
随着2022年规则的改变,破风板将不再出现在F1赛车上,而2021赛季随着底板规则的改变,下压力比2020年损失了15%-20%,但仍未见F1赛车的速度所有降低,甚至反而更快了,其中的原因之一就是破风板的贡献,2021赛季的F1赛车的破风板设计越来越复杂,但它们到底是如何工作的呢?
<h1 class="pgc-h-arrow-right" data-track="2">破风板的起源</h1>
破风板的起源可以追溯在1985赛季,当时的Lotus 97T和McLaren MP4/2B赛车的前胎后面都配备了类似的套件。当时的F1赛车宽度为2.15米,而车身宽度只有1.4米,而F1赛车自2017年以来一直保持了2米宽,赛车车身宽度为1.6米,更宽的赛车意味着前轮胎周围形成的扰流比以往更敏感。以前的F1赛车前胎也更小,赛车周围的扰流不像现在那么清晰和容易控制。
2010年,Bruno Senna试驾Lotus 97T
80年代,破风板并没有真正流行起来,只有Lotus 98T继续使用,但99T也丢弃了。然而,轮胎尾流管理空力套件从80年代末到90年代初被无处不在的前翼端板和延长脚板复制,这有助于捕捉“轮胎尾流”,并将其向外扩散或远离底板。在1994年伊莫拉惨剧(塞纳车祸)比赛周末之后,前胎周围增加了一个禁区,以禁止该地区的空力套件布设,该赛季晚些时候重新引入了破风板,特别是在威廉姆斯FW16B上。
1993年Williams FW15C的扩展前翼端板和脚板
90年代中期至2000年代初版本的破风板有两种流派:
使用放置在前悬架下方的小叶片,其后缘尽可能靠近规则允许的前胎内侧。
位于前轮后部和侧悬架前面的高叶片,但其前缘更靠近底盘,后缘延伸到底板的最外侧,上边缘向下倾斜;比如迈凯轮MP4/13和BAR002(见下文)。
以上两种概念都有不同的功能,更前置的破风板对前轮尾迹的影响更直接,后者设计对下部的好处更大。在2000-2010年的中后期,随着通过CFD进行的流场分析变得更加先进,赛车同时拥有以上两种方案的例子并不少见,最前方的破风板被更名为转叶片,以避免团队内部文档中的混淆。
BAR002的原理图显示了前轮后面的驳船板
<h1 class="pgc-h-arrow-right" data-track="14">破风板的空气动力学原理</h1>
说破风板的唯一目的是控制前轮胎尾迹对赛车中后部以及赛车底板造成极大的伤害,但可以说这是他们的原始功能。不同时期的赛车空力规则做了不同的限定,自1994年以来,赛车前胎周围有一个“禁区”,在这里不允许任何形式的空力套件的安装。2009年前,前胎周围的“空力禁区”要小得多,甚至2017年后,规则专门为破风板增加了更大的开发空间。
因此,从1995年到2008年,破风板可以非常靠近前胎,因此直接影响轮胎尾迹的形状。如破风板下图所示,在这种情况下,如上所述,更前向的破风板确实在创建气流外洗方面发挥了至关重要的作用,该外洗可以防止前轮胎尾流被拉入底板并被扩散器吸入。
驳船板对本田RA106前轮胎尾迹位置的影响
破风板的次要功能,可以说是更有益的功能是作为气流向下引流设备。破风板的宽高比(AR),宽高比是翼展与和弦的比率,
对于矩形机翼,其中b是跨度,c是和弦。由于宽高比低,破风板会产生强烈的尖端涡流,如循环(
)形成的涡流与“鼻翼”的跨度成反比,
由于这些强烈的涡流,破风板会产生许多“诱发性阻力”,这也与宽高比成反比,
其中e是一个效率系数,矩形机翼为0.7,椭圆机翼为1.0。
大量诱发性阻力通常是赛车的一个负面因素,然而,由此产生的涡流对赛车其他部分产生下压力以及提高整体空气动力学效应具有巨大的净收益,所以它们变得至关重要。上涡流可以增加气流流量和底板前缘的有效攻角,其目的为提高吸力峰值,以起到把底板周围的气流吸入底板,以增加底板上下的压力差,从而实现底板更高的下压力。
抵消上下涡流的好处是,随着向下空力组件的合并,底板边缘的气流下洗会进一步增加。看看2017-21年的破风板很容易看到其独特用途,上半部分旨在产生气流下洗,下半部分则直接产生下压力。
2008年雷诺R28底板下的破风板CFD仿真流线
2009年,为了“清理”前胎周围的气流,减少下压力,并减少F1赛车尾流的负面影响,规则发生了大幅变化,以降低破风板区域的效率。前胎周围增加了更大的设计禁区,这使得破风板的开发空间要小得多。虽然偏转叶片仍然存在,但它们只能在鼻锥下方,以减少它们对前轮胎尾迹的影响。然而,这让它们能够与新形成的Y250前翼涡旋相互作用,这是2009年规则变化的意外收获,该规则变化碰巧实现了破风板气流下洗的功能。其结果是前轮胎尾气区域的复杂程度要小得多,但损失的下压力比新版规则的预期要小得多。
丰田TF108(左)和TF109(右)的破风板和前轮胎尾迹的比较
前鼻翼的曲面和斜率意味着它具有高压侧和低压侧。车体和破风板的位置意味着它们后面的低压气流对赛车空气动力学的其他方面有影响。破风板所产生的一个低压区域,有助于降低底板前缘周围的压力,目的就是增加更多的下压力。
2009-2017年,空力规则在经历了九年之后,特别是自2014年引入v6涡轮增压混合动力单元以来,国际汽联启用了新的空气动力学规则。这意味着更大的赛车、更宽的轮胎、更大的尾部扩散器,以及由后掠翼和更大的破风板创造的、更具“侵略性”的造型;所有这些都旨在增加下压力,使比赛看起来更有吸引力,并降低圈速。必须说,这在很大程度上提高了超车难度,希望2022年规则的改变将得到纠正。由于破风板区域的面积大大增加,并且比赛车其余部分的车身空力套件设计的自由度更高,破风板成为一个关键的发展领域;有无数的叶片、条纹和回旋翼,从赛车两侧发芽。当2019年规则简化了前翼和前制动管道时,破风板的设计更加变本加厉,空气动力学复杂性再次增加。
Williams FW43B推出CAD的相对简单的破风板和侧脚架前缘叶片设计。
虽然驳船板已被名义上从规则中摘除,以便为2022年F1车型的“更干净”的线条让路,但它们的一些功能仍然保留在底板围栏上——国际汽联允许汽车在底板前部每侧最多有四个围栏。这些围栏本质上是更大规模的涡流发生器,它们的弧度有助于在车身下底板与地面之间的通道入口周围产生低压,以便产生更大的下压力。
因此,尽管破d板自1994年以来一直存在,但从2022年起,它们的作用将不再存在,但它们的功能正在被底板围栏取代。