,法拉利SF90的表现相对欠佳。前世界冠军尼科·罗斯伯格在和法拉利车队成员交流后评论说:“法拉利SF90对今年新空气动力学规则的解读侧重于低阻,但这一设计已经影响了SF90的整体平衡,比如说可能缺乏下压力的问题。”可见对于F1赛事规则的正确解读以及进行相应的空气动力学设计是非常重要的。2021年F1将迎来一次极端的规则改革,本期将从其发布的一款“India”概念车来略窥一二。

虽然今年的F1赛事在促进竞争的改革中取得了一些进展,但是车手们还是普遍抱怨跟车难,现在的F1在跟车时仍然丧失了50%的下压力。于是F1管理者就动脑筋,试图在两年内搞一个极端的规则改革,F1赛事总经理罗斯-布朗表示,他们给出的2021年概念车将在前车尾流中仅仅丧失5%的下压力。

Racefans的Craig Scarborough先生对罗斯-布朗团队近期发布的一款代号India的概念车做出了如下分析:

2021年F1新规终稿即将公布,FIA和自由媒体、FOM已经让罗斯-布朗领导技术研究小组去起草并进行科学研究。为了这个结论布朗的技术团队“跑”了很多仿真,只为达成两大目标:一是使跟车更容易,二是使各车队更势均力敌,减少开支并改善车辆外观审美。

该团队已经用CFD研究了一系列概念车,现在的模型叫“India”,显然这是第9版,因为“I”是字母表上第九位。在我们的山寨CFD“India”模型里,我们也可以窥见这项运动的发展方向,虽然我们简化了外形,可能导致丢掉一些重要结论。

首先,关键因素是布朗团队致力于减小车辆下压力产生的表面敏感性,然后减少前车产生的乱流。但按照现在车的外形这二者是相互矛盾的,因此新概念想方设法把下压力的产生丢给更大的底板通道,然后简化其它空气动力学组件来减少乱流,用一些特别的小东西梳理气流。

创造下压力

虽然“India”第一眼看起来很像现在的F1赛车,当然也有印地赛车的影子,但底板有很显著的改变。现在底板产生了大部分的气动载荷,前翼尾翼大大被削弱了。


现在F1底板在车中心附近有一个台阶,以此给扩散器留出空间,免受其它阻挡物造成敏感性影响。新车单体壳的底板和侧箱底部构成了一个平面,当然仍然有大木板,但两侧的通道变得更大了。最明显的改变是底板的前缘变成了一个抬起的文丘里进气口,里面有挡板充当气流隔板来控制气流顺利通过底板,以此通过地面效应改善下压力。

为了防止前翼的上洗扰乱底板的进气,在前悬架间有一个三角形的帆片把往上掀起的气流压下去,“喂”给底板通道。

1983年规则的一个余孽就是单体壳前部车手放腿的地方下面要求有东西固定底板前缘,因此这一规则导致了后来分流板/破风板的出现(也称茶盘)。现在这个造型要被剔除了,只为把这一部分空气完全交给底板去解决。


在后面看扩散器变得更长而且更高,但还远不至于完全实现地面效应把底板变成一大块扩散器,因为两边不够宽也没有侧裙来封闭两侧。

雷诺RE30B的全尺寸长度侧裙

罗斯-布朗团队看来相信底板文丘里效应对前车尾流更不敏感,而且它本身也同等程度的不产生乱流,所以这个方案显然最受青睐(虽然还必须等到正式认可)。除此之外,更厉害的是长长的底板在前后都产生比较均匀的下压力,让车辆前后的下压力平衡更容易实现。
在80年代,长长的地面效应通道结合侧裙密封住底板下的低压区非常有效。侧裙无形中贡献了巨大的下压力,但也使车辆对颠簸和路肩更敏感。这是因为侧裙无法接触地面导致低压区泄漏而不复存在。

因此,侧裙不会再次被引入“India”,但被一对后扩散器隔板代替,它们比车底板低得多,以此来密封扩散器。它们大概挂在底板下10多厘米,并且令人惊异的是他们固定在后刹车冷却管上,因此会随着悬架运动而运动,始终保持接近地面不受轮胎影响。通过这种方式翼片应该对密封底板很有效,同时避免了侧裙那种敏感性。


强劲扩散器遇到的另一个问题是后轮胎撞上高速空气产生了四溢的高压气体被吸到扩散器内部的低压区而破坏其表现,这个被称为“轮胎喷射”的问题在过去10多年已经得到了改善:通过异型底板部分、尾气吹散和后来出现的底板开槽边缘来解决。在“India”上显而易见的是曲折的扇形造型,完全抛弃了底板边缘槽、锯齿或附件的设计,这个造型在底板和轮胎间会压出一个气流来减少轮胎喷射的负面影响。

考虑到平衡车队实力和支出差距这一越来越迫切的需要,人们会想到这个扇形面外形应该成为一个自主设计的部件,还是统一交由第三方制造,或是根据FIA模板设计?

与底板变革相比,前翼尾翼的创新明显不是很大,前翼仍然在车宽2米范围内,尾翼变窄了一些。


前翼遵循布朗根据2019年规则改变所建立的路径,减少到只有3个元素,从鼻锥到端板延伸。这抛弃了“超车工作小组”2009年提出的中部清空、悬挂在抬起的鼻锥下的前翼概念。在前面的CFD图中你可能觉得前翼非常高,但那只是视觉误区,因为看到前轮抬起你就知道这是拍摄角度的原因,其实前翼的高度非常接近现有的情况。

不同寻常的是前翼被鼻锥分割,这像是对90年代初期F1的致敬,但这其实是减少乱流的小技巧。在2009年后的前翼上,鼻锥中心线两侧清空区域和前翼形状共同产生了著名的Y250涡流。这种促进外洗的把戏把前轮掀起的乱流冲到外面去,彻底堵死这一块的小聪明空间(谁知道办得到办不到),从而减少外洗并把车的尾流变得干净。


后轮尾翼则非常不寻常,因为它修剪过的外形跟现在独立两块端板固定翼片完全不同。这可能是出于审美考虑,但翼片上方缺乏端板会导致丢失下压力,产生翼尖涡流带来阻力。同时,尾翼看起来像是低T架尾翼的回归,在这种考量下,可以视为是底板的附属部件。在这个模型里,没有DRS,基本考虑是这些车即使没有它也可以“合理”的超车。

减少乱流

赛车的乱流已经被简化的前翼和底板下通道削弱了,但很大部分乱流来自于轮胎。看起来车迷和F1都很想保留“开轮”的特征,至少要有暴露的轮胎。这一次,布朗的团队仍旧根据2019年规则继续减少前车胎乱流。


首先,有了轮罩,用平板封闭了轮子的外侧表面,还不确定这是固定的,还是随着轮子转动,但这会极大的减少流经外侧空气产生的乱流,同时不违反开轮的理念。这种情况下的刹车冷却还没有方案,至少从目前的这个概念图看不出来。也许刹车热量从内侧带出。值得注意的是,制动管还有今年被禁用的下部转向叶片,这是为了帮助清理沿内侧制动管流动的轮胎尾流。

另一个管理轮胎尾流的设计是安装在轮胎顶部的“叶片”。这一小块车身将减少轮胎尾流的巨大影响,因为它可以延迟轮胎后气流的撕裂。虽然有些人可能说这很不“F1”,因为它部分覆盖了轮胎。

随着更清洁的轮胎尾流和Y250涡流的消失,前翼端板外洗效果的减少和侧箱隔板的缺失都意味着无论什么前轮乱流都会被拉进紧凑的可乐瓶区域而非被推到后轮外侧,这会为后车创造较窄的乱流区,让后车更容易接近。

其它特征

除了以上总结的下压力和乱流管理技巧,还有其它不太明显的细节也暗示这些车会开始变得更差异化。与此同时,还有更多疑问藏在外壳内。


自从2012年F1的鼻锥被规则要求降低高度并保留一块限制开发的方形区域,开始是阶梯鼻,2014年变成指头鼻,现在是拇指鼻。新概念车仍然保留着长而低垂的鼻锥,但鼻尖不再令人尴尬,所以我们很有希望未来可以看到一辆更好看的车。

自从90年代末以来,底盘的保留区域即鼻锥的连接处一直保持着方正的矩形,现在从这款概念车可以看到这里已经变得更加圆滑,也许新规则在这里会变得更不明确,因此可能会有更多吸引人的设计出现。

此外,一块小鲨鱼鳍也在CFD模型里出现,这种尺寸和形状肯定会帮助过弯时尾翼稳定工作,同时增加一些视觉上有趣的元素。

看起来侧箱是“India”车上考虑最少的区域,它看起来是传统的中置进气道、特定的引导形状。看起来并没有侧面防撞装置嵌入外形,一种可能是这是一个早期的迭代版本,也有可能是这些连接到单体壳上的翼梁还有待改变。

在外壳底下,动力单元预期将发生重大变化,但更激进的引擎/ERS形式应该不会出现。

其它统一的设计部件如刹车卡钳、刹车盘和盘状材料,羊角和轮毂相对明确了外形,但主动悬架和电子后视镜等尚未明确。

结语

通过对India概念车进行分析,发现:车的外观、轮罩和轮胎“刃片”的有效性还有分歧,而且,最大轴距和重量还会被规则具体限定。

不过,既然F1首次提出了一套经过适当设想、研究和验证的规则,那这些规则应该会和赛车的性能匹配。

2021年F1究竟会给车迷带来哪些惊喜,拭目以待!
 
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