流体力学与F15.docx

扩散器扩散器位于赛车的尾端,是车尾最低的气动部件。与前翼和尾翼相比, 扩散器被应用的时间相对较晚, 但是扩散器却是目前公认的最有效的气动部件, 因为与传统的翼片工作方式不同,扩散器工作时几乎不伴随阻力,因此强化扩散器工作效率也常常成为 F1 设计师提升赛车气动性能的核心要素。通常来说,扩散器可以为赛车提供 40% 的负升力。所谓“扩散器”顾名思义, 就是要造成气体的扩散, 介绍扩散器的工作原理之前, 我们有必要了解一下扩散器的结构及其与底盘的联系。扩散器其实就是底盘末端的一段上翘结构, 或者说是底盘末端的一个斜坡, 但无论怎样理解, 扩散器都是与赛车的底盘相连,亦或理解为底盘的一部分。那么现在就请我们想象这样一个情景: 由于底盘与地面的高度十分有限, 因此底盘下方的气流处于一种“压缩状态”中,流速会比赛车的速度有所加快,当这股气流流出底盘,进入扩散器时,气流会由于康达效应顺着上底盘/ 扩散器的斜坡形状流动, 这时问题就出现了: 由于扩散器的体积比车底大得多, 因此需要更多气体才能填补扩散器这一巨大“空缺”,因此车底被压缩的气流就会加速向着扩散器的方向流动,这样一来,就好比有一双大手将气流源源不断地从车底抽出, 车底的气流也获得了更为强大的流速, 根据伯努利方程, 流速高的地方压强低, 车底由于气流的高速运动而产生了低压区,结合外界的一个大气压,便获得了巨大的负升力。说得再详细一些, 车底的气流在刚刚流入底盘下方到流入扩散器之前被加速, 而当气流注入扩散器后流速由于扩散器的容积增大而减慢, 打一个不太恰当的比方, 扩散器只是给底盘下方被压缩的气流提供了一个释放的出口, 进而诱导底盘下方的气流加速。因此负升力是作用在底盘上的,在扩散器的内部没有产生可观的负升力。上图显示了在 250km/h 的条件下, 平面下部的大气压力分布。有蓝色到红色依次表示从小到大的气压。通过这张 CFD 模拟图, 我们不难看出, 底盘下方为低压, 而且气流在到达扩散器时流速达到最大值, 压强也达到最低值(体现为深蓝色) ,而在扩散器区域却为压强较大的黄色和红色。其中扩散器尾端呈现红色,同时也意味着此处的流速最小, 这与之前介绍的气流从注入底盘到流出扩散器的过程中流速先增大后减小的原理是一致的。通过下面两幅图, 我们可以很直观的看到气体在扩散腔内部的减速运动。扩散器的工作原理也可以用文丘里效应解释, 换言之, 扩散器与文丘里管十分相似, 车底的气流从扩散器入口进入,扩散器入口背面形成低压区降低车体底部空气的升力,以此增加赛车的负升力。扩散器最大的缺点注是对底盘与路面之间的距离要求非常严格, 距离变化会对负升力产生巨大的影响, 这也就是为会么民用车没有使用这种装置,高度越低越好,但一旦底盘接触地面将前后气流切断,扩散器立刻失效。上图是扩散器角度为 10 。时的阻力和负升力系数随着含有扩散器的类车体离地间隙变化而改变的插值曲线,由曲线可得负升力随着离地间隙的减小而增加, 离地间隙与车长比值为 时扩散器失速点发生。经实验表明此处是扩散器区域气体入口, 该区域的气动压力达到最小值, 通过改变扩散器起始位置可以对赛车负升力中心加以控制。压力系数与扩散器角度研究表明赛车底部运动气流在扩散器起始位置发生分离, 后在文丘里的影响下重新附着在扩散器的表面而流向尾部。针对这种情况, F1 的