作者——咖加用户:小棉袄的好朋友
因成本和环保的原因,F1一直在考虑在赛车研发过程中禁止或至少严格限制风洞的使用。但要真正理解这个决定,你必须对风洞试验有所了解:它的重要性,历史,用途等等。
风洞历史
曾经有一段时间,在赛车领域没有人知道空气动力学是什么,而是去制造可以承载强大引擎动力的最轻的底盘。直到ColinChapman意识到如果在车上安装一个倒立机翼,就可以通过气流把汽车粘在地面上。
随着技术在整个70年代和80年代的不断进步,一种更规范的研究形式对于确定空气动力学变化的影响至关重要——风洞试验。
第一支在F1中使用风洞的车队是年的Brabham,直到20世纪80年代风洞试验才成为标准。
风洞试验的目标就是确保接触赛车的每一丝气流都得到优化,用来提高性能。
工作原理
风洞本质上是一种管道状的试验设备,用非常大的风扇使强气流通过车身,用来模拟赛车周围气体的流动情况,并分析气流对车身的作用效果。
风洞有两种形式。第一种是直流式风洞,它有一个通向外界大气的空气入口。第二种是回流式风洞,它可以防止外界的影响,从而提供更均匀的气流。没错,F1车队使用的是回流式风洞。
回流式风洞实际上是将直流式风洞首尾相接,形成封闭回路。气流在风洞中循环回流,既节省能量又不受外界的干扰。这种风洞的气流速度是靠风扇的转速来控制的。为了研究F1赛车,一队技术高超的模型制作者会制作一个赛车的比例模型,通常是实际赛车尺寸的50-60%。这个模型被放置在风洞中的实验段。
风洞的驱动系统或者叫主风机,如果选用单个大风扇,产生的湍流更少,而且比多个小风扇同时工作要高效得多。风洞的洞壁设计应尽可能平滑,以防止气流中出现任何不必要的干扰。每个拐角设置导流片引导空气流向,这些导流片的设计同样是为了尽可能少地干扰气流。
风洞本身还有一些值得注意的地方:
实验段或者叫测试段,将汽车固定在一个测试台上,测量由风产生的下压力或升力。这里是风洞最窄的地方,使气流加速到所需流速;
驱动段或者主风机,风通过风扇的地方;
扩散段,是隧道中逐渐变宽的部分,有助于减缓空气流速,使其更容易引导气流;
稳定段,试验区前的风洞部分,空气通过蜂窝状整流网,将气流重新定向到一条预设的直线上;
换热器位于回路内的某个地方,以防止空气流动引起的升温导致的气压变化;
实验段本身也由几个不同的部分组成:
一个或两个固定汽车的长臂;
汽车下面的滚动路面,它与风速相匹配,防止空气在路面上的粘滞力引起的测试不准。
数据采集
赛车的设计目标非常明确:以最高效的方式破风,以便能跑得更快。设计一辆汽车不可能只考虑一点,所以某些部件被设计成以最小的干扰将空气带走,而其他部件,如前翼,则被设计成将气流引导到其他地方,以增加赛车下压力或速度。
那么如何知道实际效果呢?有几种简单的方法,但基本上都依赖于空气流动路径的可视化方法。
如果你曾经看过F1赛车上涂有荧光漆,那就是空气流动可视化一种具体方式。
这种荧光漆叫做flo-vis,它显示了空气是如何在汽车表面流动。
而其他形式的可视化包括:
丝线法:与汽车风向一致的毛线或毛绒。
皮托管,测量静止空气和流动空气之间的差异。这些由大量Kiel探针组成网格状物体固定在赛车上,被称为空气耙或者尾流耙。可以测量前轮,扩散器,侧箱后的气流,通过一系列的数据绘制云图,对比数值计算、风洞和实测数据的差别。
烟流法:烟雾可视化。往风洞里释放烟气,你就可以看到它在车上流淌的样子。
粒子图像测速法,这是一种更先进的烟雾可视化形式。在这种情况下,烟雾的密度与周围空气的密度相同,启动风扇,直到整个风洞充满烟雾。拍摄照片并将其输入计算机,就可以在烟雾粒子经过汽车时对其进行分析。比较两个或更多的图像,你可以看到不同或相似之处,这有助于预测在比赛环境中空气的流动状态。
除了直接的气流测试,F1车队还能够重现赛道条件,比如用来分析赛车在巴西和法国赛上的表现差异。目标就选出合适的部件,进行测试和分析,为下一季比赛做准备。
争议所在
目前,在风洞问题上还存在着相当大的争议。风洞的建造成本高达数千万美元,而运营成本则高达数百万美元。有些车队承担不起自有风洞的成本,不得不使用另一支车队的风洞,而另一些车队却可以有两个或者更多的风洞。在风洞中测试赛车很贵很贵,而且能源消耗也很惊人。在年开始实施限制之前,F1车队每天都会进行风洞测试。
而通过更有效地使用计算流体力学(CFD)是可以减少风洞测试时间的,CFD是一种数值计算方法,可以在计算机中输入汽车的所有尺寸,通过程序计算汽车的预期性能。CFD软件一直在发展,所需的工作量、资金和物理空间相比风洞测试都要少得多。
在未来几年会逐步减少风洞测试的时间。目前来看,模拟测试手段将从风洞转向更全面的数值计算。