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赛车上的空气动力学-F1的“鼻孔”

2018-03-19 22:41:20·  
　
虽然奔驰这次带来的S-duct鼻锥引起了人们的关注，但在赛车鼻锥内设置通气导管并不是什么新的想法。英国莲花汽车的传奇设计师柯林查普曼在上世纪80年代的Lotus 80赛车上使用了这个设计，以增大赛车的下压力。
虽然奔驰这次带来的S-duct鼻锥引起了人们的关注，但在赛车鼻锥内设置通气导管并不是什么新的想法。英国莲花汽车的传奇设计师柯林·查普曼在上世纪80年代的Lotus 80赛车上使用了这个设计，以增大赛车的下压力。
莲花Lotus 80赛车
柯林·查普曼通过在赛车鼻锥内设置通气管道，诱导鼻锥下方的气流，以便在鼻锥下方产生低压区。另外为了增大地面效应，进一步提高赛车下压力，他还设计了前翼和鼻锥裙边，如下图所示。
柯林·查普曼的设计（上：前翼；下：鼻锥裙边）
在几次试验后，柯林·查普曼选择只保留鼻锥裙边，认为这样是最好的方案，但莲花车队的赛车手却不这么认为，因为鼻锥裙边很容易与地面失去接触，导致前轮失去下压力。
莲花Lotus 80赛车
法拉利 F2008赛车
2008年，当时法拉利推出了全新的F1概念车F2008，这款车在鼻锥上方和下方开有出口，在鼻锥内设置通气导管。这种“鼻锥开孔”的方式旨在将前翼和鼻锥底部的高压气流诱导到鼻锥上方。
法拉利发现正常情况下鼻锥阻碍了前翼表面气流的流动，这降低了前翼的效率，并且会在鼻锥下方产生了高压区，增加前轮升力。如下图所示。
法拉利的空气动力学团队通过鼻锥内的S型导管将鼻锥底部的高压气流导向鼻锥上方，这既减小了鼻锥下方的高压区，也增大了前翼表面气流速度，进一步提高了赛车下压力。并且这也给后翼创造了更均匀的来流，提高后翼的效率和行驶稳定性。
从下图可看到法拉利“鼻孔”的出口，分成上下两个出口有助于出口气流更好的与已经流过车身的气流融合，降低车身周围湍流度。
鼻锥上方的出气口
鼻锥下方的进气口
虽然“鼻锥开孔”对增大赛车下压力是有利的，但也在一定程度上增加了气动阻力。
虽然“鼻锥开孔”从原理上来看对增加赛车下压力非常有利，但从实际安装情况来看却有一些缺点。“入口”的位置必须精确的与前翼和襟翼的角度相匹配。换句话说，空气流经前翼前，必须找到流向“鼻孔”的方向，如果前翼角度过小，空气将会冲过“鼻孔”，如果角度过大，空气又到不了“鼻孔”位置。同时在这两种情况下，鼻锥开孔的设计将会导致赛车气动阻力增加，而赛车的下压力与鼻锥不开孔的情况几乎是一样的。
这就是为什么法拉利决定只在那些对下压力要求很高的赛道中使用这一设计的原因。因为这些赛道上，很小的下压力差距就可以决定比赛的胜负。
增加的三角斜翼
此后法拉利的空气动力学团队做了一些改善，在鼻锥下方进口的每一边安装了三角形的斜翼，增加空气通道效应。翼面有助于推动空气向上流动，增强底部孔的效率。因此在下压力上会更好，尽管这增加了气动阻力。
奔驰W07赛车
奔驰在今年推出的W07赛车上的S-duct设计思路与法拉利F2008赛车的相类似，都是减小鼻锥下方的区域，提高前翼表面的来流速度，增加赛车下压力。
但奔驰S-duct的进气口设置在前翼板下方肿块的正后方，可使得进入进气口的气流最大。
奔驰S-duct进气口和出气口
奔驰S-duct内气流流动示意
CAERI 视点：
在F1赛场上，增加赛车下压力，提高弯道速度和高速下的稳定性始终是比赛制胜的法宝，各大赛车队也会持续在F1规则允许范围内，通过各种空气动力学套件提高比赛成绩。本期为“汽车空气动力学”公众号推出“赛车上的空气动力学”第一期，后续将会持续对赛车上的空气动力学套件和原理进行解读分析，敬请期待！  
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