如何评价F1 2022年新车？ 第1页

大更新：根据最近各车队的实车，修改了一些设计，写了一个比较全面的今年新规气动分析

专门写了个知乎文章

文章中内容也复制到这：

我根据 FIA官网上可以下载到的2022年技术规则文档 + 车队们的实车图，画了今年F1的几何，用CFD（计算流体力学）进行了流场分析，本文章希望帮助F1车迷们更了解今年赛车的各种设计细节。我的各种分析也不一定对，欢迎大家一起探讨~

新规概述

首先是规则限制的设计空间：

轴距等关键参数不是定死的，有一定选择范围，要求不超3600mm，我取3500mm，气动部件的规则会根据轴距而微调。

今年规则相当严格，是F1有史以来最严格，不仅给各种部件都定了很详细的区域，而且还对绝大多数部件与X/Y/Z平面的截面形状（形成几个封闭曲面，曲率半径范围，可见性等），面的法线方向范围等，进行了相当严格的限制。因此大家会发现各车队鼻翼尾翼甚至扩散器形状都基本差不多。主要的设计自由度在侧箱+引擎罩+底板附近区域。

规则的描述都是以一个参考平面(reference plane)作为基准，但是规则并没有限制该参考平面的离地间隙和前后倾角（rake），即没有限制车轮相对于control volume的高度，只要车底部中央的板不要比赛中磨损过度即可。

大rake即整车前倾，可以让鼻翼离地更近，攻角更大，鼻翼产生更多下压力；尾翼攻角也更大，尾翼下压力更大；而车越靠后的地方离地间隙会越大，导致车尾扩散器两侧端板离地更高（对于车底下压力的影响规律并不简单）；但整车迎风面积更大，阻力也更大。

小rake则可以整车离地间隙更小，减小扩散器两次和底板(floor)两侧的离地间隙，减少气流卷入车底，增加下压力。甚至可以利用floor边缘附近的部件在车跑动中受力导致的弹性形变，让其离地更近。

车队如何选取rake和离地间隙，要基于整车气动平衡的目标（比如车手的操控偏好，喜欢转向过度还是转向不足），还会影响海豚跳现象的强弱（对海豚跳，下文有根据CFD数据的分析）

整车下压力/阻力水平

*以下CFD结果都是基于60m/s车速，整车周围流场的气动计算网格量约6500万。

我目前只能算是气动布局和真车基本一致，还没有进行充分的设计迭代，车队的真车水平肯定比我这个高不少，所以我的CFD结果仅供参考~

整车离地间隙约4.5cm（估计比真车要大，还没充分迭代优化），整车下压力约11kN，阻力约2kN，具体部件的受力见下表（当前整车气动中心偏后，之后需要调整优化）：

整车气动布局/流动结构

气动阻力主要来自于前轮，后轮，尾翼，整车Rake高也会增大气动阻力。法拉利的侧箱可能为了尾翼下压力和减少后轮阻力。

下压力主要来自于鼻翼+车底(floor)+尾翼(Rear Wing Profiles+Rear Wing Beam)

鼻翼：利用地面效应产生显著下压力，鼻翼下方部分气流进入之后Floor以下。鼻翼下方内洗被车轮内侧翼稍微控制，减少乱流。设计自由度不大。

Floor：

Fences（最多4个，包括外侧可见的最外侧竖版）引导气流外洗，在Fence与中央车体之间用横向扩张流道产生下压力。外洗的fence会在floor内侧产生涡，利用涡是低压结构在车底产生下压力，同时稳定车底的流动。

Diffuser：提高车底气流的扩张比，从而加速Diffuser前方的气流，产生显著下压力。Diffuser设计自由度不大，内侧不允许加大的导流片。

Floor Edge的各种翼/开槽/开口 连同最外侧Fence在Floor上方产生的涡，减少外界气流被卷入低压的车底，提高车底下压力。

尾翼：

Rear Beam Wing 相当于Diffuser的副翼，进一步提高Diffuer中气流的上洗（流管扩张）。

Rear Profiles 为通常讲的尾翼，产生下压力，同时其上洗效果也利于车底气流的上洗/扩张，对车底低压也有益。设计自由度不大。

具体部件分析

鼻翼

鼻翼产生下压力，但翼下方不允许有端板，导致鼻翼下压力潜力比以前规则下的弱，鼻翼下方低压，导致下方气流偏内洗

鼻翼的dive（端板外侧的斜向上横条）可以产生涡，稍微减弱前轮后方的流动分离，或者像Haas一样，在末端突然上抬，类似格尼襟翼的效果，帮助鼻翼端板内的气流从车轮和端板间外洗出去

不同车队会对鼻翼的下压力和外洗程度有不同的取舍，外洗（车轮前攻角小，内侧攻角大）可以减弱后边车底板(floor)两侧的气流卷入底板下方，有利于floor的下压力。但内侧攻角大则不利于车底前部的进气，总之需要取舍。

前轮附近

规则要求刹车散热气流的进口和出口都在车轮内侧，无法像以前一样用散热气流从车轮外侧流出来产生外洗。

内洗气流经过前轮容易在轮内侧有分离，但规则包含的翼可以稍微控制轮内侧乱流不要扩大，甚至在前轮后产生一点外洗效果（我图里画的这个轮内整流形状与真实有一定差别，有点显著的流动分离了，需要调整前缘角度）

车轮上方翼减少车轮后方向上的分离，但形状是严格规定好的，各车队不能修改，其不能完美控制前轮上方尾流

Floor

Fence（允许最多四片，包括最外侧从外侧可见的基本竖向的fence）可以从迈凯伦侧边下方的小形状看出，是整体外洗的。

Fence外洗与否的差别，可以看出，fence外洗可以显著提高车底下压力

下图中红色箭头即fence形成的外洗，fence之间区域由于流管越来越矮，会在车底产生高压（图中绿色），会产生一些升力。

Fence外洗的目的：

1. 图示A. 在最内侧fence与内侧车身之间形成横向扩张段，产生下压力

2. 图示B. fence下沿产生涡，在floor下方可以利用涡的低压产生下压力，同时稳定车底流动

3. 最外测fence的外洗连同车底从floor下方流出的外洗，产生涡，暂且称为edge vortex，作用类似Y250，在靠近底板和地面处是向外旋，可以减少floor边缘下方气流的向内卷入，从而提高车底负压。

4. 涡为低压区，可以减小后轮阻力，也可以用涡将气流引导至扩散器上方。

5. 但也要考虑不让涡在floor上方产生过多的低压（上方低压，为升力），需要取舍。

Fence相关的涡：

floor edge处利用其弹性，在高速下向下形变，减小其与地面距离，显著减少气流卷入车底，显著增加下压力。下图为迈凯伦出车时的离地间隙和跑起来后的离地间隙

下图为整体离地4.5cm，edge后方离地从4.5降低到1cm，即没形变（左）和有向下形变（右）和的区别，可以看出下压力显著增大，核心是靠形变减小floor edge下方的内洗

上图中floor edge后部向内卷产生涡，由于涡是低压结构，可以在floor下方产生部分下压力（后轮前方floor边缘的紫色区域）

关于一些车队关于Floor edge的设计，会在下文的各车队设计细节分析中介绍。

beam wing可以视为扩散器的二层翼，提高扩散器内气流的流速和扩张比例

不同车队的Rake理念

有的车队也可能用更大的Rake，希望让floor前部产生更多的下压力，而非我图中的后部。比如阿斯顿马丁的高鼻翼，小红牛的高rake。高鼻翼导致其本身下压力不大，但到车底的气流更干净，可以通过高rake和fence的设计让floor前部产生更多的下压力从而整车前后气动平衡，否则，后部下压力过多，转向不足。

海豚跳问题，即离地间隙/rake的影响：

车身由于下压力而整体降低时，易引起海豚跳。车身的离地间隙很trick，需要仔细把握，下图为

rake 0度，reference plane距离地面4.5cm，floor edge后段由于弹性形变而下压至离地1cm

vs

rake 0度，reference plane距离地面2cm，floor edge后段由于弹性形变而下压至离地1cm

(各车队的floor与地面间形状，beam角度可能和我这个有些差别，不同车队的相同离地间隙可能效果迥异，我算的结果也只能定性理解。有可能一些车队的理想离地间隙就是1~2cm。海豚跳还和整车质量分布与气动力分布的位置关系有关。)

对海豚跳原因的理解：

同一辆车，离地间隙越小，扩散器相对于车底的空间面积扩张比例越大，越容易在扩散器内产生流动分离，而导致实际的流管扩张比骤减，导致下压力骤减（上图的floor下压力数据变化可以说明），从而车的悬挂压缩量减小，车身抬高，然后由于下压力又恢复，悬挂又被压缩，车身再降低，然后扩散器内又分离，以此往复。

奔驰的海豚跳很严重，猜测因为奔驰侧箱很小，侧箱外的气流可以更流畅的到达扩散器上表面的上方，在扩散器结束后的区域可以更有效的拉动扩散器内部的气流来提速，从而奔驰可以选择（比传统侧箱）更低的离地间隙。而离地间隙小则海豚跳不容易控制。一旦奔驰搞定海豚跳问题，实力可能大增。不过貌似奔驰引擎这赛季不太优势...

后轮附近

刹车散热气流的进口和出口都在车轮内侧，无法像以前一样用散热气流从车轮外侧流出来产生外洗。

内侧的翼产生上洗，从而产生下压力，且减少气流从扩散器下沿以下卷入扩散器内部

实际车队的后轮附近翼片比我这个复杂。

尾翼

尾翼也可以增加车后气流上洗，帮助扩散器

尾翼没有上方端板，会在尾翼两侧后方产生强涡，将车的尾流向内收束（而非外洗）且向上引导，减少对后车的干扰（新规的目的之一）

对各车队的设计细节理解

红牛

进气口：可能因为进气道前会压强更大，因为后边有水箱之类，所以下部前探，配合反光镜连接结构，可以让侧箱上方气流更快，更不易在侧箱上方分离，从而更有效地抵达floor上方

反光镜上下方的翼片：减少反光镜后的分离区大小利于后方流动的利用潜力

红牛的Floor:

A处最外侧fence和第二层fence之间收束：猜测在其之间形成高压，可能为了影响edge vortex，不确定是想加强还是减弱，需要CFD数据支撑

B处平缓过度：估计为了防止该位置之后拉出强涡，封edge后方的卷入气流靠C和D，需要CFD数据支撑

C处两个开口和中间的弧形：利用来流打在弧形前方的上扬区域产生向下的力来降低其跑动中的离地间隙，同时释放形变自由度。同时产生涡

D: floor edge后部直接向内收（而非走到规则允许的最宽位置）：将edge vortex（无论来自于fence还是C处）放置于edge边缘斜上外方，和法拉利迈凯伦去掉edge wing后的底板形状类似

Beam wing （尾翼下方的一组翼）理念：

靠前的beam努力在靠后beam前方上方产生高压，靠后的beam相当于floor的副翼，充分利用规则所允许的攻角（和floor之间的缝隙流速++，靠后beam尾缘上方气流上洗程度++）

下图数值为下压力，红牛的beam理念(下)比我一开始随意画的beam(上)，对底板(floor)有显著提升，beam自身下压力略减少。但这个beam理念不一定适合其他车队，因为对floor的气动平衡要求，离地间隙取舍可能不同。

奔驰

利用规则【没有要求side impact structure必须被包裹在侧箱之中】的漏洞，做了窄侧箱（侧箱虽小，但散热进气口可不小），且碰撞结构上各种加涡流发生器用于保护车后部气流不分离。可以让扩散器上方气流更强，引导气流从扩散器内流出。车底的扩张比允许更显著，所以奔驰整车离地间隙很小，利于车底下压力。但离地间隙过小时依旧会在扩散器内分离，导致下压力骤减，引起海豚跳。

法拉利

法拉利侧箱上的弧形开槽两边是涡流发生器，当气流从开槽中流出时，经过弧形边缘产生涡

法拉利的侧箱和底板边缘用目测方式不容易看透，还没来得及做CFD来分析

迈凯轮

利用edge vortex的旋转方向，减少edge下方的气流卷入，并将气流向下引入后轮前的floor下方，这些部件下方也能有低压，即下压力。

下一步要做的

迭代fence的形状，高度，调节floor下方前部的下压力，和利用fence下方涡产生下压力

算各车队的floor设计，优化其内部流道形状，边缘细节

算各种侧箱理念的区别

对车底流道形状进行优化，计算不同的rake和离地间隙。这两者之间有强耦合，鉴于我精力有限，没法充分优化了......

以下为以前的回答版本：

我按照FIA新规文档（最新是2021-12-15版）画了几何，算CFD

更新Ver 3：基于第一轮试车，增加了一些各车队基本都采用的设计

这个Ver3的CFD结果如下。

车速60m/s，整车下压力不够，车底扩散器下压力明显不够（即便比Ver1降低了前缘高度，增加了前缘最外Fence的外洗角度），感觉理念还不对，需要继续迭代。

之前只是大概画了个符合规则的尾翼，现在看来尾翼翼型明显需要改进。尾翼主翼弯度不足，beam wing和扩散器没有配合好

---------------------------- Ver 1 ---------------------------

去年FIA发布新车式样前，我按照规则做的第一版几何（车轮附近缺少细节，因为规则里没细说，是只有车队才能拿到的标准件的CAD文件）的CFD如下图，有一定rake，扩散器前部还需要改成外洗设计，floor edge wing只是随便画了一个，需要优化。当前扩散器下压力还不够，还有很大空间

---------------------------- Ver 2 ---------------------------

红牛刚发布的应该是假车，因为连floor edge wing都没有（扩散器外延上方的翼）

红牛发布的新车（涂装） VS 我画的第二版几何（鼻翼/扩散器还有很大优化空间）

占个位置

7月16日答案

七月发布的这个新车，是Pat Symonds和罗斯布朗提供的官方“参考答案”，但不是“标准答案”。下面三张图，是官方在去年提供的三种新车的设计思路。

官方相较于各支车队，其优势在于可以不受限地进行电脑流体力学模拟（CFD）。车队使用的CFD软件有版本限制（小车队没钱升级最新的软件）；CFD的采样点数量有限制；总运算量有限制。这次的新车发布会上，官方也反复强调这辆车通过了充分的CFD分析，理论上达到了设计目标。

问题就是这个设计目标。罗斯布朗主导的这次规则大改，旨在减少dirty air，让赛车可以近身缠斗，而不用担心损失过多的下压力。在发布会上，他们也给出了几个数据，反复强调新车所产生的车尾湍流得到了大幅削减。是不是可以理解成，官方的赛车是朝着“减少车尾湍流”这个方向而进行优化。车队才不在乎什么车尾湍流，跑得快才是唯一目标。所以，下赛季参赛的新赛车，究竟都长成啥样，还真没谱儿呢。

我打算周末把FIA的technical directives 翻一翻，如果脑补CFD想到点啥，再补充吧。

回答一下题目中关于“轮罩”的疑问。

下赛季，所有车队都要使用官方统一规格的wheel cover。那玩意儿是有开口的，所以散热不是问题。十多年前，F1车队利用特制的轮罩，使刹车的散热气流在车身周围形成涡流。2022新规则的核心理念，就是减少赛车周围的dirty air。官方这次用定规的轮罩，彻底断了车队拿刹车散热气流做文章的念想。