2013F1前瞻之技术趋势:康达效应排气/PDR/鼻锥开孔
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2013赛季的F1将于下周在墨尔本的阿尔伯特公园举行,这意味着新一年的技术较量将正式展开。那么今年在赛车的设计上,都有些怎样的趋势呢?

下面,这是一篇来自《AUTOSPORT》的文章,前乔丹F1技术总监加里-安德森对此进行了专业的分析。根据原文,2013年的技术趋势可概括为三个方:康达效应排气、被动减阻系统(PDR)以及鼻锥开孔。此外,本文还提到了一些亮点设计,包括索伯C32极端狭窄的侧箱,以及威廉姆斯的轮轴抽气设计。
一,康达效应排气管
1,康达效应排气的来源
去年,迈凯轮是康达效应排气设计的先驱。这一设计诞生在国际汽联出台新规,禁止使用废气驱动扩散器之后。
从2012年开始,为了禁止车队借用引擎废气,制造更多的车尾下压力。F1主管团体——FIA对排气管规则进行了大幅度的修改,对排气管出口的高度,管口直径,以及朝向做了严格限制。
此举严厉打击了车队借用将高速的引擎废气吹入扩散器能够制造的下压力量,但是这种技术概念并没有被车队遗忘,并最终催生了康达效应排气的诞生,如路特斯F1车队技术总监詹姆斯-阿里森所言:“这虽然不是一条我们2011年所走的道路,但是引擎废气仍然有非常有价值的量可以挖掘。”
2,何谓康达效应:
康达效应(Coanda Effect)亦称附壁作用或柯恩达效应。 是指流体(水流或气流)有离开本来的流动方向,改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时,流体的流速会减慢。只要物体表面的曲率不是太大,依据流体力学中的伯努利原理,流速的减缓会导致流体被吸附在物体表面上流动。这种作用是以罗马尼亚发明家亨利-康达(1886~1972)为名。
3,迈凯轮的解决方案
迈凯轮的MP4-27是第一辆出现康达效应排气设计的赛车。如图,虽然排气管的管口按照规则指向上方,但是在康达效应的影响下,从排气管管口排气的引擎废气改变了路径,这些热气体在沿着引导槽下降抵达底板后,最终流向了具有下压力制造能力的后制动通道道、尾翼边缘以及扩散器区域。
4,康达效应排气的发展“简史”

去年,随着康达效应的排气管设计率先在迈凯轮的赛车上出现后,这种设计很快便成为了围场中的标准设计。尽管包括路特斯在内的多支车队直到赛季晚期才能在正赛中配备该设计、而且远未达到最优化设置、并且这种结构的排气管布局会导致很大的动力牺牲;但是当路特斯真正投入使用时便发现,它立即带来了性能的提升。
这一技术转变最终帮助基米-莱科宁在阿布扎比赢得了胜利,今年,随着系统得到进一步优化,动力因此遭受的损失量将减半。
5,康达效应的繁荣时期

图为红牛去年在改为康达效应设计之前的排气管方案,发生在冬季测试时,小图是其最新版的康达效应排气设计。路特斯从去年的韩国站开始,初次尝试康达效应的排气管设计,今年对设计进行了优化,包括采用了红牛风格的交叉气流通道设计。

与此同时,法拉利车队也在巴塞罗那的最后一轮季前测试中,祭出了其最新版本的康达效应排气设计(见大图)。对比新旧(见圈中)两种版本可以发现,新版的排气管引导槽比旧版的更低了(注:两图中黄色的方块显示了引导槽距离底板的高度)。
此外,新版的侧箱比起旧版,往后下沉的更加剧烈,这使得内部的结点(箭头2)明显的突出于机盖。引导槽和侧箱箱体这两方面的改进,往后汇聚侵入车尾可乐瓶区域的下方。这种修改预示着由废气制造的下压力量的增加,但是可能以牺牲可乐瓶区域为代价。
截至目前,法拉利并没有采取红牛路线,将可乐瓶区域融入底板,创造出贴着底板的气流通道。F138底板的结束部分,有一个开孔(图中不可见)向中央的扩散器送气,这有助于提高扩散器对修改底盘高度设置的灵敏度。它同时有助于吸收底板上表面的气流,减少围绕边缘的溢出气流。
将侧箱加长、尾部收的更低、以及塑造的更加有形,是为了让引擎废气与后刹车通道上的下压力套件产生效果。未来,预计法拉利亦会尾随红牛路线,在两者之间沿着底板架设一个气流管道,而不是一个敞开的开口。这将帮助把排气管的气流有效的送达目标区域,而不是让气流隔空“射击”。
二,被动减阻系统——PDR(Passive Drag Reduction)

根据目前的最新消息,路特斯F1车队已否认了在揭幕战——澳洲GP使用被动减阻系统PDR的可能性,但是预计会在赛季中期的某个时点引入。该设计的基础概念非常简单,通过干扰尾翼下表面气流的方式,来降低赛车在直线高速行驶时尾翼的下压力生成量,进而提高极速,但是要让其精确的工作却极其困难。
如图,在PDR未激活时,气流从设在引擎进气口两侧的一对入口进入后,沿着引擎盖下降,从机盖尾部的圆孔排出(下方蓝色箭头)。但是一旦赛车在直道上高速行驶达到一定的速度之后,设在引擎盖内部的一个气流开关便会被激活,这时气流就会沿着垂直的管道上升,吹向尾翼的下表面。这将使得原本沿着尾翼下表面高速流动的气流发生剥离,形成涡轮,最终导致尾翼的下压力生成量降低,以达到减少行驶阻力、提高极速的目的。
而一旦赛车降低到特定的速度之后,气流开关便会重新复位关闭。路特斯F1车队最初在上赛季开始测试PDR系统,但是最终并未投入实战。截至目前,在这方面跟进的车队有:红牛、梅赛德斯AMG和索伯。
三,鼻锥开孔
1,索伯的信箱鼻概念

如图1,本赛季,索伯F1车队继续在鼻锥顶部沿用了朝后的“信箱(letterbox)”设计。这一方案,如今已被红牛车队的RB9赛车采用。通过图2——2012款索伯C31赛车,可以看到整个设计的全貌,这其实是一个把鼻锥腹部的气流抽到鼻锥上方排出的管道。

该设计的作用旨在减少单体壳对鼻锥下方的气流形成的阻挡,帮助加速来自前翼的气流流动,让气流拥有更大的能量,使其在流经侧箱导流板,可乐瓶区域和抵达扩散器的过程中,产生更高的下压力,同时也有利于防止鼻锥腹部的气流与车身发生剥离。
2,法拉利F138的鼻锥开孔

法拉利今年的赛车,鼻锥腹部也拥有一个气流开孔设计,但是F138顶部并无气流出口,目前还不知道出口设计在哪里,可能只是用于驾驶舱电子系统或者KERS的冷却。不过不排除法拉利进一步发展的可能性,包括用作被动减阻系统——PDR的气流入口。
四,其他亮点技术
1,索伯的窄侧箱设计

2013年的11款新车中,最引入注目的新设计当属索伯C32的侧箱处理。C32的侧箱,足足比规则允许的宽度窄了120毫米。这绝对是“包扎处理”的杰作。瑞士车队工程师为了将需要携带的各类部件拼装的足够紧凑,几乎将每一个立方毫米的空间都用上了。
索伯之所以在这方面下如此大的功夫,是为了将车身对气流形成的阻挡降低到最低程度,进而达到减少阻力的目的。但是那些对这种设计持怀疑态度的人担心,这种设计是否真的能提高赛车的空气动力学效率,因为极致紧凑的侧箱缺乏塑形,减少了加速气流流经可乐瓶区域和车尾扩散器制造更多下压力的潜力。
2,威廉姆斯抽气轮轴设计

如图,威廉姆斯FW35赛车的前轴采用了中空的设计。它用于将前轮内侧气流通过轴心“泵到”前轮外侧。这一设计同时提高了前轮内侧和前轮尾流的气流质量。上赛季,红牛车队曾采用过类似的设计,但是因为其为多孔设计,出风孔会随着轴心旋转因此可以被判定是可移动空气动力学套件,而被FIA禁掉了。但是威廉姆斯FW35的这个单孔是静态,所以是合法的。
(行云)