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F1风洞详解（译）

2020年12月09日 10:01:01

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来源：

作者 —— 咖加用户：小棉袄的好朋友

【本文译自JALOPNIK，作者Elizabeth Blackstock。图片来自原文和互联网】

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 Colin Chapman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1963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2009年开始实施限制之前，F1车队每天都会进行风洞测试。