写在前面：
本田F1车队已经离开整整10年了。作为厂队的短短3年生涯当中，本田的成绩并不亮眼；但是在10年前的那个冬天，在规则剧变的前夕，有一群日本空动工程师把他们多年以来的收获一五一十地记录下来，发表在本田的内部期刊《Honda R&D Technical Review 2009, F1 Special (The Third Era Activities)》里。10年后的夏天，译者在F1Technical上偶然发现有人提到这篇文章，说它是“世界上最好的F1论文之一”。品完之后，译者觉得这些年来的F1技术分析几乎白看了。
你读这篇文章之前需要做什么样的准备？
对F1赛车的空气动力学感兴趣；知道F1赛车具有哪些空气动力学部件；具有一双善于捕捉细节的眼睛；能够运用空间想象力将文中的图表对应到相应的部件上。
你读这篇文章能够学到什么？
F1赛车具有什么样的部件；这些部件为什么被发明出来；它们对气流产生什么样的影响；它们有什么样的细节设计；每个部件背后的考量；一些基本的空气动力学术语。文中有不少设计和理念一直沿用至今，所以在阅读的过程中，也可以配合译者的注解，来理解现代F1赛车的设计。
你消化吸收这篇文章的过程中需要注意什么？
2018年的F1和2008年的F1最大的区别在于前翼：2009年规则强制前翼中段平直，由此产生了所谓的“Y250涡流”，因此本文中“ONF”一段的知识因为该处气流结构的剧变可能不再有效，不过现代赛车的设计中仍会运用类似的原理；2008年之后出现的一些著名设计，如双层扩散器、吹气扩散器、F-duct、DRS、前翼外侧小翼，Quadruplane（后刹车小翼）等等，在本文写作时还未诞生。
如果你读完了之后，希望在FSAE当中尝试类似的设计，请切记FSAE和F1的气流结构有区别，加工水平有差距，CFD准确度也有很大的差距，一些你在本文中学到的知识可能无法在FSAE当中观察到，或者能够复现，但是因为部件重量太重/成本太高而得不偿失。
最后需要谨记，如今的F1对于空气动力学的认知和10年前大不相同，而且本文仅为本田的一家之言，不能保证其他车队采用相似的设计思路。因此在审视现代F1的设计时，切勿将本文中的知识当作客观真理，须结合当时的技术水平，十分审慎地看待。
好了，让我们开始吧。

一级方程式赛车的空气动力学分析
Aerodynamics Analysis of Formula One Vehicles
原作：Atsushi OGAWA Susumu MASHIO Daisuke NAKAMURA
Yasutaka MASUMITSU Masayuki MINAGAWA Yusuke NAKAI
综述
一级方程式赛车装载了许多不同的空气动力学部件。它们相互作用，产生高度非线性流动（highly nonlinear flows），对赛车周围的气流有十分复杂的影响。理清其中的流体现象，可以让我们有效地优化空气动力学部件。本论文将举出一些我们通过风洞和CFD所发现的，F1赛车周围的气流现象。

1. 导论
本田F1赛车空气动力学部件的形状，是通过在风洞中测试50%大小的整车模型还有CFD来优化的。在这一过程中，我们首要考虑的是在下压力、前后平衡还有阻力三者之间做权衡。由于空动部件之间的相互作用导致整车流场非常缺乏线性，我们在实践当中并不能解释每一个空动现象背后的原理。然而，通过运用CFD来分析一些核心的空动现象，已经足以让我们对F1赛车的流场产生新的认识。本文旨在讨论其中一二。
2. 整车流场
2.1 地面效应
本节简要讨论一下2D和3D层面上的地面效应。二维层面上的地面效应主要体现在动压（dynamic pressure）的提高，和上洗（upwash，一种尾流向上偏移的现象）的减少（图1）。

由于气流的上洗角即为后续部件的攻角，因此上洗这一现象在具有多片部件的F1赛车当中起到非常重要的作用。而在三维层面上，由于翼尖涡的镜像效应而导致上洗和诱导阻力的减少，可以认为是三维的地面效应（图2）。

译者注：图2的绿色箭头为镜像翼型所抵消的上洗分量

十年之前本田变布朗

这文章不是微博上哈斯车队的中国女工程师发的吗

2.2 整车流场
因为2.1中阐述的原因，除了在接近地面的高度上产生下压力之外，【还需要在远离地面的区域主动产生一些升力】，虽然乍看起来有害。尤其，在一些地面效应不明显的区域，【可以以很少的升力为代价，产生很大的下洗气流】，进而提高后续部件的下压力。为了达到这一效果，我们在车辆上部安装了能够产生升力的部件（“兔耳”和“狐耳”，在第4章中将会讨论），将前翼产生的上洗气流向下偏转，进而提高底板、扩散器和尾翼的性能（图3）。前悬架臂和鼻锥也可以帮助产生下洗，这一点可从赛车上下表面的压强分布图中看出（图4）。
图3：理想的整车环流，气流经过前翼后转为上洗，通过前悬叉臂和破风板等部件后转为下洗，再通过尾翼与扩散器重新转为上洗

图4 赛车表面的静压分布，注意悬架臂上表面为蓝色，鼻锥下表面为红色，如同机翼，意味着气流下洗

本节粗略地描述了整车的流场，但是具体的细节是通过无数大大小小的流体现象组成的。下面几页将会对这些流体现象加以讨论。
3. 前翼
前翼产生了整车约20%~25%的下压力（图5）。此外，由于前翼产生的下压力极易影响赛车的空气动力平衡（Center of Pressure, CoP），我们可以通过调节前翼襟翼的攻角来调整整车的CoP。
由于前翼处于整车气流的上游，其产生的上洗气流和翼尖涡不仅对车辆后部的流场有显著的影响，而且对转向（steer）、下沉（pitch）和其他因素导致的车辆方向的变化非常敏感。正是因为这些特性，还有前翼决定赛车CoP可调范围的重要作用，使得前翼成为了风洞测试当中最为耗时的部件。
图5 本田的前翼及各组件

3.1 前翼下压力的作用及其导致的上洗气流
前翼的地面效应不仅有利于提高其升阻比（lift-drag ratio），而且可以将其产生的气流上洗控制在一定范围内。然而，如果前翼产生了过多的下压力，就会导致后面的悬挂臂等部件产生超出限值的升力。而且，前翼产生的上洗气流会降低车尾部件的实际攻角，以至于降低车辆的总下压力。此外，前翼和悬挂臂产生的乱流会降低尾翼附近的动压（dynamic pressure），直接减少尾翼的下压力（图6）。鉴于上述的一系列原因，我们必须将前翼产生的下压力控制在一个定值，甚至更少，而不能一味地提高。好在这些优化都是在前翼的规则限定空间（regulation box）内完成的，除了单纯减少上洗之外，还有一些其他好处，例如降低赛车的转向敏感度（steering sensitivity）。
严格地说，我们沿Y轴方向（赛车的左右方向）调整前翼的高度和形状，从而优化前翼的上洗分布（upwash distribution）和转向敏感度。同时，我们还需要根据前翼端板（frontwing end plate, FWEP）的形状来优化前翼的翼尖几何，使其能够协同工作。这一点会在下一小节讨论。
图6 气流经过前悬臂导致的失速

MP4-27悬架臂导致的气流失速

3.2 前翼翼尖涡和轮胎的相互作用
前翼研发当中的另一个问题在于如何处理前翼端板剥落下来的翼尖涡。直到2008年，前翼端板涡（FWEP vortex）会下落到轮胎内侧的下半部分。在轮胎内侧的下半部分，会从前缘（leadingedge，此处指胎肩位置）剥落一个分离涡，导致严重的总压损失（图7）。我们的一种处理方案是将轮胎的分离涡和前翼端板涡混合；同向混合涡在行进的过程中，会在YZ平面（赛车的前视横截面上）保持相同的位置，这样就可以防止涡流逐渐向赛车内侧偏移，避免底板下方的总压损失（图8）。为了实现这一方案，需要制造一个稳定的前翼端板涡，在一个适当的位置剥落，而且需要足够强，不至于中途耗散。
图7 前胎前缘剥落的乱流

图8 前翼端板和轮胎分离涡的相互作用（上为速度矢量，下为静压分布）

此外，赛车转向对前翼的设计有着不可忽视的影响。转向会使气流相对赛车产生偏航角，因此前翼需要针对这一点做优化，使得转向和不转向工况下的表现不至于差别太大，尤其是处理迎风轮胎下半部分的分离涡和前翼端板涡两者位置关系的时候。
我们可以通过在前翼端板上安装副翼来控制前翼端板尖端产生的涡流，或者在前翼端板的下沿安装一道“底座”（foot），配合端板尾部的半锥形板（“圆锥”，cone）来控制前翼端板涡。我们也可以通过“长条”产生的纵向涡流来调整翼尖涡的强度和位置。“长条”（strake）是一条和端板平行，安装在前翼中段下方的平板（图5右下）。
图5 前翼，右下为strake

除了以上措施之外，我们还采用了许多其他的方法，如提高悬挂下叉臂外侧的安装点，从而避免叉臂在赛车底盘高度发生改变时，影响到前翼端板涡，进而改变前悬挂周围的流场。

4. 底盘上方的部件 【著名的“兔子耳朵”和“牛角”】
“底盘上方”指的是从鼻锥到单体壳上半部分和两侧的一系列区域。虽然规则中几乎没有明确标明部件能达到的最高高度，但实际上，考虑到车手的视野和座舱的安全性，前防滚架（引擎进气口）的高度即为空动部件所能达到的最高高度。
底盘上方的部件的主要作用是，以一小部分升力为代价，制造下洗气流，提高赛车底板下方和尾部部件（主要是尾翼）产生的下压力。
4.1 前悬臂
前悬臂在将前翼上洗流向下偏转的过程中发挥了至关重要的作用（图9）。如果没有前悬臂的存在，对破风板涡的控制（见5.2节）将完全无法实现。
图9 前悬架臂将前翼产生的上洗气流向下偏转

不过，由于不允许将悬挂作为空动组件，规则对悬架臂截面弦长和厚度的比值、弦长还有攻角都做了限制。因此，在前翼上洗气流的影响下，悬架臂的上表面可能会发生气流失速。据此，我们会优化前悬臂的截面和整体的悬架几何，从而最大化其空气动力学效应。
下图：MCL32由前悬臂和破风板顶部翼片制造的下洗流。破风板顶部翼片19新规被禁，不过MCL34已经有了替代方案

4.2 “兔耳”和“狐耳”结构
“兔耳”（Bunny ears, 哈斯工程师微博中提到的‘usa’，图10）是另一种能够产生下洗气流的部件。不过，与前悬臂相比，“兔耳”的作用更多在于提高【尾翼】的有效攻角，而非直接加强赛车底部的抽吸作用。由于“兔耳”的作用原理，尽管它能够提高下压力，整车的L/D却不会有所提升。因此，我们认为“兔耳”在高下压力赛道才具有相当的优势。此外，因为底盘上方的空动套件不多，“兔耳”产生的翼尖涡可以在相当的距离内保持稳定的位置（YZ平面），不被赛车的航向和扰动所干扰。这一点使得“兔耳”在应对侧风时仍然有效（图11）。“兔耳”的使用使得赛车的峰值下压力大约提升了2%。
图10 “兔子耳朵”

图11 侧风下，有“兔耳”相比无“兔耳”，在尾翼下方带来了更低的静压（蓝色区域），相当于减少了侧风下的下压力损失

“狐耳”（Fox ears，图12）是安装在反光镜前方，呈鳍片状的部件。和“兔耳”类似，“狐耳”也可以增加尾翼的有效攻角，但它也会促进气流朝赛车底板下洗。”狐耳“产生的下洗流还会影响到破风板产生的纵向（X轴方向，沿车体向后行进）涡流位置。F1要求该区域安装的空动套件必须完全位于底板部件的上方（“影子规则”，the shadow rule，即完全被底板部件遮挡，从车体下方不可见）。因此，“狐耳”一定不能够越过正下方“水翼”（water wings, “WW”，会在下一章提到，图13）在XY平面上的投影。此外，因为抬高“狐耳”的翼尖可以增强其效果，却可能阻挡车手视野，这一点也严重影响了“狐耳”外形的自由度。
图12 “狐耳”，即反光镜底座

迈凯伦发明的“牛角”是另一种有效的底盘上方部件

今天先到这里，需要复习备考，明天会更新包括破风板、底板、侧箱下切、尾翼、扩散器在内的所有剩余部件，留点时间给各位消化和反馈

收藏了

日本车已经不存在了，现在是迈凯轮在做整合，本田只输出模板！(๑‾᷅^‾᷅๑) 嫌弃你