自信点！为什么说法拉利的侧箱并不输红牛？【勘误/文字版】

2023-07-30 16:49 作者:ANM匿名 0人读过 | 我要投稿

看这些赛车，假如不是资深技术车迷，你甚至有可能认为他们采取的就是同一种设计。诶，是不是忽然间就有了一种“我上我也行”的错觉呢？是的，红牛的侧箱似乎被很多车迷认为已经是标准答案了，但是，你先别急，让我们把摄像机抬起来看看。

怎么样？看着熟悉吗？请各位马修系好安全带，本期赛车风云录，我们一起来剖析下这种类似法拉利风格的侧箱，看看它为什么能引领新的潮流。

直到某梅姓车队一拍脑袋丢掉它之前，在过去的赛季里面，侧箱一直是各家车队设计的重点区域。由于侧箱还承担着油液、水、电子元件等等的散热任务，它的设计不仅仅是在空气动力学上的考量，更是横跨力学、热工等各大学科，多方妥协下的成果。简单举例，如果你忽视了散热的重要性，你的引擎呢，大概就会像这样成为高科技烤箱；你的驾驶呢，感受大概就像在干燥路面换上雨胎，嘶，怎么这些似乎都是法拉利整出来过的活？

好啦，不开玩笑。2022赛季和2023赛季法拉利的侧箱只是进行了某些区域的微调，但是大体的设计思路还是一脉相承的，首先引入眼帘的就是这段激进的下切。很多技术解析只是简单说明这种设计会增加外洗气流，但是，为什么呢？如果你也曾经像我一样作死把手伸出车窗，当你的手迎着风向的时候，你一定会感受到大量的阻力。是啊，这种设计难道不是只会徒增阻力吗？答案当然是否定的，接下来的内容有点干，但是如果你能吃透，相信你将会对赛车的设计有一种全新的理解。

在之前的节目中我们有提到过边界层分离和翼片失速的概念，这是航空航天领域常见的现象。边界层从物体表面分离时，会发生涡旋脱落，使得后表面压强大大降低，阻力急剧增加。这时候弹幕区该有野生纽维问了，那这样几乎正面朝着来流方向的下切难道不会直接造成分离现象吗？某种程度上来说，这话没错。但流体在沿壁面流动的时候，如果突然遇到了一个角度极大的转折，例如遇到一个台阶的时候，会发生一种叫做“台阶流动”的现象。我们就拿这篇“后向台阶湍流分离流动中的三维低频摆动研究”，还是算了吧……大家也不用担心，简单来说，在这种情况下，气流在分离后，由于康达效应，它们还会在下游的某个部分重新附着，这个过程被称为“再附着”，这给气流分离后徒增阻力的情况提供了解决方案。而在台阶拐点处由于分离区和来流之间的速度差，将会形成一个（或两个）较大的“分离泡”。这个分离泡正是这些工程师们要考虑的关键因素，由于分离泡的流动特性会造成阻力，如何在收益和阻力之间达到平衡，是这种结构的设计重点。

希望你还留在这个视频里，上述内容总结一下就是，这样的台阶流动是十分有效的气流控制手段，尤其是前向阶梯，经过合理的设计，气流仍然会在下游重新附着在车体上。无论是“前向台阶”还是“后向台阶”，作为可以将流场“重新洗牌”的神器，广泛存在于赛车设计中。这篇关于格尼襟翼[亚杰2] 的论文，就很好地论证了在翼片尾部利用前向台阶流增加下压力的可能，测试数据显示这可以增加将近百分之20到百分之30的下压力。这可不仅仅是纸上谈兵，看看这些照片吧。怎么样，是不是一直没有发现他们的存在呢？

侧箱的大角度下切设计，就非常巧妙的应用了气流的前向阶梯流动效应。规则大改导致传统的破风板被取缔后，很多车队的替代做法便是在进气口下方，通过大角度下切制造出一个强劲的高压区域，将轮胎乱流抵挡在车体之外，你甚至可以称他为一种气动的破风板。更妙的是，由于“台阶流效应”的存在，气流很快就能以设计好的方式重新附着在车体后部，再配合底板的文丘里通道入口处的大型列板，前轮的乱流可以被有效地排除在外。同时，大量高能量的下洗气流将密封住底板边缘，从而提高整块底板的效率；甚至这块高压区域本身也可以由于压差的存在，产出额外的下压力。（值得一提的是法拉利的地板看上去总是平平无奇？但其实其他车队的开孔也好，裂纹也好，或者利用特别连接方式搞出来的底面也好，猜测都是为了最大程度地变形去接近路面。法拉利可能为了满足刚度需要不能进行开孔，而只是一整块完整的底板？或许其他层面的优势已经能让他们的底板足够接近地面）

同样的大角度变化也出现在了F1-75的尾部，我们推测它的目的是利用康达效应，控制车身侧面的气流向中轴线转弯，最终瞄准梁翼。这样一来，干净的气流吸附在车身侧面直到最后一刻，轮胎乱流被稳稳地推开到车身以外。这其实也是有风险的，因为我们从正上方来看，气流在最后一刻才会向中轴线转弯，这确实会让尾部更加安全，但相比其他风格的侧箱还是会有大量的气流被拍在后轮上，即使前方的“气动破风板”已经极力削弱了这股乱流的强度，但它还会带来不可被忽略的阻力。工程师们需要在其中做出取舍，但即使是最精密的风洞也无法模拟所有的工况，所以在2023赛季我们看到了相同思路下的更加优化的侧箱设计，他们在尾部使用了更加柔和的过渡，来在两者间寻求新的平衡。理论上来说是变好了，至少在这个思路下他们做的更好了，emmmm，总不能真的负升级吧？

“台阶”一词可能让各位马修觉得只有非常大的车身变化才能实现这种效果，可实际上即使不利用“阶梯状”的车身，仅仅是小规模的凸起或者凹陷，也能控制气流的分离、附着等，不过这听起来就不像是我们普通人能理解的领域了。在这个级别的技术竞赛里面，任何的气流分离、附着、再分离、再附着都是精心设计好的，毕竟这些拿着顶级薪水的工程师可不是吃白饭的哦。当然，法家策略组另当别论。

如果你把侧箱丢掉了，自然也就没办法像这样控制乱流了。可是这里绝对没有暗示隔壁某黑色车队的意思哦，因为从某些CFD仿真来看，与大多数分析团队的观点不同的是，梅奔的乱流控制并没有失控，甚至更加有效。如果大家感兴趣，我们将很快加更一期关于零侧箱的分析。

那所谓的浴缸设计呢？为什么这么多车队都慢慢开始在自己的侧箱上面挖槽了呢？

2022赛季刚刚发布新车的时候，全世界的铁佛寺都惊喜自家车队终于发现了黑科技，事实也确实如此。后续诸如阿斯顿马丁、威廉姆斯、阿尔派都效仿了这种做法。我们来看看这个大浴缸，首先最显眼的便是这个粗壮的“外墙”，一个实打实的屏障。这个屏障从物理层面分离出了内、外两个气流通道。在内部，大量干净的气流一方面会沿着这堵墙向中轴线转弯，另一方面由于整个浴缸的内陷形状造成的“后向阶梯流”效应，干净的气流在上方稳稳流过散热开孔，避开散热通道出口难缠的热空气，并在需要的地方重新附着而不徒增阻力。在2023赛季，由于发现了这个秘密的气流通道，法拉利便可以利用它以同样的原理驱动上方的散热开孔，而不需要像是22赛季那样把澡盆挖的过深，牺牲传统意义上“可乐瓶”区域的气流的操纵空间来换取散热。他们也正是这么做的，在23赛季法拉利的浴缸变得浅了很多，优化了浴缸后部气流上洗的效果。这里要说的是，分离气泡能不能提高散热效率并不能下定论，理论上分离气泡越小，阻力越小，所以研究这个领域的学者一直致力于减小分离气泡。但是法拉利的工程师不需要考虑这些，如果他们的测试结果显示分离气泡可以增加散热效率的话，这样的浴缸设计更是一举多得了。

以上的内容只是提供了一种采用内陷形状侧箱原因的猜想，具体的原理究竟是康达效应还是后向台阶流实际上并不需要过于纠结。采取该种设计的原因总结下来主要有两种，一是利用后向台阶躲避散热开孔干扰，二是利用康达效应向下转弯。马丁、阿尔派的浴缸设计重点在于引导气流冲向梁翼，而法拉利的设计则会让尾部气流略过尾翼，搭配下方另外一股流向梁翼和扩散器的气流，嗯，完美的设计。

“人生最后会像一张纸屑，还不如一片花瓣曾经鲜艳。”在22赛季新车发布的时候，法拉利浴缸的低阻设计的确是棋先一招，设计思路与红牛最大化梁翼、最大化扩散器的风格形成对比。但红牛不甘示弱，用它们聪明的悬挂配合底板搞出了堪比主动悬挂的恐怖存在；受困于自家引擎押宝性能稳步升级稳定性的计划，再优秀的气动设计在屡屡爆缸的引擎下也显得无能为力，就算那令人畏惧的低速弯优势，也因为一纸技术指令灰飞烟灭。落子无悔。他们各自的棋子犹如一场疾雨，在围场的赛道间散开，随即隐没在那一丝闪烁的火星间。在冷冰冰的成绩间法拉利输得彻底，但世上只有一种英雄主义，就是在认清生活真相之后依然热爱生活。法拉利正是这样一支车队，那匹跃马恰似一朵倔强的红玫瑰“永远不凋谢，永远骄傲和完美，永远不妥协“我想，这就是它能够深深打动我们的原因，逐梦之途无关成败，勇敢的心一以贯之。沉睡近二十年的跃马依旧徘徊于围场，等待着那位能够驾驭它的骑士再临巅峰，还有什么比等待一支豪门觉醒更血脉喷张的事情呢？

这就是本期节目的全部内容，各位马修的支持是我们一直更新的动力，我们下期节目再见。

勘误和后期研究：

视频刚发出去法拉利就把侧箱改了，但这样的设计思路再围场中其实还蛮流行的，法拉利的升级还有一点比较比较有意思的是他们也尝试把尾部气流下洗，改变他们一直采用的上扬思路。至于有没有效果呢，从本赛季后面的表现来看感觉半斤八两，但作为一种新的探索也没什么大不了的，比较争冠早就没有希望了（哭）

有马修在后台探讨侧箱进气口是不是能满足台阶的条件，这里感谢@值日生只认识自然数。严格来说确实不是很能满足，但是文章的意思主要是说他作为一种控制气流的方式存在，提供一种“再附着”的思路就足够了。值日生同学非常辛苦建了模型和仿真，从结果来看能看到文章中提到的再附着和分离泡现象。

能很明显看到台阶后方再附着区域和台阶的形状有着很大的关系，对于本篇分析来说达到这样的效果已经非常满足啦。线下有咨询老师这和康达效应有没有区别老师也没用给出更佳的答案，后面有机会深入的话还会再研究下。

另外就散热器与气流的热交换也有询问我们做这方面的老师。因为温度梯度的存在，气流在散热器上方的流态和在一般表面是不一样的。因为我还没有学过这方面的知识也不敢下定论，但后续我查询了一些论文解决了些自己的疑问。“当流动从层流进入过渡流后，后向台阶绕流主回流区再附着点下游形成区域性的强化传热，主要是因为低频脉动特性诱导的旋涡运动破坏了底面的速度边界层，同时加强了冷热流体的混合，从而形成了区域性的强化传热。”（谢纬安, 喜冠南, 李骄承. 后向台阶绕流低频脉动特性的强化传热研究 [J]. 机械设计与制造, 2022, No.377(07): 65-9+75）

所以说，后向台阶对于强化传热是有作用的，在这个地方放一个散热器确实相得益彰。

另外有马修吐槽论文的问题，这个之前确实没有注意到哈哈哈哈。视频里有的论文只是用来凸显一些效果而已，自己之前也确实没有多在意水刊的问题，这一点在后续会注意的。但视频中的理论部分的内容都是经过相关背景的团队审核过得，不敢说质量过硬，但低级错误能不犯就不犯。不过在这里还是要感谢大家的意见和建议！