流体力学与F17

废气驱动扩散器上一期我们介绍了曾经“称霸一时”的双层扩散器，本期我们来介绍提高扩散器效能的另一种手段——废气驱动扩散器。简单地说，“废驱扩散器”就是将排气管安装到靠近底盘的极低位置，让废气从扩散器吹出，以此来增加流过扩散器的气体的体积，提高扩散器的性能。但是问题需要更细致地进行研究和分析。实际上，扩散器内部的气流环境是十分复杂的，对于扩散器的边界层来说，贴在扩散器表面流动的气流流速会有所减慢，而这股慢速气流与周围的快速气流相互影响，形成了拖拽涡，最终导致了扩散器内部气流与壁体的分离。为了解决这一问题，F1的工程师们给扩散器内部安装了涡流发生器，通过翼尖涡将能量传递给扩散器壁体边界层，以缓解气流的分离。这就是我们在（五）中提到过的问题——扩散器性能的降低通常是由于混合涡流的破碎和底部气流的分离。而本期要介绍的驱动扩散器，很大程度上是为了解决这一问题而设计的。我们知道，从排气管吹出的废气时速可达到850km/h，这两股强大的气流如果从扩散器吹出，必定会对扩散器内部的气流产生强烈的影响，它可以使扩散器内部的气流拥有更高的流速，使气流一个劲地向前冲，以此来防止气流在扩散器内部的分离，我们可以这样通俗地理解：扩散器内部的气流还来不及分离，就已经被疯狂的废气吹到老远的地方去了。针对这一理念，以纽维为核心的技术团队开始在09年的规则框架下对这一方案进行落实，这并不是一件容易的事，因为更换排气管的位置意味着引擎要损失一部分动力输出。最终，在引擎动力与气动优势之间进行了权衡之后，纽维的团队选择了气动性能。这一选择在今天看来，无疑是正确的。纽维将RB6的排气管出口放在了侧箱底部与底盘交汇的位置，系统工作时，高能量的废气会通过可乐瓶区域，最终从扩散器送出，这套系统与双层扩散器搭配，产生了恐怖的功效。更值得一提的是，雷诺的引擎也为纽维的理念做出了巨大的贡献，雷诺的引擎可以根据赛车的需要进行强制排气，这就意味着在车手松开油门时，排气管仍能为扩散器输送相当体积的废气，同时也意味着扩散器即使在速度非常慢的弯中也能为赛车提供相当多的负升力。这样一来，RB6在扩散器上的优势不言而喻。让我们回想一下2010年初，当时仅仅有红牛一支车队在使用废驱扩散器，法拉利、迈凯伦等其他车队都在使用常规的排气布局，这种布局虽然无损于动力输出，但是赛车的过弯性能与RB6相比相差的就太大了。赛季初期，法拉利和迈凯伦得利于红牛赛车的不稳定才勉强和红牛打成平手，但这样扛下去不是办法，因为任何一支车队，一个车手都不能把争冠的希望寄托在对手的失误上。为了改变被动的局面，法拉利和迈凯伦决定采用类似的设计，法拉利在欧洲部（瓦伦西亚）使用了废驱排气装置，而迈凯伦的相应方案也在德国让正式启用。法拉利在2010年土耳其使用的常规排气布局法拉利使欧洲站之后使用的废驱排气布局迈凯轮年初采用的常规排气布局迈凯轮赛季后半段采用的废驱排气但是话说到底，抄袭和借鉴不大可能要比原版的设计更有效，因为在理念上你依然是被对手所引导，而这种技术上的被动对于任何车队和车手来说都是噩梦。客观地讲，2010赛季确实非常精彩，但是从技术的层面分析，2010赛季没有任何悬念，尽管迈凯伦也拿出了风靡一时的失速尾翼，但在大的技术框架下比较，红牛一枝独秀，银红甘拜下风。在废驱扩散器应用的第一年，它就发挥出了强大的功效，并左右了冠军的归属，在随后的2011年，这项技术又被进一步发展与应用。这里还必须提到，2011年的技术规则进行了调整，其中最主要的一点就是：禁用双层扩散器。由于废驱扩散器造成的技术差距过为巨大，因此FIA也在禁止双层扩散器的同时，也一并将“废驱扩散器”斩落马下，一个重要的规定就是：扩散器中央区域不允许开口（除了引擎点火马达的探入口），FIA的精神在于，禁止开口后，废气将无法从扩散器送出，也就无法像“废驱”那样工作，一切都将按照FIA所规定的那样“步入正轨”。但是FIA又一次失算了，国际汽联的官员们又一次低估了各车队的设计师钻规则漏洞的能力。2011赛季的研发主题是“如何寻找新的路径将废气送到扩散器”。上一年的经验启示我们，只要能成功将废气从扩散器送出，必将获得相当多的收益。2011年，红牛、迈凯伦、莲花-雷诺等队先后拿出了不同的解决方案，我们在此进行简要的分析。红牛RB7为了适应新规则进行了较大的改动，由于双层扩散器被禁止，这就意味着2011赛季的扩散器可能无法压榨出2010赛季“双层+废驱”那样多的负升力，为了解决这一问题，纽维对车身结构进行大改——使用倾斜底盘，即底盘的设置前端低，后端高。这样的设计仍然出自于对规则的研读，在上一期的“双层扩散器”中我们介绍过，FIA对于扩散器的高度限制为“不得高于底盘基准面175mm”，可见扩散器的高度是以基准面为参考标准的。但是问题在于红牛的底盘是倾斜的，如果以底盘末端的基准面为参考标准，在这个基础上再加上175mm，那么毫无疑问，RB7的扩散器就会因为基准面被垫高而拥有比其它车队更高的离地间隙，这也就意味着RB7的扩散器拥有更大的尺寸。但是这样处理也是有弊端的，原因就在于这样处理会使得底盘的末端以及器内部空间过于松散，不利于扩散器的正常工作，而且后轮转动时带起的巨大乱流也可能对扩散器释放的气流产生干扰，这些因素都会影响到扩散器的效果，这时，就需要的新的“废驱”理念来解决问题了。红牛再一次从规则中找到了漏洞。规则中禁止在扩散器中央区域开孔，但是没有规定禁止在扩散器的边缘区域开孔，因此，纽维将孔开在了扩散器的两个边缘，同时赋予了两个开口“新的使命”：废气从这两个区域吹出，一是能填补倾斜底盘下方的松散空间，保证扩散器正常工作；二是能封闭扩散器末端两侧的气流区域，减少后轮乱流对扩散器气流环境的扰动。同时，为了保证废气能精准、高效地到达这两个开孔，纽维修改了排气方案，废气经过两封闭的碳纤维管道从排气管送到扩散器的开口，这与RB6的“废气自由流动”式布局有着非常大的差异。综合以上因素，我们可以将红牛RB7的方案概括为“类双层扩散器版的废驱扩散器。”迈凯伦与红牛不同，迈凯伦选择在底盘上做文章，并把眼光放在了底盘的边缘区域（2011版的技术规则规定底盘的中心线到其左、右650mm的区域内必须是一块完整的平面，即不允许有开口，但是650mm以外的区域就宽松许多了）迈凯伦通过在规则限制相对宽松的底盘边缘布置一个扇子形状的二级排气，使废气能够在底盘下方沿着红色箭头的路径到达扩散器，而且我们在前面介绍过，废气在流动的过程中还可以封闭底盘的边缘，创造出“侧裙效应”，而这又将使扩散器的性能大大提高。对于迈凯伦的方案，我们可以概括为“地面效应版废驱扩散器”。而且为了搭配这种方案，迈凯伦还引进了激进的L形侧箱。一旦这种设计取得成功，必定会制造出令人叹为观止的负升力。莲花－雷诺雷诺R31使用的是激进的前置排气，R31通过将排气管前置，使得废气从底盘前端流入车底最终从扩散器吹出，但是这种布局会严重地损害动力的输出，R31的排气可以概括为“前置排气废驱扩散器”。法拉利这一年在排气的创意上缺乏新意，可以概括为“山寨版废驱扩散器”，而且模仿的是红牛上一年的设计。可能这样说读者还不能对这几支车队的扩散器产生直观的认识，那么笔者就通过排名的方式来对这几种方案进行比较，从设计理念和思路的创新性来比较，迈凯伦第一，雷诺第二，红牛第三，法拉利垫底。然而情况并不像工程师们预想中的那样理想，迈凯伦的“扇子”在隔热材料上遇到了问题，最终迈凯轮的工程师们不得不放弃“扇子”而采用与红牛类似的方案，而雷诺R31的前置排气被证实在低速赛道上表现极差，法拉利F150虽然山寨了红牛RB6的排气布局，却没能使056引擎做到能像雷诺那样明显的强制排气，而且还使得法拉利仅有的极速优势荡然无存。迈凯轮最终的仿红牛解决方案如果将各队实际运用的排气模式拟定一个排名，那么红牛第一、迈凯伦第二、法拉利第三、雷诺第四。如果要把奔驰也入进来比较的话，应该与法拉利差不多，可能还要比法拉利好一点。毫无疑问，红牛又赢了。然而红牛并未仅仅赢在扩散器上，由于废驱扩散器为车尾提供了足够的负升力，纽维便开始着力于车身减阻的设计。RB7的阻力系数是2011赛季中所有参赛车辆中最低的，这使得RB7在全年的赛道中可进可退，攻守兼备。RB7不仅在它擅长的赛道上所向无敌，而且在斯帕、蒙扎这样的极端赛道上依然能够摘得桂冠，这使得一直视蒙扎为主场的法拉利颜面尽失。2011年，毫无悬念，维特尔比了一半就赢了。2012年，规则又一次进行了调整，这一次，排气管的位置被严格的限制，车队再也无法将排气管放在底盘上对着扩散器吹气了。不过，工程师很快又找到了新的方案，这就是我们下一期要介绍的康达效应排气管。