上一篇专栏文章中，我按照时间顺序梳理了F1车体规则Article3的发展与变迁。对于规则制定者的FIA来说，制定“参考体积(RVReferenceVolume)”的最初目的，是为了统一轮胎规格和帮助车队控制成本。世纪九十年代初，F1赛车的速度越来越快，赛车运动的安全风险愈发突出，修改RV则成了限制赛车速度与提升安全性的主要手段。21世纪初，电脑的运算能力取得了大幅进步，F1车队在掌握了CFD和全尺寸风洞等设计工具后，将赛车气动外形的复杂程度推向了极致，赛车产生的“dirtyair”成了规则制定者要面对的新挑战。于是在09赛季的新规则中，“减小车身扰流对跟车的负面影响”被首次写进了Article3。2017年，在新所有者LibertyMedia的影响下，“提升赛车颜值”也成为了一个新的修改RV规则的目的。
总而言之，经过了三十多年的发展，FIA在与车队的斗智斗勇中，明确了车身规则需要达成的两个主要目标，那就是赛事的“安全性”与“观赏性”。有关提升“安全性”的规则修改，不应该存在争议，我就不多赘述了。具体到提升“赛事观赏性”的目标，FIA的主要有两个解决思路：
以上的总总，归根结底都是FIA的一厢情愿。据说，FIA技术开发部门的布朗和西蒙斯，带着他们的缩小比例样车，进行了上千小时的风洞模拟，最终验证了“大幅减少车身/车尾湍流”的设计目标。但是，没有车队会基于相同的出发点去设计自家的新赛车的，工程师与设计师只关心如何让自家的赛车更快。正是这种底层思路的区别，甚至是冲突，让我有了写这个系列前瞻分析专栏的想法。
本文将尝试帮助读者带入工程师的思考方式，通过列举几个主要的空气动力学效应，看看工程师们的“toolbox(工具箱)“里都有哪些能让车子更快的办法。
首先，当我们分析气体的流体时，我们必须确保流体的“质量守恒(conservationofmass)”,“动量守恒(conservationofmomentum)”与”能量守恒(conservationofenergy)”。实践中，我们使用牛顿力学定律去解释与计算关于流体的动量守恒；伯努利方程的推导过程，是基于流体的能量守恒。
翼型(AFAirfoil)应该是最常见的一种用于产生升力/下压力的空气动力学装置。以飞机的机翼为例，AF通过改变气流的流动方向，产生垂直分量的升力(lift)，与水平分量的阻力(drag)。以下图为例，水平流动的层流气流(LaminarFlow)，流过整个AF后，在AF末端以一个“朝下“的角度(downwashangle)离开。根据牛顿第三定律”作用力与反作用力“，流过翼型上下表面的气流给翼型施加了垂直方向分量朝上的”反作用力“，即气动升力(aerodynamiclift)。
AF产生的是升力还是下压力，只取决于AF是如何改变了气流的方向，与AF的“形状”没有关系。如下图所示，即使把一个翼型翻过来，只要末端的气流方向是朝下流动的(downwashflow)，那么翼型产生的就是升力；反之，则产生下压力。同理，上下形状对称的AF也是可以用于产生升力/下压力，具体情况具体分析。
需要特别指出的是，虽然伯努利方程可以用于建立”AF表面的气体流速与动态压强(dynamicpressureq)的关联性“，即：”表面气体流速越快，则表面压强越小“。但是，直接使用伯努利方程去解释翼型的升力原理，很容易走入误区。
实际上，低压翼面的气体流速在多数情况下，比高压翼面的气体流速要快很多。几乎不存在两个气体分子同时接触翼型前端，最终在翼型末端汇合的情况。
文丘里效应是F1赛车最主要的下压力来源。结合上文关于AF(Airfoil)的内容，已知，伯努利方程在解释AF的升力/下压力时，由于很难界定与确立”质量守恒/流量守恒的边界“，故使用受限。与之相对的，文丘里效应最明显的特征就是横截面上”粗——细——粗“的”文丘里管“，因为”文丘里管“使得进出管内的流体同时满足了流量守恒与伯努利方程，即文丘里效应。
下图是我自制的文丘里管示意图。A是横截面的面积；U是流线上流体的速度；P是流体压强；数字代表同一条流线上的不同状态(state)。
地面效应是赛车迷圈中，最被人津津乐道，同时有存在最广泛误解的一种气动效应。严格来说，地面效应只与赛车地板(floor/underbody)的离地间隙有关。地面效应的产生原因有两点：首先是赛车地板与地面的相对运动，以赛车地板为参考系的话，地面在向后移动；其次是流体的“粘性(viscosity)”。
有一个直观感受地面效应的实验：大家可以找一块儿硬纸板/薄硬皮书，双手把硬纸板拍在掌中；然后，左手右手上下相对运动；手掌与硬纸板的摩擦力类似流体粘性；硬纸板就是夹在地板与地面之间的流体。
车迷们一般将利用文丘里管的赛车称为“地效赛车”。70年代，莲花的“倒置机翼”赛车，是最经典的地效赛车。同理，2022新规则也被视为地面效应的回归。其实，是否是地效赛车，与地板的形状关系不大，平直的地板也可以充分利用地面效应。
下图的莲花78(1977)，它有“倒置AF”的地板，和密封车底气流的侧裙。车迷们谈论的“地效赛车”，主要指的就是它和它的衍生车型。
然后是下图的BrabhamBT46B“风扇赛车”(1978)，它有一个从车底抽气的风扇，和密封车底气流的侧裙。
接下来是“双层底盘”的Lotus88(1981)，它的地板形状属于平直地板，但是它有一个“自适应高度的侧裙”，可以保证车底气流的密封性。
1981赛季之后，侧裙被FIA禁止；1983赛季开始，规则只允许赛车使用平直地板。但这一系列的禁令，并没有让工程师停止追逐地面效应最大化的尝试。下图是威廉姆斯的FW14B(1992)，它采用主动悬架(activesuspension)，让地板尽最大可能地贴近地面。
以上列举的赛车，都是极致利用“地面效应”的典型。
抠字眼是没什么意义的事情，我啰嗦了那么多，不是为了纠正什么“命名”上的不准确。我想传达的想法是：地面效应从未离开，也就不存在所谓的回归。
我是这么理解地面效应的：地面效应类似一种“下压力(升力)的增幅效应”。如下图所示，一个普通的doubleelementsAF的离地高度是h。当h接近无限高，AF会产生下压力，不过，地面对它的影响可以忽略不计；缩小离地间隙h,AF产生的下压力会被地面效应“增幅”。
再如下图，一块AF所产生的下压力，是曲线“横轴下的面积”减去“横轴上的面积”；蓝色曲线是远离地面的AF的下压力系数曲线；红色曲线是被地面效应“增幅”的下压力系数曲线。
地面效应对与地板的文丘里效应也有增幅。
”柯安达效应“是以罗马尼亚工程师亨利柯安达(HenriCoanda)的名字命名的气动效应。简而言之，当流体靠近凸起曲面，流体会被曲面“吸引”，然后贴着曲面的弧度流动。
柯安达效应最常见的应用，体现为现代F1赛车的侧箱形状。最早的“可乐瓶侧箱”是法拉利的640。早期的“可乐瓶”只改变气流流动方向的水平分量，根据牛顿力学第三定律，气流被“拉向”赛车的中线，赛车受到向外的反作用力，正负抵消。
最新的“可乐瓶”比几十年前要复杂了不少，比如，最近两个赛季开始普及的“下切侧箱”，就是利用柯安达效应，使得侧箱进气口上方的气流可以与地板上方的气流汇合，然后一起流向扩散器上方。工程师采用尽可能陡峭的下切外形，可以减少垂直方向的作用力/反作用力分力，降低升力的负面影响。
以下图的威廉姆斯FW43b的侧箱为例，假设，工程师的目标是让气流从A点流到B点：
2012赛季的柯安达效应排气管，也是该效应非常典型的应用。
还有就是这种气吹扩散器，排气管尾气会因为柯安达效应贴着扩散器流动，抑制扩散器处的流体分离现象的形成。
当一块AF的上下表面有压力差，那么在AF的边缘，高压区的气流就会流向低压区以消除这种压力差。由于气流的“气压连贯性(pressurecontinuity)”与动量守恒，这一过程就产生了涡流。涡流可以帮助工程师抑制车体表面的流体分离现象，让气动部件发挥作用。
工程师在设计空气动力学部件(气动部件aerodynamicdevice)时，主要有以下两个目标：高效率地产生足够的下压力(downforcegeneration)；气流管理(flowmanagement)。
作为旁观者/赛车迷，我们观察一辆赛车的外观时，可以通过判断每个气动部件的作用是服务于以上两个设计目标中的哪个，逆向分析与理解工程师的设计思路。熟练掌握这个观察方法，谁都可以成为“眼球空气动力学大师(Eye-ballAerodynamicist)。
以阿尔法罗密欧的前翼为例：我们可以根据AF的形状，角度和离地间隙分辨出：哪些是产生下压力的AF；下压力AF有没有受到“地面效应”的增幅；哪一部分是改变气流流向的转向叶片(turningvanes)；以及涡流发生器在哪。
更进一步的分析，我们还能划分出不同区域的“压力阶梯”，再根据“气流从高压区流向低压区”的原理，脑补出气流的流向和涡流的旋转方向。
例子中的前翼，是2019年规则修改后，两种设计思路其中之一的“部份负载前翼(PartiallyLoadedFrontWing)”。顾名思义，这类前翼只有翼展的一部份区域产生下压力，而叶片靠近挡板(Endplate)的部分则用于加强气流向外的流动(outwasheffect)。
类似的设计思路，我们可以在“同门”的法拉利前翼上看到。
我们再看看红牛和梅奔的“全负载前翼(LoadedFW)”，他们与前者的差异是显而易见的。运用同样的分析方法，我们大致可以理解红牛和梅奔的设计思路：前翼将前轮之前的气流都扩散了，这样可以获得更多的下压力；加强的Y250涡流发生器，用贴近车身的强劲涡流将前轮产生的扰流都隔绝。
在上一篇专栏文章里，我从规则的角度得出了一个比较悲观的结论：那就是随着Article3的不断完善，篇幅愈发冗长，留给工程师们发挥奇思妙想的空间越来越小。类似09年布朗那种“童话故事”，不太可能在下赛季出现。我们甚至看不到如14赛季那般，外形各具特色的新赛车。
而本篇文章既是为了给后续内容做铺垫，也是为了给赛车迷们一个保持乐观，期待新赛车的理由：布朗和西蒙斯固然老谋深算，却未必能做到面面俱到；工程师们早已习惯了“戴着镣铐跳舞”，不管在多么严苛的参考体积里(ReferenceVolume)，他们也有办法玩出花儿来。
PS.从下一篇文章开始，我会按车身部位分析和解读新赛车与新规则。多余的话，该啰嗦的，都说完了。
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