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F1赛车风洞测试技术

2018-02-26 12:31:24·  
　
在F1赛车研发过程中，空气动力学向来占有举足轻重的地位，赛场上分毫的差距，更是反映了各车队在空气动力学调校方面的技术水平，在这其中，风洞试验扮演了重要的作用。本期曾老师讲赛车系列，曾老师将给大家介绍F1赛车风洞的相关技术。与乘用车不同，相对于气动阻力，F1赛车更加注重考虑高速下的气动升力，因此，F1赛车的空
在F1赛车研发过程中，空气动力学向来占有举足轻重的地位，赛场上分毫的差距，更是反映了各车队在空气动力学调校方面的技术水平，在这其中，风洞试验扮演了重要的作用。本期“曾老师讲赛车”系列，曾老师将给大家介绍F1赛车风洞的相关技术。
 
与乘用车不同，相对于气动阻力，F1赛车更加注重考虑高速下的气动升力，因此，F1赛车的空气动力学性能必须妥善权衡下压力与气动阻力之间的关系。近年来受限于赛事规则和车队运行经费，相对于计算机仿真和赛道路试，F1赛车空气动力学研究的大部分资金和精力都花在比例模型的风洞试验中。
一、F1赛事空气动力学测试规则
若干年前，国际汽联还允许F1赛车在全尺寸风洞或特制的赛道上进行空气动力学测试，测试时间也没有任何限制。在此期间拥有风洞的车队一般24小时都在进行着风洞测试，且风速高达350km/h。甚至某些车队有两座以上风洞和专用的测试赛道，如当时的丰田汽车在欧洲就有2座专用的赛车风洞。
丰田赛车风洞
但是由于风洞测试成本过高，除法拉利等土豪车队外，多数车队并没有能力担负高昂的测试成本，这导致每年有足够资金开展风洞测试的大车队的平均圈速可以比小车队快3-4秒，使得比赛的观赏性下降，因此在2007年国际汽联首次针对赛车的风洞测试修改了赛事规则，全尺寸风洞测试被完全禁止。
已经消失的F1全尺寸风洞测试
搭载传感器阵列的赛车在赛道上进行测试
2016年国际汽联针对F1赛车风洞测试的规定为：每支车队每年只能注册使用一座风洞进行测试，风洞测试时间不得多于每周60小时，被测模型尺寸不得大于原车尺寸的60%，风速不得大于180km/h，同时测试必须在标准大气压下进行，在测试过程中只允许同时使用一个模型。每年针对全新空气动力学套件的赛道测试仅限于国际汽联统一组织的测试赛或自由练习赛。
测试工程师正在调整被测模型
极其严苛的风洞测试规则限制了车队的空气动力学研发，导致不同车队赛车之间的气动性能差距更小，提高了比赛的观赏性。
二、F1赛车风洞
目前大多数F1车队都有其自己专用的F1赛车风洞，每个赛车风洞的造价在六千万至一亿美元之间。相比乘用车风洞，F1赛车风洞有一些特别的地方。
法拉利F1车队的赛车风洞
丰田位于德国科隆的赛车风洞
宝马F1赛车风洞
与乘用车风洞相同的是，F1赛车风洞一般也是回流式风洞，安装有边界层抽吸系统、移动路面系统、测力天平、流场显示设备、测压设备等。
安装在风洞测试段内的F1赛车模型
此图有亮点
与乘用车风洞最常见的五带式地面模拟系统不同的是，F1赛车风洞的地面模拟多为单带系统（某些风洞采用三带系统），这是因为F1赛车更加注重地面边界层带来的影响。
F1赛车风洞单带式地面模拟系统
乘用车风洞五带式地面模拟系统
此外由于采用了单带系统，其测试模型大多通过连杆悬挂在风洞顶部，其气动力天平也一般安装在模型内部，而不是像乘用车风洞是通过地板下的裙边约束系统固定的。
F1赛车风洞顶部连杆式支撑机构
F1赛车风洞可视化试验
三、风洞测试模型
F1赛车的风洞测试模型一般使用树脂、碳纤维、航空铝材等材料制成，其对细节的模拟程度很高，比如轮胎、刹车盘、翼片的形状和安装角度等。
马诺车队MNR1赛车用于风洞测试的60% 缩比模型
F1赛车风洞测试模型
F1赛车模型的翼片
由于F1赛车采用开放式驾驶室，赛车行驶过程中赛车手头部和部分肩部是外露在气流中，因此，相对于乘用车风洞测试模型，F1赛车风洞测试模型还需要安装赛车手头部模型，以更好的获得实际赛车气动特性。
用于F1风洞测试的赛车手头部模型
此外在F1赛车风洞测试过程中，轮胎一般不会与实际赛车行驶时一样紧紧的贴合在路面上，这将无法精确模拟轮胎变形对赛车气动特性的影响，在一定程度上带来了测量误差。这主要是由于每支车队每年用于测试的轮胎模型数量只有12套（由由赛车轮胎供应商倍耐力提供），这也可以看做是国际汽联对F1赛车风洞测试的一种限制吧。
测试工程师正在进行模型车轮的更换工作
唉，规则年年变，不知道今年会不会白忙活了！
CAERI 视点
F1各车队为了在有限的风洞测试资源和测试时间中压榨出更多的技术升级可谓是绞尽脑汁。尽管如今CFD仿真分析技术日趋发达，但是F1车队的人力财力资源还是更多地向风洞测试方面倾斜。
在F1赛场内，由于车队运营成本和技术差距等原因，虽然完全禁止F1风洞测试的呼声有愈演愈烈的趋势，但仍然不能阻止某些财大气粗的车队继续升级、扩建、甚至重建其F1赛车专用风洞，这也可见风洞测试在F1赛车研发中的地位。
本文作者：重庆中国汽研曾弈  
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