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【伪技术基础】2022赛季次世代赛车性能瞎逼逼

底盘总监Montecchi

F1赛车区原创作者 ·2021-07-14 10:23

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前言放屁

本文主体部分来自于F1-technical论坛对于2022赛季赛车的空气动力学分析，目前的草稿的粗糙程度足以和文章中使用的赛车风洞模型相提并论。

由于赛车的空气动力学表现不仅仅取决于赛车外在的包裹形式，也取决于赛车内部的机械机构以及轮胎形变对于赛车周身气流的影响，因此对于赛车的空气动力学探索并不会局限于原文所提及的CFD结论。文章会添加本次技改中对于赛车气动设计造成影响的规则介绍。考虑到这一因素，文章所呈现的内容和原作精神已经发生了较大出入，丝毫不注意翻译信达雅的标准，基本可以理解为神罗和罗马帝国的关系。（并且大概率就是巨坑，因此先发在鸟不拉屎的法区做草稿）

结论：

CFD的结果表明：整车的下压力相对于2019/20赛季下降不足10%。赛车的特性倾向于转向过度，阻力水平相较于过去的技术规则显著提升。气动规则的改变将会导致赛车平均每圈损失1.86秒。

阿里森等人对于轮胎规则变化对于圈速损失估计是2秒/圈，如果结合上述1.86秒的圈速损失，则预计2022年赛车平均圈速会慢4秒左右，大致回归到2016年的圈速水平。

补充：关于新赛车的圈速估计，已经出现多个版本了，从一开始的慢5秒，3秒，到最新西蒙兹的只慢点5的惊人数字，总归FIA自己模拟的数据结果只能作为一个参考。2017年空力升级模型测试说能提升5秒，而现实2017年的提升幅度只有2秒而已。西蒙兹的说法提示2022技术规则已经有车队在卡bug了，所获取的收益非常巨大，但不能保证会不会被禁止使用，有相当的技术研发风险。此外对于圈速的估计是建立在非常理想的路况下的，在地面效应无法发挥作用的路段，时间的损失是巨大的，例如慢速弯角或者颠簸路段。

2022赛季次世代赛车技术规则变化简介

1、底盘气动规则变化

地面效应的回归的目的旨在降低赛车对于翼面产生下压力的依赖，原因是后者产生下压力的代价是乱流对于后车跟车的负面作用。根据规则，新款赛车在底板前缘安装文丘里管，气流在文丘里管内被压缩从而制造低压区。不同于70年代通过安装滑动裙实现地面效应的原理不同，新一代赛车地面效应的产生依赖于底部鳍片减少乱流。

2、车身规则变化

车身规则的变化概括起来是简化气动部件，重新使用后横梁翼。

赛车前部：前翼端板类似于现代民航客机的翼尖上翘，赛车鼻翼数量从5片将至4片，连接方式类似于上世纪90年代赛车前翼，该种前翼格式可以防止外洗气流产生。

赛车中部：由迈凯轮车队首次引入的破风板设计将会成为历史，原先用于梳理前轮乱流的肩翼也将一并消失。在先前技术规则中，破风板以及侧箱区域成为气动研发的重点区域，用于理清或者外洗前轮以及悬挂乱流，为底板喂食气流。

（全部木大了！）

赛车尾部：尾翼重新设计，在2013年最后一次出现的下横梁翼（第二尾翼重新出现）

3、机械规则变化

悬挂：简化悬挂与车身连接方式。当前围场主流的悬挂方案基本参考自梅奔的悬挂格式（图为17年设计）：即抬高上下叉臂的推杆格式，这里下叉臂的安放位置甚至已经到达轮毂的中央。这个格式在轮毂上延长安装点，悬挂并非直接安装在车轮内的轮毂。

相较之下，法拉利的刹车导管与悬挂布局是非常保守的设计

此外液压悬挂被取缔，仅可使用弹簧和阻尼器可以控制刚度，并且悬架上的惰轮也被禁止了。

4、轮胎规则变化

18英寸轮胎和更大更重的制动轮毂，前轮的宽度减少到270毫米，后轮宽度保持不变。

赛车气动特性（扯犊子）

表面压力分布是一种可视化汽车特定区域空气动力学效应的方法。这可以无量纲化为“压力系数”（或 CP：Coefficient of Pressure）；在CFD图像中，较冷的颜色倾向于显示低压区，而较热的颜色表示高压区。

模型特征

F1-technical比较了2021 年规则设计的 F1 赛车与前威廉姆斯工程师 Perrin 提供的F1 模型的空气动力学特性，所使用的计算工具包括带有 RANS 求解器和 k-omegaSST 湍流模型的 Ansys CFX 。这项研究将赛车的行驶高度（ride hight）设置为 5 毫米，后轴为 93 毫米。风速设置为 50 米/秒（180 公里/小时）。

和之前使用 Perrin 模型的研究一样，该汽车没有内部流动来帮助减少网格计数；气流从侧箱进气口排出。研究所使用的网格数大约是 F1 车队将要运行的数量的 1/5。此外，研究也许并没有考虑将侧滑这一车身动态纳入到考虑范围。

CFD的结果显示：2022赛车实现的下压力略高于预期，和 2019/20 年赛车相比，下压力的平均损失为10%以内；然而赛车的阻力水平显著高于2019年的赛车（dCx = 0.31，比普通家用车的阻力系数大），预计由于赛车由于气动效果导致的时间损失是1.86秒。但需要特别指出的是这款Perrin 提供的赛车模型在设计上存在诸多的缺陷，并且显著低估了赛车下压力可供挖掘的设计空间。

阻力增加

更大直径的轮毂是阻力增加的重要原因，其直径670 毫米增加到了725 毫米，而相对于 2019/20 赛车，更长和更宽的尾翼的阻力也有相当大的增加。同时直观上产生地面效应的文丘里管不会产生过多阻力的观点在风洞中被证明是错误的。文丘里底板的前缘是产生阻力的重点区域，同时也是产生下压力的重点区域。

底盘下压力分布：前置的气动重心

比较2019/20年车型和22年的底板下压力分布的差异可以发现：22年赛车的压力中心（COP）向底板中心转移，扩散器部分的低压峰值相对较小。由于赛车后轴被抬高，因此可以考虑降低赛车斜率（flatter rake angle）用于压榨赛车尾部下压力，但是低斜率底板的使用会使前翼失去在俯仰状态能够压榨的地面效应（move the front wing further out of ground effect）。

2018 年（上）、2019v2（中）和 2021 年（下）汽车底部压力等值线的比较。

总结：前一世赛车的底板能够产生约55%的下压力，前翼25%，尾翼20%。然而22年技术规则下赛车的阻力水平增加，下压力的分配方式发生变化，前翼将会占据更多下压力产生的份额，并且拥有更高的气动效率，底板的地位有所下降。

车身气动特性：这个模型完全是虾鸡儿设计

在银石站前给出的赛车模型属于非常粗糙以及原始的设计，仅仅只是给出了规则的解释。在外观上，赛车前鼻锥粗大，侧箱方方正正，其设计上几乎完全不考虑气动优化。车队实际设计出来的车身表面可能依然能看到今年赛车的部分思路的继承，例如各个车队普遍采用的纤细鼻锥以及下切低升力侧箱。

尽管赛车表面的前中后布局都有相应的变化，但赛车轴距上限被约束为3600mm，限制了车队通过增加轴距获取赛车表面负载的可能性。赛车总重量由于轮胎的原因会增加到790公斤。

从本文cfd角度出发，22年模型赛车的车身基本和当前技术规则出发，主要发生的改变在前面的章节中已经做了简要的描述，这里继续做一些深入的展开。

2019v2（顶部）和 2021（底部）汽车上表面压力等值线的比较。

前翼：

赛车前定风翼格式简化，翼片数量从5片降低为4片，并且直接连接鼻锥，将前翼两边的高压场延伸到鼻锥；这种简化能够使得经过前翼的气流更加“干净”。结构上，原来的Y250涡流发生器、象牙（underside strakes）以及底板叶片的消失意味着进入底盘下方通道气流的流动干扰相对较小。经过前翼的上升气流撞击悬挂叉臂以及底板前缘失速进而增加阻力，此外其附带产生的上洗气流将直接减少喂食底板的气流总量。

观点：从国际汽联释放的渲染图中，有人注意到前翼越过鼻锥正下方的设计格式，类似于0708年BMW的铲状前前翼的格式。这种设计是能够更为充分的压榨地面效应，在该区域产生下压力能够降低两侧对于底板区域的上洗效应。

同时也有人注意到在实际规则中，前鼻锥上方的区域同样被认为是前翼单元可以利用的空间，因此有人期盼有车队可以重新解释这一规则将第一片前翼片放在鼻锥的上沿，起到类似于桥翼的作用。

但问题的关键是原有前翼的Y250发生器已经被规则取缔，或许可以考虑从前翼翼面的扭转处取得涡流发生的可能性，和桥翼同时代出现的有法拉利在2008年鼻锥翼片连接方式也揭示了这种可能性，如果能够将连接鼻锥部分设置为略微的负攻角，而正常产生下压力的区域为正攻角，那么在该部分由于压力差的存在，构成了涡流形成的条件。

也有人从翼片连接鼻锥的方式是否允许开槽用于产生涡流这个方向进行讨论。这个设想的源头是来自于前翼和端板镂空的方式类似于18年被法拉利迈凯轮广泛采用的前翼镂空立柱的设计思路

前翼翼片的连接方式是另外一个可以被利用的灰色地带，具体而言就是通过调整前翼攻角的铰链产生涡流。

车身中部：

单体壳的光滑曲线消除了原有s导管产生的低压区域（但迈凯轮好像就没有s导管）；前轮的小翼产生了一部分升力，进而产生下洗气流用以减少前轮产生的湍流导致的气流剥离。由于来自于轮拱和前翼端板的涡流混合流动，前轮产生的气流更加复杂。

模型所展示的赛车模型的侧箱入口和下切位置设计是从美学角度出发设计的，而在实际气动设计中，必须要考虑横风条件前轮乱流对车身后部可乐瓶区域的影响（个人观点，这就是为什么原文章的作者没有考察侧滑车身动态的原因，两台电脑算力根本不够模拟）。

2022技术规则中将赛车侧向前部的破风板以及肩翼全部木大成2009年布朗GP的模样，轮胎乱流如果不加清洗的直接进入赛车尾部，则赛车尾部动态是难以控制的。这是2019年以来赛车破风板区域一年复杂一年的原因，车队需要想方设法地通过侧箱入口前的破风板和下切的设计把气流往外推（这就是国际汽联想搞你的原因）

底板文丘里管能够部分替代此前破风板的作用：梳理前轮带出来的脏气流，使之不影响下压力的生成；从事实上规则中文丘里管入口处的鳍片更类似于现有底板入口鳍片的扩大版本。

上述鳍片能够在管道内部产生涡流，创造出底盘隧道内部的低压区，这意味着下压力。但在这种情况下，涡流随着通道向外弯曲模糊，其结构并非连贯的。

官方模型的侧箱实属样子货，但该部分确实是另外一块存在差异化设计的区域

但网络上似乎也给出了赛车规则允许的几款方向作为参考？现代F1的散热效果已经能够支持侧箱区域的大幅度下切设计。图中FIA给出的A1 参考形在实际设计中并不会被车队采纳。2011年迈凯轮的L形侧箱能够发挥后方横梁尾翼的作用，但是在技术规则中，对于侧箱形状也做出了约束：F1赛车的横截面必须是封闭曲线，因此即使说工程上可行，这种设计依然违规。可以确定的是规则中没有限制中间防撞结构碳棒的位置，因此由法拉利开创的侧箱结构依然存在生命力，但是和高位侧箱一起出现的复杂肩翼设计是不会被保留的。

A1基本款，这一款就是官方模型

L型侧箱：参考了迈凯轮在2011年的设计，但至少从规则层面来说，这种设计似乎没有规则空间

高位侧箱，实际还是参考了迈凯轮在2010年的设计（你们就这么喜欢迈凯轮的设计方案吗？）

尾部：

过往技术规则中，尾翼产生的涡流影响后车的追击效果。赛车后端扩散器产生一对反向涡流，这对反向涡流能够将轮胎和尾翼产生的尾迹分别向内和向上偏转。

新规中，尾翼结构被重新设计，尾翼端板最多延伸至尾翼的下表面，在翼尖的外曲面形成低压区域，上表面的高压区域难以保留（reducing the pressure on the top surface of the wing elements towards the tips）。设计灵感来自于2009年之前可乐罐区域的翼片设计。

此外，2014年起被禁止的后横梁翼（俗称第二尾翼）被重新引入。之所以称呼为第二尾翼，是因为该部件起到了和尾翼相同的作用，即以增加阻力的代价直接产生下压力。

第二尾翼的另外一个作用是充当赛车扩散器的一部分，扩散器的上沿从底板区域抬高到第二尾翼的区域，由于第二尾翼的下表面是负压区域，因此可以抽吸扩散器内部的气流，进而提高扩散器下压力水平（事实上，车队在没有第二尾翼的时期，这种工作都会依靠尾翼实现，只不过尾翼抬高到，这种抽吸作用聊胜于无）

在混动时代之前的冷却出口的设计逻辑和和当今完全不同，因为混动时代的排气管和泄压阀都被抬到了尾翼中央位置，而冷却出口的位置正对后悬挂，而这部分区域实际上和第二尾翼是重合的，因此冷却出口的位置设计在气动设计上需要兼顾第二尾翼的工作效率。

轮胎

新的 18 英寸轮胎及其车轮对悬架设计人员构成了挑战，但对于空气动力学家而言，好处是轮胎的变形应小于迄今为止使用的大纵横比“气球”轮胎。

轮胎部分的介绍来自于对于梅奔CTO阿里森的采访，他认为18寸轮胎的性能要弱于13寸轮胎，厚胎壁的13寸胎能够更加高效的将能量传输到地面、重量更轻、给予车手更好的驾驶品质、允许使用更低的胎压来获得更好的抓地力等等。而18寸的胎更重（轮胎+轮毂）、抓地力更低、驾驶品质降低。总的来讲，在其他条件相同的情况下，换上18寸的轮胎，圈速会慢1-2秒。

事实上在车队测试环节，已经有车队需要特意加固悬挂用于应对更重的轮毂

但是18寸轮胎相对于13寸轮胎，更具有空气动力学设计上的优势。厚胎壁的13寸轮胎挤压变形产生的乱流增加了气动设计的难度。车队需要收集轮胎形变数据，建模到CFD。如何通过CFD模拟轮胎乱流，进而设计出适应轮胎形变的赛车，是区分车队成绩的重要因素。改用18寸轮胎之后，胎壁薄了、轮胎的形变小了，赛车设计的差异也就小了（存疑，我们讲了一大通气动上设计的难点，总不见得被这个东西给抵消了吧？）

但代价是对于悬挂或者机械工程师而言，设计难度却增加了前面已经提及更大的是刹车盘增加了重量，但是悬挂的链接方式确实简化了，赛车悬挂的强度需要增加。

轮胎周围的气动布局也有相应的改变。轮毂罩回归但是被固定在车轮上，用于减少减少从外露的旋转前轮胎产生的湍流。内部制动管道区域发生了变化，2022 年新增了两个附件，即轮胎翅片和内部叶片。

轮胎翼片是前轮胎顶部的小块车身。这些旨在减少轮胎后面发生的气流分离，从而产生阻力和湍流。虽然内部叶片有助于清理从轮胎内侧下边缘溢出的尾流（轮胎喷射），否则这些尾流可能会进入底板下。前轮周围的这些装置将大大减少尾随车后的尾流，并极大地影响后车。

刹车通风导管下方的翼片并非是全新添加的翼片。早在上世纪90年代，类似的设计思路便已经出现在围场，这种设计可以被认为是新规则中被取消的破风板区域的一种补偿。在1994年塞纳事故之前，部分如莲花车队确实采用了侧箱入口处的破风板设计，但并未得到普及，因为控制轮胎湍流更为直接方式是直接在轮胎附近安装翼片，只不过被规则禁止之后，才会使用破风板这个套件。

补充：从瓦特尔测试2022款的轮胎的评价上，18寸轮胎的驾驶性能没有想象的糟糕，在中低速弯还有路肩上的表现很稳定，轮胎在极限状态下的损耗很低。这种评价类似于对于特供胎的评价，轮胎不容易过热云云。

继续补充：已经有相当数量的车手在模拟器上尝试过他们车队2022赛季的赛车，这些东西当然目前就是停留在设计图纸，风洞模型阶段。他们反馈说赛车很难驾驶，具体来说高速弯速度很快，但是在低速弯速度却很差。这实际上是符合预期的。地面效应，对气动工程师而言是完美的设计思路，能够实现增加下压力时，同时减少阻力（通常两者正相关）。但是地面效应之所以被禁止的原因，是它太过完美，更高的速度代表更高的下压力，这是一个正向循环的过程。当正向循环走向一个逆向调节的时候，赛车下压力的产生路径被破坏，例如地面颠簸、压到香肠路肩，赛车下压力变小就会是非常危险的事情，赛车在低速弯的表现会远比现代F1赛车逊色。

悬挂

在先前章节篇章的最后说到了车手驾驶赛车的感受中提及了地面效应赛车的驾驶感受。实际上现代赛车或多或少都会使用地面效应的原理设计赛车，下压力的产生依然得益于气流高速流过赛车翼片产生阻力的同时产生的下压力，气流的流速越大，下压力越大。因此只要这辆车依然需要快速通过低俗弯，就需要克服下压力减弱带来的影响。如果没法克服，建议参考SF-90（这里得为那辆车开脱下，一般低速弯或者减速弯都是长直道末端，靠着直道末端刹车带来的赛车气动重心转移，依然能获取不错的速度，问题在于连续的中慢速弯角，是他吃瘪的地方，比如西班牙的第三段）。

未完待续

从这张图里面感觉，设计模型赛车的人属于理想过了头的那种。确实拉杆悬挂相对于推杆悬挂有着更低的重心，赛车前轮在通过路肩的时候行程更短，但是拉杆前悬挂的问题在于他的调教空间狭窄，并且处于车身前部，撞击前悬挂产生的乱流直接影响赛车中后部的下压力行程，没有车队会冒险使用拉杆前悬挂的。