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2022,再見,破風闆破風闆的起源破風闆的空氣動力學原理

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随着2022年規則的改變,破風闆将不再出現在F1賽車上,而2021賽季随着底闆規則的改變,下壓力比2020年損失了15%-20%,但仍未見F1賽車的速度所有降低,甚至反而更快了,其中的原因之一就是破風闆的貢獻,2021賽季的F1賽車的破風闆設計越來越複雜,但它們到底是如何工作的呢?

<h1 class="pgc-h-arrow-right" data-track="2">破風闆的起源</h1>

破風闆的起源可以追溯在1985賽季,當時的Lotus 97T和McLaren MP4/2B賽車的前胎後面都配備了類似的套件。當時的F1賽車寬度為2.15米,而車身寬度隻有1.4米,而F1賽車自2017年以來一直保持了2米寬,賽車車身寬度為1.6米,更寬的賽車意味着前輪胎周圍形成的擾流比以往更敏感。以前的F1賽車前胎也更小,賽車周圍的擾流不像現在那麼清晰和容易控制。

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2010年,Bruno Senna試駕Lotus 97T

80年代,破風闆并沒有真正流行起來,隻有Lotus 98T繼續使用,但99T也丢棄了。然而,輪胎尾流管理空力套件從80年代末到90年代初被無處不在的前翼端闆和延長腳闆複制,這有助于捕捉“輪胎尾流”,并将其向外擴散或遠離底闆。在1994年伊莫拉慘劇(塞納車禍)比賽周末之後,前胎周圍增加了一個禁區,以禁止該地區的空力套件布設,該賽季晚些時候重新引入了破風闆,特别是在威廉姆斯FW16B上。

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1993年Williams FW15C的擴充前翼端闆和腳闆

90年代中期至2000年代初版本的破風闆有兩種流派:

使用放置在前懸架下方的小葉片,其後緣盡可能靠近規則允許的前胎内側。

位于前輪後部和側懸架前面的高葉片,但其前緣更靠近底盤,後緣延伸到底闆的最外側,上邊緣向下傾斜;比如邁凱輪MP4/13和BAR002(見下文)。

以上兩種概念都有不同的功能,更前置的破風闆對前輪尾迹的影響更直接,後者設計對下部的好處更大。在2000-2010年的中後期,随着通過CFD進行的流場分析變得更加先進,賽車同時擁有以上兩種方案的例子并不少見,最前方的破風闆被更名為轉葉片,以避免團隊内部文檔中的混淆。

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BAR002的原理圖顯示了前輪後面的駁船闆

<h1 class="pgc-h-arrow-right" data-track="14">破風闆的空氣動力學原理</h1>

說破風闆的唯一目的是控制前輪胎尾迹對賽車中後部以及賽車底闆造成極大的傷害,但可以說這是他們的原始功能。不同時期的賽車空力規則做了不同的限定,自1994年以來,賽車前胎周圍有一個“禁區”,在這裡不允許任何形式的空力套件的安裝。2009年前,前胎周圍的“空力禁區”要小得多,甚至2017年後,規則專門為破風闆增加了更大的開發空間。

是以,從1995年到2008年,破風闆可以非常靠近前胎,是以直接影響輪胎尾迹的形狀。如破風闆下圖所示,在這種情況下,如上所述,更前向的破風闆确實在建立氣流外洗方面發揮了至關重要的作用,該外洗可以防止前輪胎尾流被拉入底闆并被擴散器吸入。

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駁船闆對本田RA106前輪胎尾迹位置的影響

破風闆的次要功能,可以說是更有益的功能是作為氣流向下引流裝置。破風闆的寬高比(AR),寬高比是翼展與和弦的比率,

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對于矩形機翼,其中b是跨度,c是和弦。由于寬高比低,破風闆會産生強烈的尖端渦流,如循環(

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)形成的渦流與“鼻翼”的跨度成反比,

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由于這些強烈的渦流,破風闆會産生許多“誘發性阻力”,這也與寬高比成反比,

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其中e是一個效率系數,矩形機翼為0.7,橢圓機翼為1.0。

大量誘發性阻力通常是賽車的一個負面因素,然而,由此産生的渦流對賽車其他部分産生下壓力以及提高整體空氣動力學效應具有巨大的淨收益,是以它們變得至關重要。上渦流可以增加氣流流量和底闆前緣的有效攻角,其目的為提高吸力峰值,以起到把底闆周圍的氣流吸入底闆,以增加底闆上下的壓力差,進而實作底闆更高的下壓力。

抵消上下渦流的好處是,随着向下空力元件的合并,底闆邊緣的氣流下洗會進一步增加。看看2017-21年的破風闆很容易看到其獨特用途,上半部分旨在産生氣流下洗,下半部分則直接産生下壓力。

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2008年雷諾R28底闆下的破風闆CFD仿真流線

2009年,為了“清理”前胎周圍的氣流,減少下壓力,并減少F1賽車尾流的負面影響,規則發生了大幅變化,以降低破風闆區域的效率。前胎周圍增加了更大的設計禁區,這使得破風闆的開發空間要小得多。雖然偏轉葉片仍然存在,但它們隻能在鼻錐下方,以減少它們對前輪胎尾迹的影響。然而,這讓它們能夠與新形成的Y250前翼渦旋互相作用,這是2009年規則變化的意外收獲,該規則變化碰巧實作了破風闆氣流下洗的功能。其結果是前輪胎尾氣區域的複雜程度要小得多,但損失的下壓力比新版規則的預期要小得多。

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豐田TF108(左)和TF109(右)的破風闆和前輪胎尾迹的比較

前鼻翼的曲面和斜率意味着它具有高壓側和低壓側。車體和破風闆的位置意味着它們後面的低壓氣流對賽車空氣動力學的其他方面有影響。破風闆所産生的一個低壓區域,有助于降低底闆前緣周圍的壓力,目的就是增加更多的下壓力。

2009-2017年,空力規則在經曆了九年之後,特别是自2014年引入v6渦輪增壓混合動力單元以來,國際汽聯啟用了新的空氣動力學規則。這意味着更大的賽車、更寬的輪胎、更大的尾部擴散器,以及由後掠翼和更大的破風闆創造的、更具“侵略性”的造型;所有這些都旨在增加下壓力,使比賽看起來更有吸引力,并降低圈速。必須說,這在很大程度上提高了超車難度,希望2022年規則的改變将得到糾正。由于破風闆區域的面積大大增加,并且比賽車其餘部分的車身空力套件設計的自由度更高,破風闆成為一個關鍵的發展領域;有無數的葉片、條紋和回旋翼,從賽車兩側發芽。當2019年規則簡化了前翼和前制動管道時,破風闆的設計更加變本加厲,空氣動力學複雜性再次增加。

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Williams FW43B推出CAD的相對簡單的破風闆和側腳架前緣葉片設計。

雖然駁船闆已被名義上從規則中摘除,以便為2022年F1車型的“更幹淨”的線條讓路,但它們的一些功能仍然保留在底闆圍欄上——國際汽聯允許汽車在底闆前部每側最多有四個圍欄。這些圍欄本質上是更大規模的渦流發生器,它們的弧度有助于在車身下底闆與地面之間的通道入口周圍産生低壓,以便産生更大的下壓力。

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是以,盡管破d闆自1994年以來一直存在,但從2022年起,它們的作用将不再存在,但它們的功能正在被底闆圍欄取代。

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